居民節能降耗的需求視角下智能家居系統的設計

陸 群

（徐州工業職業技術學院，江蘇 徐州 221000）

“十四五”規劃明確提出了綠色發展導向，加快綠色低碳循環經濟發展，降低對資源能源的消耗，建設資源節約型和環境友好型社會。綠色低碳發展是大勢所趨。但目前隨著居民對居住環境的舒適、安全與智能化的進一步需求，建筑能耗在社會總能耗中的比例在逐年提高。節能降耗已成為保護環境的一項重要的系統工程，各國都推出了一系列節能減排的政策，以廣大工薪階層消費能力之內的智能家居為研究對象，探討如何節能降耗無疑是保護環境的最好措施之一。

當前智能家居領域的研究多從工程技術層面或工業產品設計角度出發，而從居民節能降耗需求視角下進行智能家居產品的系統設計的研究較為匱乏。本文研究目的在于將居民節能降耗的需求因素納入智能家居系統設計中，以期推動智能家居的發展由技術驅動向用戶需求驅動轉變，讓智能家居產品走上可持續發展的道路。

1 居民節能降耗的需求視角下智能家居系統的整體設計要求

有節能降耗功能的智能家居系統在系統層面上應該具備檢測、節能控制和遠程控制的功能。首先通過各類傳感器收集家中智能家居的能耗數據，再通過編程和控制器排查出智能家居產品的異樣的能耗，進行合理地調節和控制，以滿足用戶節能降耗的需求。操作層面上能提供對能耗數據的監測與狀態反饋，滿足用戶對智能家居產品方便的節能管理，并通過交互與智能控制，對個性化場景進行自定義與快捷操作。

2 智能家居系統需要的主要產品和技術

2.1 具備信息交換和控制功能的網關

網關是智能家居系統的核心，用于管理和配置其他智能產品，主要實現家庭內部網絡設備和家庭外部互聯網信息的交換和控制。家庭內部的網絡設備信息和外部網絡信息是兩種不同協議下的信息，例如人體感應器是無法直接連到家庭網絡的，需要一個類似于大腦終端，將它們連在一起，網關就是這個作用。網關用Zigbee協議收集到所有設備指令后再統一與家庭路由器（Wi-Fi）連接，這樣用戶就可以隨時查看，控制家里的設備。如果家庭面積比較大，智能設備比較多，可能需要多個網關一起覆蓋。因為網關需要和路由器（Wi-Fi）連接才能實現對其他智能產品的控制，因此安裝網關位置的網絡環境一定不能出現掉線，有時根據需要可以考慮網絡的橋接。隨著網絡技術的不斷發展，家庭網關同時也可以設置防火墻，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，比如空調電視，洗衣機，投影儀等都可以使用家電控制器實現智能控制的功能。智能家居通過有線或者是無線的方式，能耗數據可以進行儲存，并事先設置期望值指標，實際使用過程中，如果出現與期望值指標不一樣的異常數據，用戶可以通過家居產品交互使用界面上的控制功能，形成對各種產品的遠程智能控制和調節，實現節能降耗的功能。

2.3 具備安全防護功能的產品

功能強大的智能家居的安防系統其實是家居的基礎系統，可以應對各種非法入侵、燃氣泄漏、火災等情況，實用性很高，在智能家居產品的配置比例上較高。比如傳統的圖像監控技術，先進的基于重力感應技術和紅外檢測技術的安保系統。家門的安防是家庭安防的第一步，隨著技術的進步，低能耗的可視門鈴和帶攝像頭的智能門鎖大受歡迎。室內的燃氣安防如燃氣傳感器用于監測空氣中是否有煤氣或者有害氣體，當智能燃氣報警器發出聲音時會將聲音傳遞到主人手機上，利用與燃氣傳感器聯動的機械手進行遠程控制關閉燃氣閥門。

3 有節能管理功能的智能家居系統總體設計

有節能管理功能的智能家居系統由檢測系統、智能與節能管理控制系統和遠程控制管理系統三個子系統構成，如圖1所示。檢測系統主要是針對家庭中有害氣體、空氣溫度、濕度、可能引起火災的煙霧等進行實時檢測。網關首先收集各種傳感器的能耗信息，與事先設定的期望值指標進行分析對比，當出現超標現象時，會首先進行本地聲光報警提示，并發送遠程報警信息到遠程監控主機，聯動不同的設備進行自動調節處理，從而實現節能和智能控制等特點。

圖1 自動控制方案

本系統對家庭環境與耗能設備參數的調節控制采用閉環控制系統。系統后臺軟件將連接在同一個路由器（Wi-Fi）下的網關們，統一連接到同一個家庭中，一些不需要網關的設備如掃地機器人，空氣凈化器，也能在這個家庭的界面下進行操作。家庭中各類傳感器、感應器，事先設定期望的環境參數值然后設置成自動調節模式，進行溫度濕度檢測，漏水檢測，天然氣泄漏檢測。家里濕度過低、溫度過高過冷、熱水煤氣泄漏都會發出相應的報警，及時告知用戶，并通過控制系統進行相應的溫度、濕度的調節，達到節能的效果，并使家庭環境舒適度更個性化。

4 展望和不足

由于智能家居系統是一個多學科、多技術綜合應用的系統工程，以及制約因素的存在，本文只對其中部分作了探討和研究，后續仍需繼續修改、研究。比如傳感器的期望值指標需要針對用戶的使用環境反復實驗比較對比才能實現有效的節能智能。無線傳感器在實際應用中，數量較多，節點傳送數據時能量損耗仍然較高，也需要根據用戶的使用習慣進行個性化的設計和數據的融合機制，通過降低節點能耗以延長系統的生命周期，真正具備節能智能功能。