基于物联网概念的家庭节能系统

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一、项目概述
          1.1.引言
          随着经济的迅速发展，人们的生活水平也有了较大的提高，对智能化的家居也产生了需求，希望可以实现更加智能、更加舒适的生活。人类的活动对环境和能源造成了巨大的压力。人类所面临日益严重的能源和环境危机也促使人们对各种低能耗产品产生了紧迫的需求，怎样利用当今先进的科学技术进行创新设计，成为人类的当务之急。
           
          通讯、计算机、控制等方面的科技迅猛发展，在与传统家居结合后，智能住宅，在国外常用Smart Home表示，智能家居也愈来愈成熟。同时“低碳、智能、舒适、实用、个性”理念也越来越深入人心，人们在注重舒适的同时，也开始关注节能环保与个性的彰显。
           
          1.2.项目背景/选题动机
          1.2.1.无线传感器网络发展
          本文以ZigBee技术对智能家居内部进行无线网络组网，通过ZigBee无线传感器网络节点的设计，实现节点对各种传感器信息的采集、传输和控制功能。ZigBee技术是一种强调极低耗电、极低成本的短距离无线网络技术，遵循IEEE802.15.4标准。它专注于低速率传输控制，网络容量大，时延短，提供数据完整性检查，加密算法采用AES-128，网络扩充性强，有效覆盖范围为10～75 m，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭环境，通信频率采用2．4 GHz免执照频段。
           
          当然现在的基于802.15.4的协议栈不止Zigbee一种，还有TI公司的Z-Stack协议栈，Jennic公司的Jennet协议栈等等。与有线铺设相比，无线通讯具有成本廉价、建设工程周期短、适应性好、扩展性好和设备维护更容易实现等无可比拟的特性。
           
          1.2.2.家庭主要用电设备——空调
          空调已经成为舒适家居的必备，但是在享受空调带来舒适的同时，不得不面对使用空调所带来的较大能耗以及空气质量差等困扰。为提高舒适性和降低能耗，空调行业内的企业也对空调器进行了必要的改进，但由于成本等方面的限制，这些改进仍局限于中央空调等高端产品，普通大众仍难以享受科技进步所带来的体验。同时，由于全球能源紧张的形式，降低能耗已成为消费者选择的首要考虑因素。空调的能耗居于家用电器能耗之首，因此，对空调的能耗以及舒适性的改进势在必行。
           
          1.2.3.电器待机能耗现状不容乐观
          可以遥控的电视、空调、电饭煲……智能化家电正逐步占据厨房、客厅，它们在待机时所消耗的却是数十亿元人民币的巨大能源。通俗地说，待机指的是关闭遥控器而不关闭电器开关或电源。待机能耗就是电器设备在待机状态下仍然消耗电力能源，一些具有预约功能的电器也存在待机能耗。以一个普通城市家庭为例，电视机、冰箱、空调、热水器、电饭煲、微波炉……有待机或者预约功能的家用电器将近10种。很多消费者认为只要关掉遥控开关，电器就不再工作了，殊不知，正是这些为生活带来方便、快捷的家用电器成了家中电费悄然上涨的“罪魁祸首”。由于待机能耗不同于产品在正常使用中产生的有效能耗，待机时所消耗的电力能源也成为一种能源浪费。若及时关闭电源，全国每年可节电12.7亿度，如何减少待机能耗？如何更加环保节能？相信已是摆在每一个人面前的问题。所以设计一种可以自动检测电器待机状态的开关装置，可以帮助人们更有效的节约能源。
           
          1.2.4.家庭照明系统
          智能照明控制产品的确有着不可比拟好多优点和优势，除了它能替代现有开关，减少了传统的电气布线，还有方便、节能、保护眼睛等优势，所以说应用智能照明控制，改变传统的电气布线是势在必行，只是一个时间的问题，因为传统的照明的确存在着好多弊端。
         
          二、需求分析
          2.1.功能要求
          本设计主要实现以下功能：

       

•                                          智能家电无线网络
  
  

          在家庭中使用有线假设网络比较困难，同时架设的成本也比较高，因为选择无线网络作为整个系统的基本框架；现今，物联网概念也是比较火热的话题，本设计也紧扣这一概念，探索在其在家庭自动化中的应用。
           

       

        图1.  网关组建拓扑结构图

         

       

•                                          空调系统及照明系统
  
  

          1 分布式温湿度监控：室内的温湿度影响着人们的家庭舒适度，因为在家庭内部的温湿度控制很重要，本设计以ATMEL的无线传感单元为测温平台，放置在室内几个位置，对室内的温湿度进行全面的调控，并通过无线通信转发给控制单元（与遥控器作成一体机），控制单元进行运算和发出空调控制指令，通过这一设计，我们可以达到：其一、使得空调更为准确的掌握室内温度分布，及时做出调整，节约电能；其二、温湿度的控制，使得人们的家庭生活更为舒适；
           
          2 悬浮颗粒物监测控制：在家庭客厅或者是办公会议室中，吸烟往往都会导致室内的空气质量比较差，无线传感单元测量各点悬浮颗粒物数据，通过控制空调的换气出风系统，控制室内空气质量，保持室内空气清新；
           
          3 照明系统光度监控：照明系统整个楼宇自动化中占有比较大比重，为了达到充分利用节点资源的目的，在本设计的节点上也进行了室内光照度的检测控制。
           

       

        图2.  空调系统监测节点结构图

         

       

•                                          智能插头
  
  

          家庭中家电的待机状态导致了大量的能源浪费，本设计中的智能插头通过检测电器设备的电流值，来判断当前电器的状态，并且根据一个待机时间阈值断开电源，从而保证满足节约能源和人们使用快捷性两个方面，
           

       

        图3.  智能插座模块结构图

         

          2.2.性能要求
          依据方案中的模块设计，本方案应实现以下要求：
          光照传感器TSL2550，工作温度：-25℃到85℃
          温湿度传感器SHT11，工作温度：-40℃到123.8℃
          常温下温度的精度：±0.5℃；湿度范围是：0到100%RH
           
          三、方案设计
          3.1.系统功能实现原理
          系统主要是基于ATMEL公司的AVR单片机和RF为平台，进行对家庭用电的控制和使用的情况统计；在智能家居中，很多都将设计的重点放在如何让人们更方便的使用各种电器，而忽略了整体的低功耗性能，本次设计主要是针对整个系统的低功耗设计。当然对家庭中的一些能源浪费现象提出了可行的解决方案，下图是整个系统的平面图。
           

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        图4.  系统硬件结构框图

         

          在节点的设计中，主要包括几类节点：其一、在大功率家电中的智能断电插头；其二是分布式的空调系统设计；其三、智能照明节点；其四、窗帘的智能开关控制；最后是整个系统的核心——中控器，其中，第三和第四功能为附加功能。
        3.1.1智能插座的设计
          智能插头主要是实现在家电处于长时间待机的情况下，自动将电器断电，从而达到家电节能的目的。以电视机为例，有过一项统计，一台电视机，不使用时如果不拔掉插头，每小时平均耗电7.8瓦。我国现有6亿台左右的电视机在使用，保守估计至少有2亿台电视机每天在待机中。按每台电视机每天待机16小时，每千瓦时0.6元计算，我国一年电视机待机耗费人民币54.66亿元。
           
          这种智能插座可以监测电器的电流情况，当电流极低时，自动识别为待机状态，在超过10分钟仍未有操作时，自动切断电源；欲使用电器时，中控器向插座节点发送指令，节点根据指令接通电源。如此，打造真正地低碳生活。
           
          3.1.2空调调控系统

        此部分功能是此次设计的重要组成部分之一，空调作为家庭用电的主要电器设备。当空调运行时，空调的运行状态既可以通过人们手动的改变，还可通过空调内部的温度传感器检测当前的室内温度是否达到了使用者所设定的，但是这里就出现了一个弊端，空调的温度并不能准确的检测到整个房间的温度，可能整个房间的温度分布是一个如图5和图六这样的分布趋势，所以本文设计了一种分布式的温度检测系统，使得更准确的进行空调的控制。

         

                

                    图5.  制热时温度分布                  图6.  制冷时温度分布   
               
          大多数挂机空调的温度控制精度都比柜式空调差,其主要原因是柜机的检测温度取样点约在1米范围内,人体感受到的温度与对空调设定的温度基本机同,而挂机的温度检测取样点在房间离地2.2米左右，这个靠近天花板的温度，要比1米高度的温度高出4~6℃。实验证明：当室外温度为35℃时，设定室内挂机制冷温度为22℃，半小时后挂机才在达到22℃温度后停机，此时测量房间内1米高度温度已低于18℃。如果再将挂机温度设定为18℃~20℃，那么该挂机将长时间运转不停机，其原因就是因为在固定挂机的2.2米高度上的空间温度很难达到18℃~20℃的低温。
           
          尽管很多挂机温度控制加有温度补偿电路，使其在2.2米处温度探头所感受到的温度，经补偿后尽量与房内1米处温度相等，但因空调房间所处环境千变万化；例如房间六面隔热太差，居室位于顶楼，房内人过多等，这些都将导致室内高低层的温差增大，补偿电路是不能弥补的。将空调的温度监测模块置于人体周边，人体才能真实地感受到设定的舒适温度，这个要求对空调也许有些苛刻，但是通过必要的算法控制空调的运转，最大程度地使人感受到空调带来的舒适。
           
          3.1.3终端设备设计
          终端设备是系统的信息处理中心，在接收到来自各无线节点的信息后，MCU对信息进行处理，获得各节点处的温度、湿度和颗粒物状况数据或者电量信息，并将这些信息以图文形式在LCD上进行显示。在使用者欲使用手动形式对电器进行操作时，可以通过触摸屏进行操作，MCU获取操作信息，通过无线模块将具体指令发送到节点，节点根据指令进行相应动作，完成操作。
           
          3.1.4室内照明设备亮度控制
          在灯光设计上，要测算好面积和灯具照明强度，更需要注重节能和环保。屋内的灯光应尽量柔和，避免过亮或过暗两个极端。室内照明也不要盲目追求亮度，应该以每平方米6瓦为标准，否则容易产生刺眼的眩光，损伤视力。
           
          通过光照传感器来检测当前室内的亮度是否在对人眼比较舒适的状况，如果不再这个范围内的话，则通过节点进行调控，可以选用TSL2550传感器配合可控硅使用，当然在实现该功能的时候，不能因为一点点的变化就去调控灯的亮度，要通过调研和测量对整个系统的阈值进行设定。
           
          3.1.5窗帘的自动控制设计
          现在大多数家庭中的窗帘都是手动操作，常常会因为大力的扯动而导致窗帘的损坏，同时在智能家居中，智能控制的概念越来越深入。此设计的应用场景：在进行设定睡觉时间之后，窗帘会根据使用者设置的时间自动的关闭窗帘，并且在每天的早晨自动将窗帘打开，同时也达到了“闹钟”的效果；并且在周末使用者想睡个懒觉的话，只需设置一些就可以达到周末的特殊设置。同时，为达到节能的目的，可以采用室外的太阳能电池对节点进行供电。
           
          3.2.硬件平台选用及资源配置
          在本次设计中选用的硬件平台主要是大赛提供的三个平台之一，在无线模块上，方案是选择ATMEL公司的射频芯片和AVR单片机组成的无线收发模块，也选择了ATMEL公司的带有AVR内核的无线芯片，但是在无线模块的设计上，没有把握达到要求的传输距离和精度；方案二：选择ATMEL公司的ZigBit的无线模块；方案三：选择Jennic公司的无线模块，这个主要是因为在这个模块上具有很长时间的开发经验，在前面几种不行的情况下，使用这种方案来实现本次设计。
           
          Atmel公司提供的硬件平台EV1105上面有着丰富的硬件资源：例如10/100M以太网接口，高保真的音频接口，2寸的QVG液晶显示器、五向触摸按键以及无线端口，这些为实现网络终端设备提供了很大的帮助。
           

       

        图7：硬件开发平台

        3.3.系统软件架构
          软件系统主要是基于IEEE 802.15.4的无线传感器网络协议，并且在此基础上对智能插头、空调的分布式检测以及灯光亮度的调控，并且充分利用这些Node进行一些功能上的扩展（窗帘的控制等）。
           
          3.4.系统软件流程

       

•                                          系统的软件方面主要分为两个部分：
  
  

       

•                                          智能电源插头软件设计：
  
  

       

        图8：智能电器插头

         

       

•                                          普通节点的设计：在这个节点中主要是分布一些传感器，包括在空调分布式温湿度测量温湿度传感器、灯光亮度调节的光照传感器以及窗帘的电机控制；
  
  

         

       

        图9：节点主流程

         

          从上面的流程图可以看出：Node的上电后，会去组建一个家庭内部的无线网络，各个Node加入到网络中之后，初始化各个传感器开始检测数据，因为一个传感器上会集成很多传感器，不需要每个传感器检测到数据之后就将数据上传到网络的终端设备，而是一个Node上面的所有传感器数据都检测完成之后，将数据打包上传到网络终端设备上，然后有网络终端设备进行数据的融合和做出调控的决策。
           
          3.5.系统预计实现结果

       

•                                          实现空调的温湿度分布式采集，并且根据采集的数据进行调节空调的运行模式；
         
  
•                                          室内的空气质量检测和控制空调运行模式，例如吸烟导致的空气质量低下；
         
  
•                                          夏天或者冬天的用电高峰期，会由于供电不稳而导致空调不稳，这样可以根据电压电流值的变化设置阈值，给与用户提示；
         
  
•                                          实现空调用电量的计算和控制，实现绿色用电；同时可以根据当地的分时用电标准机型模式的调节；
         
  
•                                          分布式节点预留一些接口，这样可以更好的运用各个节点，例如：控制窗帘（每天按照定时时间开关窗帘）；
         
  
•                                          实现智能家具的网络控制，将物联网接入到Internet，并且可在网络上进行控制；
         
  
•                                          室外节点可以使用太阳能，这样可以达到节约电能的效果；
         
  
•                                          使用Zigbee、802.15.4等低功耗的无线传感器网络实现以上控制，或者尝试自己编写比较适合此次设计的协议架构；
         
  
•                                          在电视机、饮水机等家用电器中设计一个入网的插头；
         
  
•                                          在外出的时候，保证总闸的带点状态，但是由于加点配置的智能插头，可以保证各个电器与电源的断开，这个需要做返回；
  
  

           
          3.6.系统实现效果图
           

       

        图10：平面效果图

         

         

         

       

        图11：系统分布结构框图

         

       

        图12：预期节点爆炸图

         

       

        图13：预期节点整体图