Methods to Regulate Energy Consumption in Smart Homes
S. I. Ali, M. Naeem, A. Mahmood, S. Razzaq, Z. Najam, S. Ahmed, S. H. Ahmed
Kyungpook National University, Korea
August 25 2013
Значительное количество исследований было проведено для того, чтобы сделать бытовую технику более эффективной с точки зрения использования энергии. Различные методы были разработаны и реализованы для того, чтобы управлять спросом и энергоснабжением. В данной статье рассматриваются различные научно-исследовательские работы по широкому спектру методов управления энергией для «умных домов», направленные на снижение потребления энергии и минимизации потерь энергии. Идея умного дома разрабатывается с последующим обзором существующих методов управления энергопотреблением, которые, как правило, работают на основе нечеткой логики, эвристических методов, нейронных сетей и эволюционных алгоритмов.
Ключевые слова: cмарт-грид, Умный дом, управление энергией
Введение
Дома, составляющие в таких приборах или устройствах, которые потребляют энергию в эффективной манере и работают с цифровой аппаратурой известны, как «умный дом» [1]. Это обычно функционирует в домашней сети связи. Сеть дома делает общение между устройствами в эффективным образом, используя соответствующие коммуникационные технологии. Это позволяет устройствам быть подключены к интернету серверу и, как правило, поддерживает беспроводную связь. В сети или поставщики услуг ответственны за предоставление новых услуг клиентам и делает их легко доступными для людей. В некоторых случаях «умные» устройства должны быть достаточно умны, чтобы наблюдать жителей, проживающих в этих домах. Новейшие технологии используются для создания таких устройств, которые работают и автоматически взаимодействия. Единственная цель этих интеллектуальных устройств — обеспечить для своих жителей безопасную, активную жизнь и качественно влиять на условия, обеспечивающие позитивное влияние на их жизнь. На такие вопросы, как экологические нарушения, неуверенность, трудности общения, проблемы здоровья и различия разночтения сводятся к минимуму за счет использования смарт-устройств. Умный дом — это устройства контроля внутренней деятельности дома и здесь используется технология, которая позволяет устройствам, например, осуществлять включения и автоматические выключения.
Первое использование технологии «умный дом» был для того, чтобы контролировать вопросы охраны окружающей среды, как освещение и проблемы с отоплением. В дальнейшем эта технология была разработана и интегрирована в дальнейшем эксплуатировать смарт-устройств на автоматизированной основе. Почти все приборы внутри умного дома подключены к интернету, из которых легко просмотреть их состояние, а также вызывает какого-либо действия путем направления команды пользователя. Эволюция и доступ высокоскоростного интернета позволило человечеству, чтобы принести комфорт и безопасность в своей жизни. Как следствие, многие корпорации разработали и внедрили концепцию «умного дома» в реальном мире, направленные на стресс свободной жизни. Эти устройства соблюдайте деятельности жильцов и действовать соответствующим образом, чтобы увеличить их уровень комфорта и удовлетворенности. Роль этих устройств включает рационального использования энергии и сокращения потерь энергии как можно больше.
Поставщики услуг предоставляют средства, которые позволяют устройствам обмениваться данными без проводов и автоматически контролируемым образом. Проблемы, связанные с умный дом технологии является трудность в изменении старых устройств в соответствии с новыми спецификациями. Концепция управления домом энергии описанной на фиг. 1. Он показывает смарт-устройства, применяемые для управления энергии в «умных домах».
Рисунок 1: Умные приборы для управления энергией
Часть этой работы была принята в качестве документа конференции «The International Industrial and Information Systems Conference» [25].
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ В «УМНЫХ» ДОМАХ
Использование нечеткой нейронной сети используется для управления устройствами в доме. Контроллер на основе нейронной нечеткой логики был разработан в интерфейс MATLAB и превращается в инструмент, с помощью аппаратных средств и использование интернет-технологий [2]. Этот метод используется в автоматизации бытовой техники с точки зрения сроков и использования энергии. Она в основном работает с, как поведение человека, наблюдая и чувствуя деятельности жильцов в доме и облегчения их услуги, которые им требуются. Бытовая техника способны контролировать рутинную жильцов в разное время на протяжении дня. По координации всей этой деятельности они функционируют таким образом, что обеспечивает чувство безопасности для жителей.
Метод для экономии энергии основаны на информации, бытовая техника была использована в [3]. Для того, чтобы управлять и контролировать устройства, которые работают по принципу оперативной информацией пользователей, в сети, включая IP, XML и Java присутствует в большинстве компаний, занимающихся бытовой техникой. IP используется как код общения, XML как форма, в которой данные передаются и Java-это язык, используемый для построения программного обеспечения, используемого в этих устройствах. Эксперимент проводился с помощью моделирования в среде, состоящей из ста домов с участием 16 различной бытовой техники. Результаты моделирования показали, что техника помогла в снижении потребления энергии на 15,6% в отличие от тех устройств, которые работают вручную. Этот вывод, что энергия может быть значительно снижен с помощью приборов, которые автоматически управляются и что концепция «умного дома» может успешно помочь в снижении потерь энергии [3]. Кроме того, сохраненное электричество может быть использован другими способами.
Другая система управления энергией с помощью простого настольного ПК и некоторых датчиков в здании было представлено в [4], направленных на сбережение энергии; датчики используются для того, чтобы увидеть, как много людей, вход и выход из здания, а роль ПК в свою очередь, устройства когда человек входит в здание и выключить его, когда хозяин вышел из дома с помощью номера счетчиков, зафиксированные датчиками, развернуты в различных местах внутри здания. Пришлось включаться и все другие праздные приборы должны быть только приборы, которые необходимы в определенное время. Таким образом, снижение потерь энергии способствует больше энергии, чтобы быть использованы в других отраслях там, где это требуется. Простая установка, состоящая из ПК и некоторых программ и простой оборудования, снижение потерь энергии.
Системы энергетического менеджмента была разработана в [5], который работает, наблюдая за деятельностью лиц, использующих тепловые и наглядное пособие. В этой системе датчики используются для мониторинга деятельности путем зондирования уровня тепла людей. С помощью этой системы, потери энергии, как сообщается, будет значительно снижена. В течение дня, есть достаточно дневного света, а значит, нет необходимости, чтобы включить свет. Естественный свет может использоваться в качестве альтернативы в течение дня. Кроме того, тепло из природных источников, таких как солнце также может быть использован как в случае с солнечными батареями. Энергия, запасенная могут быть использованы в течение ночи, обеспечивая экономичный подход к экономии энергии и минимизации потерь энергии. Методики при применении в больших масштабах для корпораций, где потребности в электроэнергии огромна, использование такой эффективной системе может привести к уменьшению счетов за электричество.
В [6], систему «умный дом», направленная на минимизацию потерь энергии в быту был представлен в контексте регулирования спроса (РС). Идея здесь состоит в том, чтобы предвидеть нагрузки или потребность потребность в энергии внутри дома. Система прогнозирует спрос из прошлых событий и выделяет энергию, необходимую для использования бытовой техники. Прогнозирование используется, чтобы увеличить приспосабливаемость к пользователю и минимизировать затраты энергии. Приборы для таким эффективным образом может способствовать обеспечению цели сохранения энергии. Расход значительно уменьшается благодаря автоматизации бытовой техники и система удовлетворяет спрос на энергию приборов. Это в свою очередь помогает провайдерам, чтобы удовлетворить клиентов и минимизировать потребление энергии в часы пик одновременно.
Аналогичная система была представлена в [7], в котором система управления автоматически операционной в жилом районе был представлен. Идея здесь состоит в том, чтобы изменять потребление мощности и ограничения использования энергии до минимального уровня на основе прошлых событий и записей. Системы управления, описанные в данной работе направлена на удовлетворение потребностей жителей в жилом районе. Люди, кого непосредственно затрагивает изменение в какой-либо системе конечных пользователей или клиентов. Следовательно, они должны быть частью любой системы управления, как это необходимо для них, чтобы быть в курсе всякий раз, когда происходит изменение. Применение нечетких систем управления в регулировании предложения и спроса на энергоносители целью снижения потерь энергии и минимизации затрат. Системы в [9] пытается минимизировать затраты, а также способствует эффективной экономии энергии с использованием нечетких механизма управления. Устройство работает таким образом, что является удобным для пользователя и комфорт потребителям, обеспечивая максимальную удовлетворенность. Потери энергии сведены к минимуму за счет эффективного использования и эксплуатации интеллектуальных устройств в домах. Пользователи больше не обязаны превратить эти техники или вручную.
Бытовые приборы в умном доме должны быть полностью автоматизированы и работают над технологией, которая достаточно умен, чтобы чувство и следить за потребностями жителей и работать соответственно. Например, эффективные технологии системный анализ используется для решения вопросов относительно требований отопление индивида [10]. Приборы, используемые для теплового комфорта, такие как печи, водонагреватели и т. д. осуществляется с помощью методов сохранения энергии. Автоматизации таких устройств позволяет им наблюдать жители и затем действовать соответственно. Эти устройства имеют датчики, которые контролируют различные виды деятельности оккупантов, а затем включить и выключить соответственно техника. В результате выделения большего количества энергии для других приборов и меньшей потери энергии не происходит. Технология не только управляет проблему энергетического кризиса, но и удобства конечного пользователя, такие, что индивид чувствует чувство безопасности.
Систематический способ предоставления услуг, в которых планируется поставщиками услуг, чтобы облегчить непрерывное предоставление этих услуг, как описано в [12]. Система оптимизирует эффективный способ как для оказания этих услуг при использовании максимального количества ресурсов и в значительной низкой стоимости. Система является идеальным примером автоматически управляемый прибор. Система обеспечивает только необходимую энергию, чтобы быть использованы приборы, когда выгоды, получаемые от этих услуг находятся на максимуме. Всякий раз, когда система определяет, что услуги оказывают низкий-выгоды, он не регламентирует действия так, что энергия может быть доставлен в более плодотворной форме.
В [14], автоматической системы принятия решений был разработан, чтобы быть использованы для управления электроприборами умный дом. Цель управления энергетики и энергоснабжения в ООН-перебивая образом. Эта система на самом деле работает по принципу предоставления клиентам решение власти назначать фиксированные единицы энергии, требуемой для устройств на работу. Таким образом, потребителями являются те, кто выбирает, сколько количество энергии, необходимой техникой. Технология регулирует оптимальное количество сопоставляя статистические данные, предоставленные пользователем, и тех, которые присутствуют независимо друг от друга.
Автоматизированная система, разработанная для планирования поставок электроэнергии на приборы умный дом представлен в [15]. Он специализируется на резка тариф на электроэнергию, обеспечивая энергию, когда требуется. В часы пик, приборы снабжены необходимой энергии в определенные промежутки времени, что снижает тарифы на осуществление определенного расписания, которая оптимизирует подачу энергии. Во время внепиковых часов, энергия также подается по определенному графику, чтобы свести к минимуму потери энергии, а также снизить тарифы. Эта система расписание помогает не только домашних пользователей, но и пользователей крупных компаний.
Система разработана для контроля и управления тепловыми приборами минимизации тарифов был описан в [16]. Тепловые устройства обычно потребляют большое количество энергии, которая приводит к высоким тарифам.
Система предсказывает наличие нужного количества энергии, необходимого для работы этих приборов и расписания образец, который обеспечивает бесперебойную энергию для этих приборов при одновременном снижении тарифов на электроэнергию в то же время. Уровень комфорта жителей максимизируется за счет оптимизации количества энергии, необходимого для работы тепловых устройств.
В [17], система обработки данных применяется для планирования электроэнергии и, следовательно, стоимость потребленной энергии. Он работает путем установления цен на основе мощности в комплекте с бытовой техникой. Система использует предыдущие данные о потреблении энергии различными устройствами. Затем система устанавливает цены в зависимости от потребления в пиковые периоды и в нормальное время. Равновесие достигается путем обмена информацией между поставщиками услуг и техники. Итоги схема планирования показывает, что система позволяет снизить бремя тарифов существенно для клиентов, управление спросом и предложением энергии во время пика и нормальные тайминги.
Информационной сети с помощью Bluetooth представлен в [11]. Преимущества использования технологии Bluetooth включают в себя широкий диапазон, меньше потребление энергии и меньше эксплуатационные расходы. Bluetooth и форм инфраструктуры для широкого спектра устройств, которые будут подключены и общались друг с другом. Использование Интернет и беспроводная технология обеспечивает устройствам управляться автоматически. Приборы встраиваются с многочисленными подразделениями, которые являются понятными для записывающих устройств, способных отображать информацию относительно спроса на энергию для потребителей, так и поставщиков услуг. Кроме того, применение беспроводных технологий обеспечивает безопасный, надежный и быстрый способ, чтобы понять и предвидеть любые проблемы, связанные энергии во времени и, следовательно, меньше потерь времени, ресурсов и энергии будет происходить. Такие беспроводные системы достаточно легок и прост в сборке и установке. Пользователям не придется больше ждать для некоторых топологий, чтобы начать. Как только система установлена и интегрирована в цепь главной силы, владелец должен иметь возможность контролировать и наблюдать за всеми приток энергии и отток. Эти системы, как правило, необслуживаемые и даже если требуется техническое обслуживание, его можно легко управлять.
Другой метод привлечения беспроводных коммуникаций представлен в [13], что для управления бытовой техникой с помощью пульта дистанционного управления. Это на самом деле предназначены, чтобы свести к минимуму энергопотребление в режиме ожидания, просто нажатием кнопки. Можно управлять всеми приборами и легко следить за ними. В основном он использует технологии zigbee контроллер. Фиксированная сумма пороговой мощности устанавливается как стандартная для координации всей деятельности на разных устройствах. Другой ИНФРА красный код разрабатывается для каждого разный порог света. Информация данные отображаются на мониторах, как порог единицу энергии. Когда мощность регулируется падает ниже стандартного уровня, сокращение источника питания весь питание от главного поставщика. Система отказывается работать в такой ситуации. Более того, когда власть снова нормализуется, управление направляет в систему для включения и обеспечить необходимое энергоснабжение путем направления ИК-кода, предназначенный для конкретной цели. Увеличение интенсивности или затемнения из свет может быть легко управляется с помощью пульта дистанционного управления. В zigbee и обеспечивает путь для света пороговое значение данные постоянно передаются между отправителем и приемником конце концов предлагаемой системы, в которой все устройства умного дома эксплуатируются. Это простой и эффективный способ минимизировать потери мощности. Это обеспечивает жителям комфорт и удобство доступа к технике.
Мультиплексор является важной частью микроволнового переднего плана, как он используется для разделения каналов, которые используются в различных приложениях, т. е. радар, приемопередатчики и т. д. Мультиплексор дают разные частотные диапазоны для каждого канала, так что он может работать при высокой пропускной способностью [5]. Одним из известных мультиплексора является диплексер, который мультиплексов комбинированного спектра частот в двух поддиапазонах.
Двойной частоты полосы за счет новейших систем связи требует диплексер для использования в конструкции приемопередатчика так, что одна антенна может работать в двух различных частотных диапазонах, чтобы передавать, а также получать. Для выполнения высоких требований новейшей конструкции приемопередатчика диплексер должна быть плоской и компактной [6]. Диплексер-это три порта устройство, которое отделяет две полосы частот из комбинированного частотного спектра и делает их доступными на двух выходных портов при сохранении помехи между сигналами к минимуму и двух портов может подаваться в двух разных приемников для параллельной обработки [8].
Дизайн диплексер состоит из двух фильтров с соответствующими частотами, имеющих отличительные неперекрывающимися полосами пропускания. Если полосами пропускания фильтров близко друг к другу, будет неблагоприятное воздействие друг на друга из-за этого. Этот вредный эффект вызовет возвращенная потеря на снижение и потеря увеличить, где, как уничтожают симметрии и плоскостности пропуск группы [8].
Наиболее широко используется разветвитель для беспроводной связи состоит из двух полосовых фильтров, однако, основным препятствием в оформлении диплексер заключается в том, что его размер не достаточно малы [9]. С другой стороны, современная тенденция в дизайне диплексер-для достижения высокой производительности, сохраняя при этом стоимость и размер до минимума. Полосовые фильтры являются хорошим выбором для достижения этой цели, потому что они могут быть изготовлены на диэлектрической подложке с низкой ценой [10]. Увеличение секций в диплексер помочь в увеличении пропускной способности полосы пропускания вызывает увеличение потерь в качестве компромисса [12].
Заключение
Данная статья является компиляцией множества связанных энергоменеджмента научно-исследовательских работ, которые ориентированы на анализ и внедрение различных технологий для получения эффективных решений в вопросах управления энергией. Устройств, присутствующих в умных домах автоматизированы и работают таким образом, что обеспечивает клиенту/пассажирам более высокий уровень комфорта. Кроме того, интеллектуальная система управления домом энергии позволяет легко решать сложные энергетические проблемы. Методы снижения потерь энергии может быть дополнительно улучшена и упрощена с помощью применения эффективных методов оптимизации. Современный подход в решении вопросов энергетического менеджмента включает в себя умный дом на основе технологии zigbee связи, которая дает преимущества по сравнению с другими беспроводными технологиями.
Использованные источники
[1] V. Ricquebourg, D. Menga, D. Durand, B. Marhic, L. Delahoche, C. Loge. (2006). The smart home concept: our immediate future. IEEE International Conference on E-Learning in Industrial Electronics , pp. 23–28, 13(4).
[2] H.J. Zainzinge. (1998), An artificial intelligence based tool for home automation using MATLAB. IEEE International Conference on Tools with Artificial Intelligence, pp. 256–261.
[3] T. Tajikawa, H. Yoshino, T. Tabaru, S. Shin.(2002). The energy conservation by information appliance. Proceedings of 41st SICE Annual Conference, 5 (2002), pp. 3127–3130
[4] K.S. Rama Rao, Y.T. Meng, S. Taib, M. Syafrudin .(2004). PC based energy management and control system of a building, National Power and Energy Conference, pp. 200–204.
[5] A. Gligor, H. Grif, S. Oltean. (2006). Considerations on an intelligent buildings management system for an optimized energy consumption. IEEE Conference on Automation Quality and Testing, Robotics, 1 (2006), pp. 280–284.
[6] D.L. Ha, S. Ploix, E. Zamai, Jacomino M.(2006). Tabu search for the optimization of household energy consumption 2006,
IEEE International Conference on Information Reuse and Integration (2006), pp. 86–92.
[7] D.L. Ha, F.F. de Lamotte, Q.H. Huynh .(2007). Real-time dynamic multilevel optimization for demand-side load management. IEEE International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management, pp. 945–949.
[8] S. Tiptipakorn, W.J. Lee. (2007). A residential consumer-centered load control strategy in real-time electricity pricing environment. 39th North American Power Symposium, pp. 505–510.
[9] E. Sierra, A. Hossian, P. Britos, D. Rodriguez, R. Garcia-Martinez.(2007). Fuzzy control for improving energy management within indoor building environments. Electronics Robotics and Automotive Mechanics Conference (2007) pp. 412–416.
[10] S. Ari, P. Wilcoxen, H.E. Khalifa, J.F. Dannenhoffer, Isik C.(2008), A practical approach to individual thermal comfort and energy optimization problem, 2008, Annual Meeting of the North American Fuzzy Information Processing Society (NAFIPS), pp.1-6.
[11] L. Zhang, H. Leung, K. Chan .(2008). Information fusion based smart home control system and its application. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 54 (2008), pp. 1157–1165.
[12] Pedrasa MAA, Spooner ED, MacGill IF. (2009). Improved energy services provision through the intelligent control of distributed energy resources. IEEE Bucharest Power Tech Conference; 2009, 1-8.
[13] J. Han, H. Lee, K.R. Park. ( 2009). Remote-controllable and energy-saving room architecture based on ZigBee communication. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 55 (2009), pp. 264–268.
[14] M.A.A. Pedrasa, T.D. Spooner, I.F. MacGill. (2010). Coordinated scheduling of residential distributed energy resources to optimize smart home energy services. IEEE Transactions on Smart Grid. 1(2010) pp. 134–143.
[15] A.H. Mohsenian-Rad, Leon-Garcia A.(2010). Optimal residential load control with price prediction in real-time electricity pricing environments. IEEE Transactions on Smart Grid, 1 (2010), pp. 120–133.
[16] Du, Pengwei, and Ning Lu. (2011). Appliance commitment for household load scheduling. Smart Grid, IEEE Transactions on 2.2 (2011): 411-419.
[17] C. Chen, S. Kishore, L.V. Snyder.(2011). An innovative RTP-based residential power scheduling scheme for smart grids. IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP) (2011) , pp. 5956–5959.
[18] Tung, Hoi Yan, Kim Fung Tsang, and Ka Lun Lam. (2010). ZigBee sensor network for Advanced Metering infrastructure. Consumer Electronics (ICCE), 2010 Digest of Technical Papers International Conference on. IEEE, 2010.
[19] Bilgin, B. E., and V. C. Gungor. (2012). Performance evaluations of ZigBee in different smart grid environments. Computer Networks 56.8 (2012): 2196-2205.
[20] Baig, F., Mahmood, A., Javaid, N., Razzaq, S., Khan, N., & Saleem, Z. (2013). Smart Home Energy Management System for Monitoring and Scheduling of Home Appliances Using Zigbee. J. Basic. Appl. Sci. Res., 3(5)880-891, 2013
[21] Ullah, M. N., A. Mahmood, S. Razzaq, M. Ilahi, R. D. Khan, and N. Javaid. (2013). A Survey of Different Residential Energy Consumption Controlling Techniques for Autonomous DSM in Future Smart Grid Communications. J. Basic. Appl. Sci. Res., 3(3)1207-1214.
[22] Khan, I., A. Mahmood, N. Javaid, S. Razzaq, R. D. Khan, and M. Ilahi. (2013). Home Energy Management Systems in Future Smart Grids. J. Basic. Appl. Sci. Res., 3(3)1224-1231.
[23] M. N. Ullah, N. Javaid, A. Mahmood et al. (2013) Residential Energy Consumption Controlling Techniques to Enable Autonomous Demand Side Management in Future Smart Grid Communications. Eighth International Conference on Broadband and Wireless Computing, Communication and Applications.
[24] I. Khan, N. Javaid, A. Mahmood et al. (2013). A Survey of Home Energy Management Systems in Future Smart Grid Communications. Eighth International Conference on Broadband and Wireless Computing, Communication and Applications 2013 .
[25] A. Mahmood, H. Fakhar, S. H. Ahmed, N. Javaid, (2013), Home Energy Management in Smart Grid. The International Industrial and Information Systems Conference (IIISC), Chiang Mai, Thailand
[26] A. Mahmood, H. Fakhar, S. H. Ahmed, N. Javaid, (2013), Analysis of Wireless Power Transmission, The International Industrial and Information Systems Conference (IIISC), Chiang Mai, Thailand.
[27] Anzar Mahmood, Nadeem Javaid, Adnan Zafar, Raja Ali Riaz, Saeed Ahmed, Sohail Razzaq, Pakistan’s overall energy potential assessment, comparison of LNG, TAPI and IPI gas projects, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 31, March 2014, Pages 182-193, ISSN 1364-0321, DOI: 10.1016/j.rser.2013.11.047.
[28] Развитие информационной культуры и самостоятельной культуры познавательной деятельности в среде Интернет. Томаков М.В., Курочкин В.А., Коренева А.В. В книге: Методы обучения и организация учебного процесса в вузе Сборник тезисов докладов II Всероссийской научно-методической конференции. 2011. С. 429-431.
[29] Образовательные и воспитательные задачи информационно-образовательной среды вуза. Томаков М.В., Томаков В.И., Курочкин В.А., Коренева А.В. В сборнике: Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации материалы VIII Международной научно-технической конференции: в 2 частях. Ответственный редактор: Е.И. Яцун. 2011. С. 278-282.
[30] Интеграция Интернет-ресурсов в процесс формирования информационной компетентности инженера: решения и проблемы. Томаков М.В., Курочкин В.А. Безопасность жизнедеятельности. 2011. № 7 (127). С. 43-47.
[31] Образовательные технологии как объект системного исследования. Томаков М.В., Курочкин В.А., Зубков М.Э. Известия Юго-Западного государственного университета. 2011. № 2 (35). С. 162-168.