Risparmio energetico con reti domestiche

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1 Politecnico di Milano Advanced Network Technologies Laboratory Risparmio energetico con reti domestiche Antonio Capone Tecnologie della comunicazione e sostenibilità ambientale: Green ICT & ICT for Green Politecnico di Milano, 22 Febbraio 2010

2 Consumo energetico Il settore residenziale ha un consumo energetico in notevole crescita che attualmente è pari al 27.5% del totale (era il 19.3% nel 1990). Other 5% Residential 28% Industry 32% Commercial & Public services 8% Agriculture 2% Transport 25% Sorgente Earthtrends Dati 2005 Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 2

3 Consumo energetico Per cosa usiamo l energia: Riscaldamento 26.4% Condizionamento 13% Acqua calda 12.5% Illuminazione 11.6% Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 3

4 Risparmio energetico Nel settore industriale il risparmio energetico è stimolato da: Urgente bisogno di migliorare l efficienza nella produzione di beni Nuove regolamentazioni Nel settore residenziale esistono oggettive difficoltà a incentivare il risparmio per: Scarsa consapevolezza del problema Mancanza di strumenti per la misura dei consumi delle attività quotidiane Mancanza di strumenti di controllo Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 4

5 Aumentare la consapevolezza L approccio classico Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 5

6 Aumentare la consapevolezza Prima di tutto gli strumenti di misura Contatori intelligenti In Italia primi al mondo La voglia di misurare è contagiosa Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 6

7 Misurare NOKIA Ewgeco E molte altre Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 7

8 Visualizzare Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 8

9 Visualizzare e anche identificare consumi individuali Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 9

10 Risparmiare Ci sono fondamentalmente tre livelli possibili di interazione con l utente: 1. Fornire misure di energia/consumi (aggregati o per dispositivo) 2. Identificare ed indicare gli sprechi 3. Usare sistemi di demotica per controllare i dispositivi Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 10

11 Sistemi Electrolux, Enel, Indesit e Telecom Italia Energy@Home Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 11

12 AIM Project A novel architecture for modelling, virtualising and managing the energy consumption of household appliances 7th Framework Programme, ICT for Environmental Management and Energy Efficiency Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 12

13 Idee chiave Metodo generalizzato per la gestione dei dispositivi e sistemi domestici Piattaforma aperta per lo sviluppo di applicazioni di monitoraggio e gestione del consumo energetico Controllo unificato dei dispositivi in base al livello di complessità e controllabilità Interazione semplificata con l utente per facile accessibilità ai servizi Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 13

14 Architettura AIM Services 1) Functions switching ON/OFF 2) Acquisition of energy consumption measurements Energy consumption Monitoring & control Device Virtualization Environment Personalized Services Creation & Synthesis Intelligent power consumption metering applications AIM Add-on Service Architecture Set-top-boxes Home Cinemas TV sets A/V Equipment EMD User Terminals (AIM services point of access) DECT Phones Wi-Fi Access Points Applications Wireless Routers Smart Phones Home Communications Equipment EMD Modems Routers EHS/KNX PowerLine, Zigbee, PoE, ESTIA Home Network Architecture Washing Machines Dish Washers Refrigerators Kitchens White Goods EMD ESTIA Residential Gateway Architecture Secure & Privileged Access Services & Profiles Identity-based user management IP Connectivity Outdoor Networks Electricity Network Operator Services User Services Electricity Management Network ESTIA Gateway Internal functions Applications User Terminals (AIM services point of access) Applications Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 14

15 Device Virtualization Environment (DVE) Management procedures configuration environment EMD Context Knowledge base Knowledge interpreter Semantics Database Attribute Knowledge base Enhanced OMA Device Management Logic Enhanced Device Management protocol EMD EMD Device Virtualization Logic Attribute Database Context Database Ambiente aperto per creare e instanziare applicazioni di gestione dell energia Data base semantico per la rappresentazione: Tipi di dispositivi Funzioni supportate Azioni per il risparmio Interprete per la traduzione di configurazioni d utente nei servizi

16 Applicazioni Applicazioni locali Fornite da costruttori o da terze parti Piattaforma di servizio dell operatore Piattaforma di servizio dell utility Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 16

17 Interazione con l utente Risparmi significativi si possono ottenere solo adattando dinamicamente il comportamento del sistema alle attività degli utenti L interazione con l utente è fondamentale per acquisire le informazioni necessarie Questo è uno degli aspetti più critici dei sistemi di home automation e che può determinarne il fallimento Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 17

18 Interazione con l utente Definire un modo naturale di interazione con il sistema AIM attraverso una rete di sensori Ridurre la complessità di configurazione e gestione per mezzo di: Monitoraggio in tempo reale delle attività degli utenti in casa (identificazione, presenza, uso dei dispositivi, etc.) e dei parametri fisici (luce, temperatura, ecc.) Profilazione delle abitudini degli utenti e delle loro preferenze sulla base di come loro interagiscono con il sistema Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 18

19 Rete di sensori: Possibili benefici Principalmente: Definizione di strategie di gestione dell energia individuali Definizione di metodi per il passaggio automatico tra differenti livelli di consumo dei dispositivi basato sul monitoraggio e profilazione degli utenti Ma anche: Valutazione del livello di soddisfazione degli utenti per differenti strategie e livelli di consumo Indicazione dei processi quotidiani che consumano più energia e suggerimento di possibili modifiche alle abitudini Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 19

20 Virtual User USER GUI DB API Rules Engine M2M Residential GW Sensor net DB User DB Ontology Virtual user Event and data gathering Sensor network Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 20

21 Architettura della rete di sensori Singola rete che interconnette tutti i dispositivi sensore (???) Per ragioni di costo e commerciali tecnologie eterogeneo possono essere adottate dai costruttori Nuovi gruppi di sensori possono essere aggiunti al sistema quando è già operativo Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 21

22 Architettura della rete di sensori Mana ger Architettura di rete gerarchica e ibrida che consiste in differenti isole di nodi sensore (principalmente wireless ma anche wired) interconnesse attraverso dei gateway Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 22

23 MobiWSN Abbiamo definito un middleware, mobiwsn, progettato per implementare un architettura gerarchica e ibrida di sensori MobiWSN consente di semplificare: l interazione delle applicazioni d utente con la rete, la configurazione e riconfigurazione di rete, l uso di risorse di calcolo e comunicazione. MobiWSN è stata implementata e testata su prototipi Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 23

24 Rilevazione della presenza La rilevazione della presenza è una componente importante per la profilazione degli utenti Sono stati usati sensori a bassissimo costo basati su tecnologia a infrarossi. I dati grezzi dei sensori sono elaborati attraverso un applicazione su MobiWSN Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 24

25 Sistema di profilazione degli utenti User Profiling System Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 25

26 Risultati d esempio Profili di temperatura e presenza combinati al controllo del condizionatore Pre-programmed system schedule Automatic system Approx 28% of energy saving Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 26

27 Test in campo Smart Home FT a Grenoble Smart Home presso il CEFRIEL Test in 3 case reali in Grecia Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 27

28 Conclusione Grande interesse pratico per applicazioni di monitoraggio e gestione dei consumi energetici domestici (non solo ricerca accademica) La disponibilità di collegamenti ad Internet favorisce la raccolta ed elaborazione di dati e lo sviluppo di applicazioni Nella futura Internet of Energy anche la nostra casa avrà presto il suo posto Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 28

29 Politecnico di Milano Advanced Network Technologies Laboratory Risparmio energetico con reti domestiche Antonio Capone Contatto: Web:

30 Fine presentazione Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 30

31 Energy Management Device Interfaces to the power network Power Metering Functions Measurements Encoding Monitoring Logic Interfaces to internal household appliance buses Bus Selection Power Modes Encoding/Decoding logic Interfaces to external communication networks Control logic Enforcement Logic Interfaccia stardard verso la rete domestica Interfaccia specifica verso ciascun dispostivo Misure di consumo in tempo reale o mediante profilazione Controllo funzioni interne se possibile

32 Daily profiles recorder The Daily Profiles Recorder creates daily profiles about users presence/absence, temperature and light in each room of the house in a given monitoring period (i.e. week, month). At the end of the monitoring period the Profiles Analyzer and the Predicted Profiles Updater modules are called Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 32

33 Profiles Analyzer The cross-correlation between each couple of 24 hour data presence is computed for each room of the house in order to cluster similar daily profiles For each cluster the average of the daily presence (temperature/light) profiles identifies a specific final user presence (temperature/light) profile Room i Daily Presence Profiles Cluster j Room i Final Presence Profile J i Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 33

34 Profiles Predictor The final profiles identifiers matrix, defined by the Profiles Analyzer module, is used for the profiles prediction Prediction Algorithm: For the generic room i, the corrisponding column of profiles is selected The probability that each possible final profile succeeds the sequence of profiles of the past days in Room i is calculated The predicted profile is the most likely one Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio Room 1 Room i Room N Day i 1 N Day i 3 N.... Day K i 5 N final profiles identifiers matrix 34

35 Predicted Profiles Updater The real time user presence information provided by the Daily Profile Recorder is used to dynamically update the predicted profile during the day tracking the user behavior A switch from the stored predicted profile x(t) to another one, y(t), is performed if the real time detected profile is more similar to y(t) than to x(t) Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 35

36 Preliminary results We tested user profiling algorithms through simulation Five room house with a simulating period of 300 days For each room of the house a regular sequence of realistic daily presence, light and temperature profiles has been created Sequences of simulated daily profiles have been then generated Introducing random variations on the original profile Exceptions (spikes, bursts, behavior change) Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 36

37 Preliminary results Percentage of correctly predicted profiles for each room of the house. Percentage of time with a wrong user presence prediction when the predicted profile of the day is not correct. Green ICT & ICT for Green - 22 Febbraio 37