智能家電能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分析

吳軍

由于傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)布線比較復(fù)雜，存在對(duì)各個(gè)設(shè)備具體的用電能耗情況沒(méi)有辦法進(jìn)行細(xì)分等缺陷，本文利用Arduino開源平臺(tái)、xbee無(wú)線模塊以及物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)共同構(gòu)建了一種對(duì)用電設(shè)備節(jié)點(diǎn)能耗數(shù)據(jù)集中采集以及開關(guān)控制的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)與外部的以太網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸與監(jiān)控功能，該系統(tǒng)可以借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)各個(gè)用電設(shè)備的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測(cè)，并且還能對(duì)各個(gè)用電設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程開關(guān)控制，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)具備通訊距離遠(yuǎn)以及運(yùn)行穩(wěn)定擴(kuò)展性比較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，為智能家居能耗的合理利用提供了更為有效的幫助。

關(guān)鍵詞：Arduino主控板;Xbee模塊;無(wú)線通訊;物聯(lián)網(wǎng)

我國(guó)經(jīng)濟(jì)在高速發(fā)展的同時(shí)也帶來(lái)了一定的能源消耗、環(huán)境污染等問(wèn)題，能源消耗和環(huán)境污染等問(wèn)題的出現(xiàn)嚴(yán)重影響了我國(guó)居民的生活質(zhì)量和生活品質(zhì)，而且環(huán)境污染、能源消耗等問(wèn)題的產(chǎn)生是不可逆轉(zhuǎn)的，隨著能源消耗、環(huán)境污染等問(wèn)題的加劇，節(jié)能減排已經(jīng)被納入國(guó)家十二五規(guī)劃目標(biāo)，人們也逐漸提升了對(duì)綠色節(jié)能理念的重視程度。目前國(guó)家的發(fā)展離不開能源的協(xié)助，隨著國(guó)家發(fā)展日益擴(kuò)大，能源消耗的問(wèn)題也變得越來(lái)越嚴(yán)重，國(guó)家愈加注重推廣低碳節(jié)能發(fā)展理念，并且已然成為我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域在發(fā)展過(guò)程中最主要的要求之一。伴隨著國(guó)家智慧能源網(wǎng)逐漸的建設(shè)與推廣，綜合用電需求以及管理的重要性逐漸的更加明顯，人民家居中各個(gè)家庭電器的用電消耗情況也逐漸受到廣大群眾的關(guān)注，家庭電器中的電能詳細(xì)消耗也變得更加的重要。智能家電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的推廣能夠廣大群眾將詳細(xì)準(zhǔn)確的家電設(shè)備用電詳情展現(xiàn)在眼前，并且用戶可以隨時(shí)得知用電信息。比如家庭中各種智能終端設(shè)備智能空調(diào)、智能電飯煲、智能電視等相關(guān)產(chǎn)品，通過(guò)利用互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)建立起一種連接，更加有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的智能控制，并且對(duì)所有家電的詳細(xì)用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

隨著科技水平的提升，人們的生活水平和生活質(zhì)量也有了新的要求，其中電子產(chǎn)品也很好地滿足了人們對(duì)于生活質(zhì)量的要求，在實(shí)際生活中，越來(lái)越多的科技產(chǎn)品被運(yùn)用到人們生活中，涉及人們生活的方方面面，尤其是一些智能家居的應(yīng)用。智能家居的應(yīng)用可以很好的滿足人們的生活品質(zhì)和生活質(zhì)量的要求，將電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及控制技術(shù)應(yīng)用到智能家居中，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家具的控制以及數(shù)據(jù)采集，智能家居對(duì)人們的日常生活以及城市正常運(yùn)營(yíng)具有重要的作用。作為新興產(chǎn)業(yè)，智能家居的市場(chǎng)潛力巨大，產(chǎn)業(yè)發(fā)展也較為迅速，隨著人們對(duì)節(jié)能環(huán)保理念的重視程度，為了節(jié)省能源消耗，保護(hù)生態(tài)平衡，需要不斷對(duì)智能家電能耗監(jiān)測(cè)。智能家電能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及應(yīng)用是不可避免的發(fā)展趨勢(shì)，智能家電耗能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅可以有效環(huán)節(jié)能源消耗、環(huán)境污染等問(wèn)題，還可以用實(shí)現(xiàn)我國(guó)智能家電的可持續(xù)發(fā)展。

互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制技術(shù)應(yīng)用到智能家電中時(shí)代發(fā)展的要求，一般在智能家電中采用的是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無(wú)線通訊技術(shù)可以通過(guò)距離長(zhǎng)短進(jìn)行劃分，一般WIFI、藍(lán)牙、Zigbee等通訊技術(shù)都是一些近距離的無(wú)線通訊技術(shù)，而在這些近距離通訊技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的就是Zigbee通訊技術(shù)，因?yàn)?，Zigbee通訊技術(shù)具有低成本、操作簡(jiǎn)單、以及能耗較低的優(yōu)勢(shì)，而WIFI、藍(lán)牙等通信技術(shù)的優(yōu)越性較Zigbee來(lái)說(shuō)就較為簡(jiǎn)單。美國(guó)DIGI公司研究無(wú)線傳輸模塊的時(shí)候是以Zigbee為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的無(wú)線傳輸模塊的名稱是XBee，實(shí)踐證明，XBee的傳輸范圍是Zigbee無(wú)線傳輸模塊的兩到三倍，XBee無(wú)線傳輸模塊包含了Zigbee無(wú)線傳輸模塊的優(yōu)點(diǎn)，而且XBee無(wú)線傳輸模塊的應(yīng)用效果更顯著，XBee無(wú)線傳輸模塊不僅可以有效避免信號(hào)盲點(diǎn)，還可以有效檢測(cè)智能家電能耗。

本系統(tǒng)的開發(fā)的智能家居無(wú)線能耗監(jiān)控系統(tǒng)是包含了Xbee無(wú)線傳輸模塊，其中能耗檢測(cè)和控制是無(wú)線能耗監(jiān)控系統(tǒng)的主要組成部分。通過(guò)遠(yuǎn)距離的控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家電能耗數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)采集數(shù)據(jù)控制能源消耗;利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種智能家電的控制，比如，照明設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)、熱水器等。

以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交互模塊與能耗監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程開關(guān)模塊相組合共同構(gòu)建成智能家居無(wú)線能耗檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件電力與程序開發(fā)主要是通過(guò)Arduino開源平臺(tái)進(jìn)行打造，各個(gè)模塊通過(guò)無(wú)線通訊模塊在局域網(wǎng)內(nèi)自行組網(wǎng)以及數(shù)據(jù)互相交互，最后在協(xié)調(diào)器終端通過(guò)以太網(wǎng)模塊將采集到的所有信息數(shù)據(jù)傳輸至互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)進(jìn)行儲(chǔ)存，使用者在想要獲取能耗實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)可以通過(guò)登錄網(wǎng)頁(yè)或者是微信來(lái)進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)的獲取，并且用戶也可以經(jīng)過(guò)網(wǎng)頁(yè)或者微信客戶端來(lái)實(shí)現(xiàn)智能家電開關(guān)的遠(yuǎn)程控制。硬件設(shè)計(jì)以Arduino Uno主控板作為各個(gè)模塊設(shè)計(jì)的核心，Arduino開源平臺(tái)采用的是開放源軟硬件平臺(tái)有點(diǎn)類似Java的開發(fā)環(huán)境，通過(guò)在Arduino主控板上編寫模塊的程序，最后通過(guò)擴(kuò)展板與無(wú)線模塊的之間的連接實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)交互的作用。

開關(guān)的電壓、電流、功率等相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)量來(lái)自能耗監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程開關(guān)控制模塊所負(fù)責(zé)，并且通過(guò)開源平臺(tái)對(duì)繼電器的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)的控制功能。其主要組成結(jié)構(gòu)為Arduino Uno主控板、XbeeproS1無(wú)線模塊、Arduino Xbee擴(kuò)展板、電量能耗監(jiān)測(cè)傳感器、光耦繼電器以及帶iic接口的能耗傳感器共同構(gòu)建而成。該控制模塊的工作電壓在80-260v，最大電流達(dá)到了100A，最大功率是22kw。它能通過(guò)串口進(jìn)行發(fā)送不同的信號(hào)來(lái)獲取相應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流、功率以及電量等參數(shù)的監(jiān)測(cè)作用。

以太網(wǎng)INTERNET模塊的數(shù)據(jù)信號(hào)采集工作時(shí)通過(guò)xbee協(xié)調(diào)器接收與發(fā)射各個(gè)xbee終端中傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并且通過(guò)以太網(wǎng)w5100模塊將所有信息轉(zhuǎn)發(fā)射至云服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)Internet模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的功能。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)中包含協(xié)調(diào)器、路由器、終端三種不同類型的節(jié)點(diǎn)。通過(guò)xbee模塊進(jìn)行自組網(wǎng)，利用api模式通訊的功能將發(fā)送或者接收的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行更換為API幀格式，多個(gè)不同的xbee終端利用固定的數(shù)據(jù)幀將所有的傳感器采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給路由器或者協(xié)調(diào)器，最后通過(guò)以太網(wǎng)將所有的數(shù)據(jù)信息傳輸至互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，同時(shí)各個(gè)不同的xbee終端也對(duì)服務(wù)云平臺(tái)中所有的控制命令傳輸至協(xié)調(diào)器中的指令進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)聽。為了保障各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸工作能夠有序運(yùn)行，可以充分利用xctu軟件對(duì)各個(gè)模塊的配置和不同的參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中不同類型的定義。

由各個(gè)無(wú)線終端模塊、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)模塊以及開放云平臺(tái)三個(gè)重要部分共同完成系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)工作，能夠有效實(shí)現(xiàn)各個(gè)不同耗能模塊傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存以及控制命令的發(fā)送的功能。

終端模塊程序的主要工作為讀取各個(gè)傳感器所傳送的數(shù)據(jù)、xbee發(fā)送與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以及屏幕顯示等功能，針對(duì)能耗監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程開關(guān)控制模塊進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)。將通訊器各個(gè)端口插入各個(gè)控制模塊與傳感器，從相應(yīng)程序中對(duì)各個(gè)電器進(jìn)行控制，通過(guò)模塊的數(shù)據(jù)接收與傳送工作，利用以太網(wǎng)模塊對(duì)網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行配置，然后通過(guò)云平臺(tái)通訊模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳工作，達(dá)到電器的遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)目的。

物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)為用戶提供傳感器云端儲(chǔ)存服務(wù)，用戶通過(guò)傳感器標(biāo)識(shí)、以太網(wǎng)模塊共同作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)上傳功能，最終實(shí)現(xiàn)傳感器對(duì)使用數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集的功能。同時(shí)用戶在使用的過(guò)程中可以對(duì)命令進(jìn)行自定義設(shè)置，并且通過(guò)云平臺(tái)傳送給以太網(wǎng)模塊，最后通過(guò)無(wú)線終端對(duì)控制命令進(jìn)行遠(yuǎn)程執(zhí)行控制。

用戶在使用的過(guò)程中可以通過(guò)液晶顯示屏、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的管理頁(yè)面、微信客戶端查看傳感器所采集的所有電器使用數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有信息進(jìn)行實(shí)時(shí)查看的目的。并且用戶在使用的過(guò)程中可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)或者微信客戶端對(duì)所有的電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制功能。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，智能家居能耗監(jiān)控系統(tǒng)各個(gè)模塊工作狀態(tài)正常，并且設(shè)備具有長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的特點(diǎn)，尚未出現(xiàn)無(wú)數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)丟失的情況發(fā)生。實(shí)驗(yàn)證明無(wú)線模塊在室內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)具備穿透性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，并且通過(guò)移動(dòng)終端能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器采集數(shù)據(jù)的讀取功能，能夠?qū)λ械碾娖鬟M(jìn)行遠(yuǎn)程控制的效果，并且該系統(tǒng)能夠進(jìn)行多個(gè)模塊之間的共同工作以及數(shù)據(jù)傳輸功能，具備優(yōu)良的可擴(kuò)展性。

家庭中電氣設(shè)備能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)工作，可以有效的為廣大家庭中各個(gè)用電設(shè)備的能耗使用起到監(jiān)測(cè)的作用，并且能夠向所有數(shù)據(jù)信息隨時(shí)展現(xiàn)在用戶面前，通過(guò)對(duì)所有用電設(shè)備的用電量監(jiān)測(cè)功能，提醒居民用電情況，對(duì)不必要的用電消耗進(jìn)行實(shí)時(shí)提醒，促進(jìn)能源節(jié)約的同時(shí)，提升資源合理的利用。本系統(tǒng)以Arduino主控板作為設(shè)計(jì)的核心部分，通過(guò)無(wú)線傳感器、各個(gè)功能模塊以及互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)功能共同組建了實(shí)現(xiàn)對(duì)家居進(jìn)行無(wú)線監(jiān)控的系統(tǒng)，能夠完成對(duì)家居能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集與上傳，并且能夠通過(guò)移動(dòng)終端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)因?yàn)槭峭ㄟ^(guò)模塊實(shí)現(xiàn)交互作用極大減少了對(duì)家居環(huán)境的影響，并且能夠有效實(shí)現(xiàn)各個(gè)數(shù)據(jù)的采集功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能家居實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制的功能，具備良好的使用價(jià)值及推廣價(jià)值。

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