吳軍

由于傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)布線比較復(fù)雜，存在對各個設(shè)備具體的用電能耗情況沒有辦法進行細分等缺陷，本文利用Arduino開源平臺、xbee無線模塊以及物聯(lián)網(wǎng)開放平臺共同構(gòu)建了一種對用電設(shè)備節(jié)點能耗數(shù)據(jù)集中采集以及開關(guān)控制的監(jiān)測系統(tǒng)。通過與外部的以太網(wǎng)模塊實現(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)對各個用電設(shè)備的所有數(shù)據(jù)進行遠程實時檢測，并且還能對各個用電設(shè)備進行遠程開關(guān)控制，通過大量的實驗證明該系統(tǒng)具備通訊距離遠以及運行穩(wěn)定擴展性比較強等優(yōu)點，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;無線通訊;物聯(lián)網(wǎng)

我國經(jīng)濟在高速發(fā)展的同時也帶來了一定的能源消耗、環(huán)境污染等問題，能源消耗和環(huán)境污染等問題的出現(xiàn)嚴重影響了我國居民的生活質(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)境污染等問題的加劇，節(jié)能減排已經(jīng)被納入國家十二五規(guī)劃目標，人們也逐漸提升了對綠色節(jié)能理念的重視程度。目前國家的發(fā)展離不開能源的協(xié)助，隨著國家發(fā)展日益擴大，能源消耗的問題也變得越來越嚴重，國家愈加注重推廣低碳節(jié)能發(fā)展理念，并且已然成為我國各個領(lǐng)域在發(fā)展過程中最主要的要求之一。伴隨著國家智慧能源網(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消耗也變得更加的重要。智能家電監(jiān)測系統(tǒng)的推廣能夠廣大群眾將詳細準確的家電設(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，通過利用互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢建立起一種連接，更加有效的實現(xiàn)對家電的智能控制，并且對所有家電的詳細用電情況進行實時監(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于生活質(zhì)量的要求，在實際生活中，越來越多的科技產(chǎn)品被運用到人們生活中，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，可以有效實現(xiàn)對智能家具的控制以及數(shù)據(jù)采集，智能家居對人們的日常生活以及城市正常運營具有重要的作用。作為新興產(chǎn)業(yè)，智能家居的市場潛力巨大，產(chǎn)業(yè)發(fā)展也較為迅速，隨著人們對節(jié)能環(huán)保理念的重視程度，為了節(jié)省能源消耗，保護生態(tài)平衡，需要不斷對智能家電能耗監(jiān)測。智能家電能耗監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計以及應(yīng)用是不可避免的發(fā)展趨勢，智能家電耗能監(jiān)測系統(tǒng)不僅可以有效環(huán)節(jié)能源消耗、環(huán)境污染等問題，還可以用實現(xiàn)我國智能家電的可持續(xù)發(fā)展。

互聯(lián)網(wǎng)遠程控制技術(shù)應(yīng)用到智能家電中時代發(fā)展的要求，一般在智能家電中采用的是無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無線通訊技術(shù)可以通過距離長短進行劃分，一般WIFI、藍牙、Zigbee等通訊技術(shù)都是一些近距離的無線通訊技術(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)，因為，Zigbee通訊技術(shù)具有低成本、操作簡單、以及能耗較低的優(yōu)勢，而WIFI、藍牙等通信技術(shù)的優(yōu)越性較Zigbee來說就較為簡單。美國DIGI公司研究無線傳輸模塊的時候是以Zigbee為基礎(chǔ)進行設(shè)計，設(shè)計的無線傳輸模塊的名稱是XBee，實踐證明，XBee的傳輸范圍是Zigbee無線傳輸模塊的兩到三倍，XBee無線傳輸模塊包含了Zigbee無線傳輸模塊的優(yōu)點，而且XBee無線傳輸模塊的應(yīng)用效果更顯著，XBee無線傳輸模塊不僅可以有效避免信號盲點，還可以有效檢測智能家電能耗。

本系統(tǒng)的開發(fā)的智能家居無線能耗監(jiān)控系統(tǒng)是包含了Xbee無線傳輸模塊，其中能耗檢測和控制是無線能耗監(jiān)控系統(tǒng)的主要組成部分。通過遠距離的控制方式實現(xiàn)對智能家電能耗數(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)可以實現(xiàn)對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)測遠程開關(guān)模塊相組合共同構(gòu)建成智能家居無線能耗檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件電力與程序開發(fā)主要是通過Arduino開源平臺進行打造，各個模塊通過無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)云平臺進行儲存，使用者在想要獲取能耗實時數(shù)據(jù)時可以通過登錄網(wǎng)頁或者是微信來進行能耗數(shù)據(jù)的獲取，并且用戶也可以經(jīng)過網(wǎng)頁或者微信客戶端來實現(xiàn)智能家電開關(guān)的遠程控制。硬件設(shè)計以Arduino Uno主控板作為各個模塊設(shè)計的核心，Arduino開源平臺采用的是開放源軟硬件平臺有點類似Java的開發(fā)環(huán)境，通過在Arduino主控板上編寫模塊的程序，最后通過擴展板與無線模塊的之間的連接實現(xiàn)無線數(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)測量來自能耗監(jiān)測遠程開關(guān)控制模塊所負責，并且通過開源平臺對繼電器的控制實現(xiàn)對開關(guān)的控制功能。其主要組成結(jié)構(gòu)為Arduino Uno主控板、XbeeproS1無線模塊、Arduino Xbee擴展板、電量能耗監(jiān)測傳感器、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，最大電流達到了100A，最大功率是22kw。它能通過串口進行發(fā)送不同的信號來獲取相應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對電壓、電流、功率以及電量等參數(shù)的監(jiān)測作用。

以太網(wǎng)INTERNET模塊的數(shù)據(jù)信號采集工作時通過xbee協(xié)調(diào)器接收與發(fā)射各個xbee終端中傳感器的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，并且通過以太網(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)庫中，通過Internet模塊來實現(xiàn)實時在線監(jiān)測的功能。

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。通過xbee模塊進行自組網(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)進行更換為API幀格式，多個不同的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，同時各個不同的xbee終端也對服務(wù)云平臺中所有的控制命令傳輸至協(xié)調(diào)器中的指令進行實時監(jiān)聽。為了保障各個模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸工作能夠有序運行，可以充分利用xctu軟件對各個模塊的配置和不同的參數(shù)進行網(wǎng)絡(luò)中不同類型的定義。

由各個無線終端模塊、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)模塊以及開放云平臺三個重要部分共同完成系統(tǒng)軟件的設(shè)計工作，能夠有效實現(xiàn)各個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，針對能耗監(jiān)測遠程開關(guān)控制模塊進行相關(guān)的設(shè)計。將通訊器各個端口插入各個控制模塊與傳感器，從相應(yīng)程序中對各個電器進行控制，通過模塊的數(shù)據(jù)接收與傳送工作，利用以太網(wǎng)模塊對網(wǎng)絡(luò)地址進行配置，然后通過云平臺通訊模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳工作，達到電器的遠程控制與監(jiān)測目的。

物聯(lián)網(wǎng)開放平臺為用戶提供傳感器云端儲存服務(wù)，用戶通過傳感器標識、以太網(wǎng)模塊共同作用下實現(xiàn)對應(yīng)標識的數(shù)據(jù)上傳功能，最終實現(xiàn)傳感器對使用數(shù)據(jù)進行實時采集的功能。同時用戶在使用的過程中可以對命令進行自定義設(shè)置，并且通過云平臺傳送給以太網(wǎng)模塊，最后通過無線終端對控制命令進行遠程執(zhí)行控制。

用戶在使用的過程中可以通過液晶顯示屏、物聯(lián)網(wǎng)平臺的管理頁面、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，實現(xiàn)對所有信息進行實時查看的目的。并且用戶在使用的過程中可以通過網(wǎng)頁或者微信客戶端對所有的電器進行遠程控制功能。經(jīng)過長時間的實驗驗證，智能家居能耗監(jiān)控系統(tǒng)各個模塊工作狀態(tài)正常，并且設(shè)備具有長時間穩(wěn)定工作的特點，尚未出現(xiàn)無數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)丟失的情況發(fā)生。實驗證明無線模塊在室內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸時具備穿透性強、傳輸距離遠等特點，并且通過移動終端能夠有效實現(xiàn)對傳感器采集數(shù)據(jù)的讀取功能，能夠?qū)λ械碾娖鬟M行遠程控制的效果，并且該系統(tǒng)能夠進行多個模塊之間的共同工作以及數(shù)據(jù)傳輸功能，具備優(yōu)良的可擴展性。

家庭中電氣設(shè)備能耗監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)工作，可以有效的為廣大家庭中各個用電設(shè)備的能耗使用起到監(jiān)測的作用，并且能夠向所有數(shù)據(jù)信息隨時展現(xiàn)在用戶面前，通過對所有用電設(shè)備的用電量監(jiān)測功能，提醒居民用電情況，對不必要的用電消耗進行實時提醒，促進能源節(jié)約的同時，提升資源合理的利用。本系統(tǒng)以Arduino主控板作為設(shè)計的核心部分，通過無線傳感器、各個功能模塊以及互聯(lián)網(wǎng)平臺功能共同組建了實現(xiàn)對家居進行無線監(jiān)控的系統(tǒng)，能夠完成對家居能耗數(shù)據(jù)進行實時的采集與上傳，并且能夠通過移動終端進行遠程控制。長時間實驗證明該系統(tǒng)因為是通過模塊實現(xiàn)交互作用極大減少了對家居環(huán)境的影響，并且能夠有效實現(xiàn)各個數(shù)據(jù)的采集功能，實現(xiàn)了對智能家居實時監(jiān)測與遠程控制的功能，具備良好的使用價值及推廣價值。

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