如今，物联网（IoT）已应用在了不同领域，例如运输、医疗保健、农业和电力系统。这些物联网解决方案旨在监视和控制不同场景中的各种元素和设备，从而简化任务并为日常生活提供高效率的应用程序。在电力系统中，能源在为我们的家庭和电器供电方面发挥着核心作用。然而，用于估计房屋消耗的计量过程广泛依赖于机电电能表，这意味着公共事业机构必须雇用人员每月执行计量任务，以便向客户收费。至于房屋内的电器消耗，居民可能不知道每个电器的单独用电量，因此会造成低效的能源使用。所以智利设定了到2025年安装约650万个智能电表的目标。该目标主要侧重于通过网络界面和应用程序提供更详细的能源账单和能源消耗接口，以及实施新的关税制度，从而实现使用智能电表来降低能源的需求。
物联网将在实现能源互联网、智能电网和智能家居等多种能效机制方面发挥关键作用。通过使用数字传感器和通信设备实现家庭能源管理系统（HEMS），该系统可实现持续消耗监测和设备控制，以及支持公共事业和电网之间的通信。使用物联网设备收集数据，然后将其传输到基于云的系统基础设施中完成存储和处理。数据驱动的应用程序、数据库和文件存储系统是可以在基于云的基础设施中设计和部署的关键功能，以支持基于物联网云需求的多种能源互联网应用。
设计和实施适当的架构是在全球范围内启用基于物联网收集数据应用程序的主要挑战。相关研究者提出了以HEMS-IoT架构来应对挑战。用于定义体系结构的通用标准可确定数据处理和存储的位置。在现存的相关研究文献中可以找到三个能够进行数据处理和存储的层：边缘、雾和云。
在本项研究中，概述了围绕HEMS开展的相关工作，重点介绍了关键要素，例如由物联网设备支持的HEMS架构的设计，以及使用云计算进行数据存储和处理的过程。研究者提出了基于云-物联网应用的家庭能源管理系统，可帮助居民、住户、相关研究人员和管理员管理房屋内的能源消耗。提出的HEMS实现了一个四层架构，能够收集和存储能耗数据。消费数据来自两种设备：智能电表和智能插头。智能电表能够收集整个房子的能源消耗，而智能插头能够收集能源消耗并控制单个电器的电力供应。采用两种不同的方法完成实现了两种采集。在一种方法中，使用中央处理单元将本地HEMS与互联网隔离开来；在另一种方法中，基于云实现数据的存储和处理。这两个系统都提供了基线功能，例如从设备收集测量数据，将其存储在数据库中，或执行负载控制操作，例如手动或通过调度打开、关闭设备。结果表明，这两个系统都具有收集和存储能耗的能力，并通过使用智能插头来控制电器。本项研究的主要优势、亮点可以概括如下：
设计和实施四层HEMS架构，实现来自电器和家庭主要负载能源消耗数据的收集和存储。
设计和实施了两种方案：依赖于使用边缘设备的处理和存储力的、与互联网隔离的本地HEMS，以及使用AWS IoT的云HEMS。
本项研究工作首次以智利瓦尔帕莱索市（Valparaiso）真实家庭的10秒采样率的电能数据进行采集。
HEMS详细的技术实施将使研究人员和工程师能够开发和实施HEMS解决方案，以支持不同智能家居的应用。
云物联网家庭能源管理系统
图1显示了研究中提出的云物联网HEMS架构，由四层组成：感知层、通信层、中间件层和应用层。
图1 云物联网HEMS架构
1.1 感知层
感知层通过传感器实现数据采集，并通过边缘设备实现数据存储和数据处理任务。这一层涉及若干项物理设备，如传感器、智能电表和智能插头，它们通常被称为“物”。边缘设备支持对位于边缘子层的事物进行执行的任务，例如数据存储、数据处理和执行操作。感知层是所提出的体系结构中的关键元素，是能源数据收集过程的第一步，也是设备控制过程的最后一步。
物层：物层由传感器和执行器组成。传感器用于收集有关智能家居需要重点测量的信息如温度、湿度和光等。关于电器的功耗，涉及两种设备：智能电表和智能插头。智能电表能够收集智能家居主要负载的能耗信息，利用电流互感器（CT）和电压传感器来计算功耗。智能插头（SP）充当房屋电源线和电器插头之间的中间件。SP的目的是从特定设备收集能耗数据，同时还能够使用继电器控制输送到设备的能量。
边缘层：边缘最靠近传感器和执行器，提供了收集数据和对“物”执行命令操作的能力，边缘层会将低延迟但有限的数据存储和处理能力视为可用资源。从HEMS的角度来看，边缘层位于房屋层，它能够将该层用作感知层来收集相关的数据。
1.2 通信层
该层负责感知层与中间件层的连接，可以使用多种通信技术来执行此任务，其中包括Wi-Fi、Zigbee（紫蜂无线通信技术）、LoRa（远距离无线电）、光纤以及4G和5G等移动网络。技术的选择具有各种属性，例如有效范围（短程和长程）、成本、覆盖范围和给定通信系统的可用性。网络层的一个重要作用是为感知层设备提供家庭区域网络（HAN）。HAN适用于设备之间的通信，也称为机器对机器（M2M）通信，适用于将数据从物路由到边缘，或从边缘路由到中间件层。
1.3 中间件层
中间件层与基于云的服务相关，这些服务依赖于接收到的数据来执行某些任务。HEMS最常见的功能是将测量值存储在数据库中，通过微服务执行数据处理任务，并提供用于管理数据请求的应用程序编程接口（API）。这些服务可以通过使用公共云来实现，例如Amazon Webservices（AWS）、Google cloud Platform（GCP）和Microsoft Azure（Azure）。中间件层功能类似于边缘层，提供可扩展的基础设施，以服务更高的流量和更高要求的处理和存储任务。计算机存储技术栈可提供满足开发人员的现实需求的执行，完成上述任务。为提供一个完整的系统，需要面临相应的挑战和决策，包括围绕数据库选择、设计和部署所需的云架构、编程语言和（或）框架的选择。此体系结构中的中间件充当“物”提供的数据透视图与应用层中确定的预期智能家居功能或应用程序之间的桥梁。
1.4 应用层
HEMS旨在为多个领域提供数据，例如能源互联网、智能电网和智能家居。例如，HEMS的一些数据驱动应用程序为达成需求响应、P2P能源交易和监控能源消耗以提高用户意识。这些应用程序作为研究建议的体系结构中的最后一层，其最接近终端用户。
家庭能源管理系统设计
提出了两个案例研究进行比较HEMS的不同方法：本地HEMS和基于云的HEMS。一方面，本地HEMS系统使用中央计算单元来完成数据存储和处理任务。另一方面，基于云的系统通过网关收集数据，并能够启用多个解决方案和应用程序。
这两个系统旨在满足以下任务，使HEMS能够执行智能家居的部分功能：
能耗监控：HEMS应存储有关智能插头监控的电器功耗和智能家居主要负载的数据。
电器控制：HEMS应实现居民与连接到智能插头的电器进行交互，以提供或阻断能源。
在这项工作中，智能家居包括了两个系统上都需要的一些功能。研究者认识到这两项是执行实施的共同基础：
物：两个案例研究都使用相同的终端设备——智能插头和智能电表。智能电表的任务是收集房屋的总功耗读数。另一方面，智能插头能够收集功耗并控制单个设备的供电。
网络和通信：从通信的角度来看，研究者认为智能家居具有Wi-Fi功能，使设备能够在家庭局域网（HAN）内进行交互。智能插头和智能电表等设备可以通过Wi-Fi技术加入HAN，同时为每个加入网络的设备分配一个IP（Internet Protocol）地址。以上设备技术有能力定期将能源消耗遥测的测量数据发送到目的地，也可以按照每个设备支持的消息传递协议执行直接能耗请求。设备使用MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）发送收集到的数据，MQTT是一种流行的Pub/Sub（发布/订阅）消息传递协议，其中每个设备依据唯一的准则发送数据。
图2显示了HEMS设计的示意图。在左侧，该系统由家用电器、智能电表、智能插头和用作本地HEMS的计算单元组成。此方法考虑的解决方案仅依赖于在本地方案中监视和管理家用电器消耗。这种解决方案从隐私角度来看是有益的，因为它与互联网隔离。这种方法的主要缺点是HEMS的计算和存储容量有限，这与预配置的本地硬件直接相关。从边缘的角度来看，智能插头和智能电表等设备旨在分别根据某些电器的能耗和主要家庭的总能耗来收集能源测量值。
图2 HEMS示意图（左：本地HEMS设计；右：云HEMS设计）
图2的右侧展示、说明了云-物联网HEMS的设计，其中显示了能量和数据交互内容。智能电表和智能插头进行收集与能源相关的数据。主要目标是将能耗数据发送到云端。为此，物将信息发送到网关，网关负责将数据桥接到云中。
这些数据由数据库和云微服务进行存储和处理。可以设计和实现多个数据驱动的HEMS应用程序。使用公共云服务的一个好处是具备无限的扩展机会，实现应用程序根据需要进行扩展。云提供并管理使任何架构得以正常运行所需的硬件和相关配置。在将基于云的实施与可扩展系统的内部部署实现进行比较时降低成本。
实施
测试台位于智利瓦尔帕莱索市的一所真实房屋中。无线局域网（WLAN）由路由器设置，为家中所有设备提供Wi-Fi连接。获取的能源消耗数据时间为2021年7月至2022年9月。使用了四种电器：水壶、洗衣机、冰箱和微波炉。
选择的智能插头是Sonoff POW R2，经过修改，可以装入一个小电器箱，如图3 a) 所示。该配置提供一个用于连接设备的插座和一个用于将设备连接到家庭电源插座的插头。每个设备都连接到一个智能插头上，如图3 b) 所示。这些设备使用开源固件Tasmota进行配置。通过Web界面与HAN建立Wi-Fi连接。
图3 Sonoff POW R2——智能插头，其概述、使用情况和配置
在智能插头上，通过指定所需的连接参数，使用Web用户界面（UI）设置MQTT，如图3 c) 所示。每个智能插头使用唯一的MQTT准则来发布和/或订阅消息。Sonoff设备的配置为使用Tasmota的遥测功能进行每10秒发送一次测量。消息数据采用JavaScript Object Notation（JSON）结构进行传输。智能插头的主题结构是“tele/device-id/sensor”，它表示由特定设备发送的遥测信号，通知其传感器数据收集。
对于智能电表，选择了eGauge EG4115单元，如图4 a) 所示。该器件使用电流互感器（CT）传感器（如图4 b) 所示）和电压传感器以每秒一次测量的频率计算房屋的能耗。该设备通过以太网连接到路由器，加入局域网（LAN）并获取IP地址。该设备的固件中带有XML API，使网络中的任何设备都可以请求对该设备进行测量。
