基于物联网概念的家庭节能系统

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，