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智能建筑电能管理系统
摘 要
最近的研究表明住宅和商业建筑电能损耗是由于不正确使用电气设备造成的。在这种情况下，自动电源管理系统-能够在保存的同时减少能源浪费感觉到的舒适度-会非常吸引人。到这个目标，我们提出绿色建筑，一个基于传感器的智能监测能源消耗和自动控制建筑。绿色建筑已作为原型实施并在真实的家庭场景中进行了实验。这个对实验结果的分析表明绿色建筑能够显著节约能源。
关键词：建筑节能；无线传感器网络；能源意识，建筑管理系统。
- 导言
住宅和商业建筑约占全球能源总量的20%消费，随着时间的推移呈增长趋势。这个
建筑能耗的主要原因是空间供暖和空调、水暖、照明和计算机和其他电子设备的使用。
能源消耗的很大一部分是由于不恰当地使用这些器具和装置。只是消除能源浪费，不降低感觉舒适，会降低整体能量建筑消耗量约为30%[3]。什么之中的一个能源浪费的主要来源是电力处于待机模式的设备年内约占总能耗的10%建筑物。
根据一些研究，提供适当的对居住者的反馈可以显著减少
总能耗，按5-20%[4,5]的顺序排列。然而，仅仅依靠人们的意识和行为可能不是一个有效的方法。的确，最近实验研究[6]表明超过30%安装一个住宅家庭的监控系统，但是一个月后，这一比例降至4%以下。一个除用户外的自动化能源管理系统合作肯定是更有效的解决办法。
在本文中，我们提出了绿色建筑，一个监控每台设备的功耗建筑物中的器具。绿色建筑利用了实现两个主要目标的无线传感器和执行器：（i）使用户了解经济（和环境）因使用电器不当造成的费用；（二）通过设备的适当管理。我们实现了以绿色建筑为原型并将其部署到家庭场景。对实验证实由于不正确使用电器而浪费能源。我们表明这种能源浪费是可以消除的，通过使用一个简单的能量守恒规则每个特定的设备或设备类别。
论文的结构如下。第二节说明相关工作。第三节介绍绿色建筑体系结构，而第四节描述了它的实现。第五节介绍了我们的实验研究结果。结论见第六节。
- 相关工作
无线传感器网络（WSNS）在过去用于环境监测的应用得到了广泛的应用。
最近，它们也被认为是实时的年用电量精细监测建筑。在[7]中，作者描述了
分布式监控系统acme的实现-基于交流功率表网络-允许用户通过网络查看他们个人的能源消耗接口。同样的交流功率表也用于[6]其中详细的能量实验研究介绍了计算机科学系的消费情况。[6]中的研究目标是实现能源消耗的详细可见性，即用电方式、用电地点和用电对象。因为使用了每个电器的专用功率表是不可行的而且价格昂贵，作者考虑了几种方法从中推断单个电器的能耗聚合度量。同样的目标也是以[8]和[9]为目标。具体来说，[8]提出了两个电路级数据分解算法设备级估计，而[9]表示能够提供对单个通过单个电传感器实时控制电器连接到主电气单元。监测能量建筑消费也是[10]的目标，其中作者分析了一个校园，在同一栋楼的不同楼层年各建筑能耗。以前的论文主要集中在能源监测方面，同时我们的工作也解决了能源问题通过在线电源管理节约电器。
基于传感器的自动电源管理系统类似于我们在[11]中的提议。然而，在这里重点主要放在建筑和设计问题上，而不是而不是实验分析。相反，我们实现了我们提出的系统并将其部署到家庭场景，以便执行准确的实验研究。用于优化采暖、通风、制冷能耗（暖通空调）住宅系统见[12]。这个建议的解决方案依赖于占用传感器和交换机当乘客睡觉或离开时，关闭暖通空调系统从家里。与[12]中的提议不同，绿色建筑采用一般方法，即不针对特定电器类。[13] 还提议分布式建筑能源无线控制系统效率。然而，这里强调的是效率设备之间共享信息的方法。
- 系统架构与设计
整个系统架构由两部分子系统组成，即监视和控制子系统。前者以前缀时间间隔获取分析对象的能耗指标电器与环境信息（如温度、光强度、是否存在人）。后者利用监控系统与节能策略控制每个设备的行为。在接下来，我们将详细分析这两个子系统。
监控子系统
监控子系统采用了分别用于测量每个单个电气设备的功耗在建筑物中的应用，以及监测参数，如如温度、光照强度和人类的存在。数据这两种类型的传感器都是无线收集的与位于同一楼层的基站通信（每层楼至少有一个基站）然后，传送到中央服务器。沟通基站和服务器通常通过有线局域网。服务器处理数据并为用户提供关于能源消耗和/或定期报告成本。它还发送警报消息以通知特定事件（例如，当设备本应处于非活动状态时，该设备处于活动状态）建议可能的节能措施。
控制子系统
控制子系统管理每个单台电器，按节能用户指定的规则，以尽量减少用电建筑垃圾。子系统采用一个执行机构对于每个单独控制的电器和一套协调执行器的控制器。控制器是通过有线局域网连接到中央服务器技术（即以太网）。服务器生成命令，例如“打开”和“关闭”建筑物中的设备：命令被发送到相应的执行机构通过相应的控制器。
实际上，传感和驱动功能可以集成在同一设备中，即电传感器也可以作为相关设备的执行器。打开另一方面，多个集成无线传感器/执行器目前市场上已经有了平台，例如：Plog[14]和WiSensis[15]。每个用电设备的传感器都很昂贵，而且通常不是必要：单个传感器足以监测一组设备并决定单一设备。显然，为了控制每个设备自主地，我们需要为每个设备配备一个执行器。如果我们采用集成无线传感器/执行器平台，我们有义务为每台设备采用传感器。另外，我们可以使用两种不同的基础设施，一种用于监控，另一个用于控制。例如，X10产品可用于控制。它的主要优点是方法是X10技术可靠且便宜。X10控制器向X10执行器发送命令用电源线控制电器通信（PLC）。
节能策略
系统架构的设计目的是允许灵活高效地管理每个提供实施的可能性。针对每种情况制定适当的节能策略器具（或器具的种类）。接下来我们提供此类策略的（非详尽）列表。
用户意识
如果用户知道他们可以使用更高效、更方便的电能。为此，绿色建筑为用户提供单个设备即时的详细和实时信息能量消耗和状态（即开/备/关），甚至是远程设备。此外，它还可以发送关于电气使用的定期报告（如电子邮件）能量。最后，绿色建筑可以通过在某些情况下向便携式设备发送消息发生特定事件（例如，当设备应处于不活动状态却活动了）
减少备用消耗
对于每个特定的设备，绿色建筑允许用户指定适当的管理策略以减少消除备用废物。事实上，绿色建筑可以识别设备何时处于待机模式并由用户采取执行。例如，系统当它进入待机模式时可以在经过预定义的时间间隔之后关闭某个设备。
灵活任务的调度
白天电能成本各不相同，因此，一些不需要要求用户参与可以通常安排在晚上执行，当能源成本较低时。绿色建筑允许用户指定确切的时间或时间间隔（例如，插槽当一个特定的任务由一个特定的设备来执行（例如，清洗机器）。战略之间的协同作用柔性任务的合理调度与减少待机消耗实际上可以使能量最小化电器消费。例如洗衣机只能由系统打开在预先设定的时间。一旦任务完成完成设备进入待机模式。这是系统检测到洗衣机关闭。
电器的自适应控制
重要的一部分能源是由于电器不必要的活动而浪费的，如灯打开当外部光线强度高时，环境温度过低空调的系统打开。为了消除这种浪费，绿色建筑依靠环境监测传感器的研究条件（例如，温度、光强、湿度，有人在场等）。环境采集的数据传感器通过底座传送到位于每层的车站的中央服务器，系统用于根据规则调整每个设备的行为由用户指定（例如，所需的光强度）。
上面描述的系统架构有趣的特性。首先，它是模块化的可扩展，因此也适用于大型建筑。其次，由于使用无线传感器（和可编程逻辑控制器设备，如果有的话依赖于现有的电网）。最后系统消耗的额外能量可忽略不计关于建筑的总能耗。在大型建筑中央服务器可以通过笔记本或台式计算机，其功耗为分别约30W和100W。在小房子里服务器可以通过低功耗设备实现，例如连接到Internet的家庭路由器，其功耗通常小于10W（此外，家庭路由器通常大部分时间处于活动状态互联网连接）。电力消耗传感器/执行器取决于特定平台。对于
WiSensis平台用于我们的试验台，电源基站的功耗约为2.5W每层只有一个基站，传感器/执行器0.2-0.4W。取而代之的是环境传感器按兆瓦级排列。最后，如果使用专用控制基础设施还应考虑X10控制器的功耗（平均2.5W；每栋楼一个X10控制器足够）和执行器（约0.2W）
- 原型实现
我们实现了前面描述的建筑。我们使用了两种不同的基础设施监测和控制。监控子系统采用WiSensys[15]传感器和基站。Wisensys传感器插入标准电源插座并提供标准轮到他们了。他们发送到基站测量设备吸收的功率，使用专有的无线通信协议。自从在我们的测试台上只有一个基站，它是连接的通过RS232直接连接到中央服务器。真的系统可以通过以太网连接。
环境传感器网络包括光强度传感器。我们自己制造光传感器使用Arduino平台，这是一个非常流行的基于灵活、易用的开源原型平台硬件和软件[16]。最后，控制基础设施由多个X10接收器和Marmitek制造的一个X10控制器[17]。图1显示了系统的软件架构。电力和环境传感器采集的数据是存储在服务器上的MySQL数据库中。能量用Java实现的manager应用程序负责（i）处理数据论用电计量器具的电耗传感器，（ii）向用户提供适当的报告，（iii）环境传感器产生的数据处理（四）接受配置参数和能量管理来自用户的规则，（v）向设备plusmn;通过控制网络plusmn;取决于当前环境条件和根据用户规则。用户可以登录系统，甚至远程登录，并且访问不同类型的实时和历史图形信息，通过一组标签。图2-a显示了选项卡提供有关实时功耗的信息。用户可以立即识别每个单个设备的总功耗。这个同一个选项卡还包含一些（文本）信息用户意识到可能的能源浪费（例如待机模式）。图2-b显示了另一个显示单体能耗历史信息电器，即过去15天消耗的能量（上边图）和一天中的小时数（下边图）。前一个情节也突出了整体待机消耗。后一个图允许用户更好地了解能源消耗是如何分布的白天。如果能源成本高，按小时计费这一点尤为重要。
节能建筑还提供了一组标签来介绍结构参数与节能定义关于单个设备或设备类别的规则。图3演示如何为特定设备定义规则。上在标签的左侧，有一个列表，其中列出了所有受控制的器具。一旦选择了特定的设备，用户可以为（i）消除待机消耗，（ii）在预先编程的时间安排灵活的任务，或（iii）执行特定于设备的任务动作（例如，对于灯，基于环境光强度）1. 关于备用浪费，以下目前在绿色建筑策略。
SA：进入待机模式后断开；
SB：在规定的时间间隔后断开；
SC：如果
当前时间大于指定的时间阈值。显然，战略SA是最有效的节约能源。但是，对于某些类型的可能会让用户恼火。策略某人能在能源效率和用户之间提供更好的权衡满意。最后，战略供应链可能适合于本应在特定时间关闭的设备，例如晚上的电视机。
图2。绿色建筑标签展示：实时电源故障一段时间内不同设备的能耗（a）间隔和在特定的一天（b）。
除了上面描述的图形界面之外，绿色建筑还为便携式设备（如手机）。简化的界面仍然允许用户查看实时和/或历史有关用电量、变化的信息配置参数，并为每个单个设备（或设备类别）。尤其是用户可以检查每个设备的状态并将其打开然后离开，甚至是遥远的地方。因此，支持绿色建筑的移动设备可以作为一种远程设备控制。此外，简化的界面允许用户在他/她的便携式设备上接收警报信息事件发生（例如，本应关闭时仍处于主/备用模式）。
五、 实验测量
为了测试和评估绿色建筑，我们部署了电力和环境传感器数量和X10真实环境中的执行器（即家庭场景）测量了一套电器的耗电量一个相对较长的时间间隔（15天）。目标这项实验研究是为了研究可能的能量浪费和用户使用电器的不良习惯。我们还应用了一些节能策略一些器具和测量相应的能量储蓄。
A、 试验台说明
我们在一个家庭场景，一个由两个人居住的学生小公寓。具体来说，我们需要的电器。
一个房间灯，由三个灯泡（每个40W） 一台笔记本电脑组成一台由个人电脑、路由器、电话组成的工作站，一台打印机和5.1音响系统。媒体站plusmn;吞吐量，称为媒体号站plusmn;包括CRT电视、解码器、VRC、a无线电中继器和游戏机。第二媒体站plusmn;吞吐量，由CRT电视和收音机组成的媒体站2中继器装置。冰箱
对于媒体站1、媒体站2和工作站，我们使用一个单一的电传感器来监测骨料当我们使用一个X10接收器时每个设备组成的车站。就环境而言监测，我们考虑了光传感器并监测室内光线强度。
B、 日常消费监测
我们测量了上面的耗电量提过15天的电器。图4显示了每日每个考虑的设备的能耗整个研究期间。这些情节也显示了待命废物的数量，随着时间的推移大约是恒定的代表了总能量的一个重要部分消费。图5显示了在特定的一天内使用每个设备。即使能量每台电器的消耗量每天都不一样不同时期的总趋势是相似的。我们假设用户使用基于两个时隙的小时费率，即能源成本较高时的红色时段（上午7:30-下午6:30）价格昂贵，能源供应时提供绿色时段（下午6:30-上午7:30）更便宜。两个插槽在阴谋。图5中的数据表明以方便的方式分发，因为能量在小时内消耗，对应于红色插槽。绿色时段的能耗为主要由于备用（
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