家庭智慧能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試

周 飛

（廣東東軟學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 佛山 528225）

0 引 言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們生活水平日益提高，智慧家居逐漸進(jìn)入人們的日常生活，用戶對(duì)電能的需求也在持續(xù)增加，這給電力行業(yè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。從能源角度來說，除了現(xiàn)今大力發(fā)展可再生能源、提高供電側(cè)的發(fā)電效率之外，對(duì)于提高需求側(cè)用電管理效率，并有針對(duì)性地制定用戶節(jié)能方案，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)前亟待解決的問題。然而，這種解決方案只能限制部分用戶的用電行為，并未從用戶側(cè)角度智能化、高效率地提高電能利用率[1-4]。

目前，關(guān)于上述問題的研究較少，并且大部分文獻(xiàn)都是對(duì)用戶用電做出分析處理，還需要用戶自己對(duì)其進(jìn)行管理，未真正做到智能化節(jié)能。為解決以上問題，引入云服務(wù)技術(shù)和智慧家居物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)出一套智慧能源管理系統(tǒng)。本文主要在滿足用戶的用電生活習(xí)慣的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

1 系統(tǒng)框架及通信接口設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文采用Client/Server 架構(gòu)，基于Android 所編寫的APP 來開發(fā)家庭智慧能源管理系統(tǒng)的用戶端[5]，以極簡(jiǎn)的全光組網(wǎng)（FTTR）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的以太網(wǎng)建立網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。而電網(wǎng)端則是優(yōu)化用電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖1 為系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)框架主要分為3 部分，分別是用戶端、全光組網(wǎng)和電網(wǎng)端。根據(jù)電網(wǎng)端傳感器上傳的數(shù)據(jù)，對(duì)用戶一段時(shí)間的用電習(xí)慣進(jìn)行自主學(xué)習(xí)以后，將數(shù)據(jù)信息提供給云端服務(wù)器，儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫，再通過WiFi6 提供給用戶端的移動(dòng)APP 反饋給用戶。其中，用戶端以APP 作為該系統(tǒng)對(duì)用電分析和管控需求的第一方交互工具，而系統(tǒng)本身進(jìn)行自主學(xué)習(xí)所形成的用戶端用電習(xí)慣僅作為第二方交互工具。在APP 的控制之下，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，這樣的設(shè)定優(yōu)勢(shì)在于用戶端擁有第一管理權(quán)，便于用戶對(duì)用電情況的分配和管理。全光組網(wǎng)（FTTR）則是通過光纖以及配套的組網(wǎng)設(shè)備為每個(gè)房間提供有線、無線業(yè)務(wù)接口，配合WiFi6 技術(shù)實(shí)現(xiàn)全屋的“千兆”網(wǎng)絡(luò)覆蓋[6]。

1.2 通信接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)為用戶提供WiFi6 無線接入和GE 的有線接口的接口協(xié)議，滿足各類終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入需求。文獻(xiàn)[7]提出了物聯(lián)網(wǎng)智能插板設(shè)計(jì)的方法并構(gòu)建了硬件的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。但是大部分文獻(xiàn)都是通過“智能插板”的方式與用電器進(jìn)行連接，這樣的方式不能直接做到對(duì)用電器物聯(lián)網(wǎng)的控制，而是通過第三方進(jìn)行控制。

基于以上情況，本文對(duì)用電器進(jìn)行改進(jìn)，讓通信接口和物聯(lián)網(wǎng)接口都符合統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，使用ESP8266 模塊實(shí)現(xiàn)WiFi6的連接。對(duì)接口進(jìn)行定義，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶用電數(shù)據(jù)的采集、傳輸儲(chǔ)存、云端上傳和數(shù)據(jù)庫連接，并基于用電數(shù)據(jù)對(duì)用戶用電行為進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能用電器的調(diào)配。云端下發(fā)的調(diào)配指令須經(jīng)過家庭主網(wǎng)關(guān)傳遞給用戶和用電器。

此外，為了方便用戶管理和查看，每種聯(lián)網(wǎng)的用電器都會(huì)被編碼一種標(biāo)識(shí)符用來區(qū)分同一房間的相同用電器，存于用戶APP 端，不同編碼代表的是用電器的基本信息。

2 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

2.1 軟件功能設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的家庭智慧能源管理系統(tǒng)包含用戶端的移動(dòng)APP 和電網(wǎng)端的雙向交互平臺(tái)，而移動(dòng)APP 通過家庭網(wǎng)關(guān)與電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行連接，主要給用戶提供一個(gè)管理服務(wù)和云端數(shù)據(jù)的上傳服務(wù)，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于用戶對(duì)用電器的管理更加方便。

2.2 智能傳感器采集模塊設(shè)計(jì)

受限于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的部署空間、計(jì)算能力和待機(jī)時(shí)間等條件限制，目前大部分智能用電設(shè)備的通信模塊都使用ZigBee、 Bluetooth LE、Z-Wave 等低功耗個(gè)域網(wǎng)PAN 無線傳感技術(shù)，針對(duì)不同電器設(shè)備的特點(diǎn)，這些傳感器集成于智能家電或智能電表設(shè)備之中，采集監(jiān)控電器的能耗。這些傳感器通過智能家居網(wǎng)關(guān)將采集的用電數(shù)據(jù)匯聚到云端，為用電規(guī)劃、節(jié)能策略設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。同時(shí)接收能耗管控策略，觸發(fā)用電設(shè)備開啟或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)能耗管控[8]。

2.3 遺傳算法和深度學(xué)習(xí)算法

構(gòu)建基于LSTM 的混合算法模型。長(zhǎng)短時(shí)記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Long Short-Term Memory, LSTM）是一種以循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)衍生的算法模型。首先構(gòu)建收集良好用電行為的家庭用電數(shù)據(jù)庫，此數(shù)據(jù)庫記錄家庭內(nèi)各房間的用電數(shù)據(jù)，如電壓、電流、已用電量、有功功率等。使用數(shù)據(jù)庫訓(xùn)練基于LSTM的混合網(wǎng)絡(luò)模型，優(yōu)化模型參數(shù)；最終將當(dāng)前時(shí)刻的家庭用電數(shù)據(jù)作為輸入變量送入訓(xùn)練完成的網(wǎng)絡(luò)模型中，預(yù)測(cè)未來不同時(shí)刻的家庭總用電量，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)快、準(zhǔn)確率高、穩(wěn)定性強(qiáng)的預(yù)測(cè)模型[9-10]。

眾所周知，家庭的用電器都有不同的功能和獨(dú)特的用電特性，對(duì)于冰箱、空調(diào)、廚電等一些與時(shí)間線性相關(guān)的用電信息，可以根據(jù)這一特性進(jìn)行選擇性、間斷性地信息采集，這樣可以低功耗地采集分析用電器的用電信息。從這些角度對(duì)用戶的每個(gè)房間的總體用電信息進(jìn)行采集分析，最終整合為多變量的時(shí)間序列輸入模型算法，并進(jìn)行全屋的用電分析，提高系統(tǒng)用電預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和高效性。

為了建立端到端的智能家庭用電預(yù)測(cè)模型，在Boruta 特征篩選完特征后還須將樣本數(shù)據(jù)序列化，進(jìn)行多個(gè)特征的重要性計(jì)算，選取其中重要性較高的部分以滿足LSTM 模型的訓(xùn)練要求。預(yù)測(cè)模型建立的主要步驟包括數(shù)據(jù)采集、特征選取、特征篩選、樣本數(shù)據(jù)序列化、特征數(shù)據(jù)歸一化、LSTM數(shù)據(jù)輸入、模型參數(shù)調(diào)優(yōu)、用電預(yù)測(cè)建模、訓(xùn)練并保存模型等。具體流程如圖2 所示。

圖2 面向家庭的智能用電預(yù)測(cè)流程

3 用戶測(cè)試分析

為進(jìn)一步對(duì)本文所提出的家庭智慧能源管理系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，通過對(duì)家庭用電的實(shí)際案例進(jìn)行對(duì)比分析，不難發(fā)現(xiàn)家庭智慧能源管理系統(tǒng)不僅可以有效地實(shí)現(xiàn)節(jié)能，降低家庭的用電成本，還能提高用戶的體驗(yàn)感。

用戶可以通過APP 根據(jù)傳感器采集上傳的數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能狀況進(jìn)行對(duì)比與分析，隨時(shí)改進(jìn)用電模型。由于系統(tǒng)采用了極簡(jiǎn)的全光組網(wǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的以太網(wǎng)線，4 層網(wǎng)絡(luò)變2 層網(wǎng)絡(luò)，光進(jìn)銅退，無源設(shè)備替代有源設(shè)備，可以大幅簡(jiǎn)化電路，減少30%以上的電能消耗。因此，家庭智慧能源管理系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)得非常明顯，可以在今后進(jìn)行推廣使用。

4 結(jié) 語

本文主要研究了家庭智慧能源管理系統(tǒng)，并提出了一種全新的系統(tǒng)架構(gòu)和深度學(xué)習(xí)算法。通過用戶測(cè)試分析，該系統(tǒng)可以更加智能化、自動(dòng)化地控制用電器，能夠提高電能利用率，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化家庭用電的目標(biāo)。而對(duì)于用戶來說，優(yōu)化用電能力也能促進(jìn)能源的可持續(xù)發(fā)展，符合我國所提倡的節(jié)能減排的政策要求。