居民節(jié)能降耗的需求視角下智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陸 群

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

“十四五”規(guī)劃明確提出了綠色發(fā)展導(dǎo)向，加快綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，降低對(duì)資源能源的消耗，建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)。綠色低碳發(fā)展是大勢(shì)所趨。但目前隨著居民對(duì)居住環(huán)境的舒適、安全與智能化的進(jìn)一步需求，建筑能耗在社會(huì)總能耗中的比例在逐年提高。節(jié)能降耗已成為保護(hù)環(huán)境的一項(xiàng)重要的系統(tǒng)工程，各國(guó)都推出了一系列節(jié)能減排的政策，以廣大工薪階層消費(fèi)能力之內(nèi)的智能家居為研究對(duì)象，探討如何節(jié)能降耗無(wú)疑是保護(hù)環(huán)境的最好措施之一。

當(dāng)前智能家居領(lǐng)域的研究多從工程技術(shù)層面或工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)角度出發(fā)，而從居民節(jié)能降耗需求視角下進(jìn)行智能家居產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究較為匱乏。本文研究目的在于將居民節(jié)能降耗的需求因素納入智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以期推動(dòng)智能家居的發(fā)展由技術(shù)驅(qū)動(dòng)向用戶需求驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變，讓智能家居產(chǎn)品走上可持續(xù)發(fā)展的道路。

1 居民節(jié)能降耗的需求視角下智能家居系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)要求

有節(jié)能降耗功能的智能家居系統(tǒng)在系統(tǒng)層面上應(yīng)該具備檢測(cè)、節(jié)能控制和遠(yuǎn)程控制的功能。首先通過(guò)各類傳感器收集家中智能家居的能耗數(shù)據(jù)，再通過(guò)編程和控制器排查出智能家居產(chǎn)品的異樣的能耗，進(jìn)行合理地調(diào)節(jié)和控制，以滿足用戶節(jié)能降耗的需求。操作層面上能提供對(duì)能耗數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與狀態(tài)反饋，滿足用戶對(duì)智能家居產(chǎn)品方便的節(jié)能管理，并通過(guò)交互與智能控制，對(duì)個(gè)性化場(chǎng)景進(jìn)行自定義與快捷操作。

2 智能家居系統(tǒng)需要的主要產(chǎn)品和技術(shù)

2.1 具備信息交換和控制功能的網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)是智能家居系統(tǒng)的核心，用于管理和配置其他智能產(chǎn)品，主要實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和家庭外部互聯(lián)網(wǎng)信息的交換和控制。家庭內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備信息和外部網(wǎng)絡(luò)信息是兩種不同協(xié)議下的信息，例如人體感應(yīng)器是無(wú)法直接連到家庭網(wǎng)絡(luò)的，需要一個(gè)類似于大腦終端，將它們連在一起，網(wǎng)關(guān)就是這個(gè)作用。網(wǎng)關(guān)用Zigbee協(xié)議收集到所有設(shè)備指令后再統(tǒng)一與家庭路由器（Wi-Fi）連接，這樣用戶就可以隨時(shí)查看，控制家里的設(shè)備。如果家庭面積比較大，智能設(shè)備比較多，可能需要多個(gè)網(wǎng)關(guān)一起覆蓋。因?yàn)榫W(wǎng)關(guān)需要和路由器（Wi-Fi）連接才能實(shí)現(xiàn)對(duì)其他智能產(chǎn)品的控制，因此安裝網(wǎng)關(guān)位置的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境一定不能出現(xiàn)掉線，有時(shí)根據(jù)需要可以考慮網(wǎng)絡(luò)的橋接。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，家庭網(wǎng)關(guān)同時(shí)也可以設(shè)置防火墻，防止外界不安全的攻擊。

2.2 家電控制器

用于控制所有可以通過(guò)紅外遙控控制的電器，也就是智能遙控器。普通的家電，比如空調(diào)電視，洗衣機(jī)，投影儀等都可以使用家電控制器實(shí)現(xiàn)智能控制的功能。智能家居通過(guò)有線或者是無(wú)線的方式，能耗數(shù)據(jù)可以進(jìn)行儲(chǔ)存，并事先設(shè)置期望值指標(biāo)，實(shí)際使用過(guò)程中，如果出現(xiàn)與期望值指標(biāo)不一樣的異常數(shù)據(jù)，用戶可以通過(guò)家居產(chǎn)品交互使用界面上的控制功能，形成對(duì)各種產(chǎn)品的遠(yuǎn)程智能控制和調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的功能。

2.3 具備安全防護(hù)功能的產(chǎn)品

功能強(qiáng)大的智能家居的安防系統(tǒng)其實(shí)是家居的基礎(chǔ)系統(tǒng)，可以應(yīng)對(duì)各種非法入侵、燃?xì)庑孤⒒馂?zāi)等情況，實(shí)用性很高，在智能家居產(chǎn)品的配置比例上較高。比如傳統(tǒng)的圖像監(jiān)控技術(shù)，先進(jìn)的基于重力感應(yīng)技術(shù)和紅外檢測(cè)技術(shù)的安保系統(tǒng)。家門(mén)的安防是家庭安防的第一步，隨著技術(shù)的進(jìn)步，低能耗的可視門(mén)鈴和帶攝像頭的智能門(mén)鎖大受歡迎。室內(nèi)的燃?xì)獍卜廊缛細(xì)鈧鞲衅饔糜诒O(jiān)測(cè)空氣中是否有煤氣或者有害氣體，當(dāng)智能燃?xì)鈭?bào)警器發(fā)出聲音時(shí)會(huì)將聲音傳遞到主人手機(jī)上，利用與燃?xì)鈧鞲衅髀?lián)動(dòng)的機(jī)械手進(jìn)行遠(yuǎn)程控制關(guān)閉燃?xì)忾y門(mén)。

3 有節(jié)能管理功能的智能家居系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

有節(jié)能管理功能的智能家居系統(tǒng)由檢測(cè)系統(tǒng)、智能與節(jié)能管理控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制管理系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。檢測(cè)系統(tǒng)主要是針對(duì)家庭中有害氣體、空氣溫度、濕度、可能引起火災(zāi)的煙霧等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。網(wǎng)關(guān)首先收集各種傳感器的能耗信息，與事先設(shè)定的期望值指標(biāo)進(jìn)行分析對(duì)比，當(dāng)出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象時(shí)，會(huì)首先進(jìn)行本地聲光報(bào)警提示，并發(fā)送遠(yuǎn)程報(bào)警信息到遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)，聯(lián)動(dòng)不同的設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)處理，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能和智能控制等特點(diǎn)。

圖1 自動(dòng)控制方案

本系統(tǒng)對(duì)家庭環(huán)境與耗能設(shè)備參數(shù)的調(diào)節(jié)控制采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)后臺(tái)軟件將連接在同一個(gè)路由器（Wi-Fi）下的網(wǎng)關(guān)們，統(tǒng)一連接到同一個(gè)家庭中，一些不需要網(wǎng)關(guān)的設(shè)備如掃地機(jī)器人，空氣凈化器，也能在這個(gè)家庭的界面下進(jìn)行操作。家庭中各類傳感器、感應(yīng)器，事先設(shè)定期望的環(huán)境參數(shù)值然后設(shè)置成自動(dòng)調(diào)節(jié)模式，進(jìn)行溫度濕度檢測(cè)，漏水檢測(cè)，天然氣泄漏檢測(cè)。家里濕度過(guò)低、溫度過(guò)高過(guò)冷、熱水煤氣泄漏都會(huì)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警，及時(shí)告知用戶，并通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的溫度、濕度的調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能的效果，并使家庭環(huán)境舒適度更個(gè)性化。

4 展望和不足

由于智能家居系統(tǒng)是一個(gè)多學(xué)科、多技術(shù)綜合應(yīng)用的系統(tǒng)工程，以及制約因素的存在，本文只對(duì)其中部分作了探討和研究，后續(xù)仍需繼續(xù)修改、研究。比如傳感器的期望值指標(biāo)需要針對(duì)用戶的使用環(huán)境反復(fù)實(shí)驗(yàn)比較對(duì)比才能實(shí)現(xiàn)有效的節(jié)能智能。無(wú)線傳感器在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)量較多，節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)時(shí)能量損耗仍然較高，也需要根據(jù)用戶的使用習(xí)慣進(jìn)行個(gè)性化的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)的融合機(jī)制，通過(guò)降低節(jié)點(diǎn)能耗以延長(zhǎng)系統(tǒng)的生命周期，真正具備節(jié)能智能功能。