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摘 要：能源枯竭与人们对能源需求日益增加已经成为一对矛盾体。如何运用现代先进的科技手段，兼顾生活便利与舒适，提供绿色节能的智慧生活方式，已经是现在的研究热门。本研究引入当今最热门的物联网概念，将家里的冰箱、空调、照明等电器彼此互连，通过网关将异质网络进行整合，使之成为一个平台，平台中的家电可以进行互动。利用这个互动家电平台，制定节能方案，将各种家电用电方案进行整合，达到最佳的用电调配，实现节能效果。本研究规划五个家电互动节能方案：智能手机与家电互动方案；家电用电优先顺序排程方案；空调设备互动节能方案；照明设备互动节能方案；家电云端互动节能方案。
关键词：物联网；无线传感技术；节能方案
中图分类号：TP315文献标识码：A 文章编号：0000-0129/K（2017）01-0015-06
1 前言
家用电器给我们的生活带来了极大的方便，生活中越来越离不开各种电器，随着家庭用电设备增多，很多人在看到每个月的电费账单时都会感到“心疼”。由于我国地域广阔，各地在用电上也存在差较大差异。以福建省为例，家庭用电量有以下特点：夏季，空调约占41%，照明约占18%，其他家电约占41%；非夏季时段，空调约占6%，照明约占35%，其他家电约占59%。在各种家电中，空调年平均耗电1320度，冰箱864度，照明138度，电视机288度。以福建省电费计算方法，采用阶梯电价，即一档0-230度，0.4983元/度；二档231-420度，0.5483元/度；三档421度以上，0.7983元/度。如果在晚上22点至次日凌晨8点用电较多，还可以申请“峰谷分时电价”，“峰谷分时电价”是指根据用电高峰期和用电低谷期不同时段执行不同的电价。高峰时段（当日8：00-22：00）每度电加价0.03元，低谷时段（22：00-次日8：00）每度电降低0.2元。我国的发电以火力和水力为主。在能源日益减少的今天，人们的环境意识逐渐增强，而火力发电是一种浪费能源污染环境的发电方式，目前还没有办法完全以其他清洁环保的发电方式代替火力发电。如果能够减少用电量，就可以减少能源浪费和二氧化碳的排放量。即可以节约金钱，又为节能环保贡献了力量。
很多人认为，节约用电，只要能够做到随手关掉不用的电器就可以了。但事实上，能做到这点的人少之又少。比如大家都喜欢把手机充电器插在排插上，经测试大约14个月耗电1度，这样看来似乎并不多。现在假设全国有10亿部手机，其中80%不拔下来，那一年耗电约7亿度。1度电对于一个家庭来说可能微乎其微，但全国累加起来就是一个极其庞大的耗电量。因此，利用现代化的科技手段，在保证人們生活的舒适性和便利性的同时，如果能将家里的电灯、空调、洗衣机等电器组成一个可以彼此互动的网络，做到最佳的用电调配，同时满足舒适和节能，将是一个非常有用的研究。
要让家电能够彼此互动，实现最佳用电调配，就需要将家里的各种用电设备互相连线形成一个可以互通的网络。目前最流行的物联网概念可以解决这个问题。物联网（IOT-Internet of things），使用各种传感器，通过模拟人的听觉、视觉、触觉、味觉、嗅觉，对我们生活的世界进行全面感知，将所有物品通过网络连接起来，提供智慧化的管理。在未来，物联网将会无处不在，将物联网概念应用到家庭中，智慧家庭将成为智慧地球非常重要的一个组成部分，未来发展空间无限广阔。
将家电互连并连到Internet上，可以采用的方法有Ethernet、Wi-Fi或ZigBee网络。采用Ethernet方式连接，需要布线，家里的用电设备多，目前在家庭装修中，都没有考虑到这方面的布线，因此要额外增加线路，使用不便且影响美观。Wi-Fi或ZigBee网络都采用无线方式，多点配置容易，很多家庭本身就有Wi-Fi网络，Wi-Fi网络比ZigBee网络更加普及。因此，使用Wi-Fi网络是一个理想的选择。在控制界面上，使用智能手机替代PC机进行控制，也更加灵活方便。将智能手机与家电结合在一起，也是目前热门的研究方向。蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy，BLE）是最近推出的蓝牙4.0技术，为智能手机与其他装置的互联提供了极大的方便。若要实现家电都能连接到网络上，如何将不同的网络和通讯协定整合在一起将是一个关键性问题。将物联网概念引入到智能家庭中，要面临两个方面的挑战，一是通讯界面与通讯协定的整合，二是家电网络如何实现预想的功能，真正将绿色节能与智能便利的生活方式带给人们。
2 智慧家电节能控制设计
将家里构建一个互连的网络，为我们提供便利的生活的同时，通过设计每种家电的节能方案，实现绿色节能的目标。在家电节能方案规划中包括智能手机、云端控制、空调和照明的调配等方面的设计。
2.1 研究架构
本项目使用嵌入式芯片、蓝牙技术、Wi-Fi、ZigBee、智能手机、环境感知传感器、智能电表等技术，将家电相互连接在一起，形成一个可以彼此互动的网络，在智能手机端使用Wi-Fi可以远程控制家电，通过智能电表统计家电的耗电情况，以此数据作为各种家电使用排程的参考依据。在PC端搭建私有云，显示家电使用和耗电情况，PC端数据也可以通过智能手机查看和管理。
灯光是家电中较多的部分，使ZigBee网络整合在一起，空调、电视机等通过外挂蓝牙模块，一方面与灯光等其他设备通过网关互联，另一方面也可以单独与智能手机互动。
2.2 智能手机设定
在家电的开关内嵌入蓝牙/Wi-Fi模块，智能手机可以直接开关用电设备，以取代目前的红外遥控器的功能。在手机端，可以记录和显示家电使用情况，用户可以通过智能手机随时访问PC监控端家电的用电情况并采取适当的节能方案。
2.3 使用排程方案规划用电时间
按照福建省的电费标准，采用阶梯电价或峰谷电价。根据自己家的用电情况，可以考虑采用哪种方案。空调是家庭用电最大的消耗，一般家庭都是在晚上21点到次日8点这段时间使用空调，那么就可以采用峰谷电价，将大部分的用电器在低谷时（22：00-次日8：00）时使用，如将洗衣机预约在此时段工作。这样就可以节省时间和电费；或是在高峰时适当关闭某些不必要的电器的运行，以达到节能的目标。 根据表1的统计情况，将家电分为三类，空调类包括冷气机、风扇、除湿机、电暖气；照明类包括日光灯组和台灯；插座型家电包括烤箱、吹风机、电视音响、冰箱、热水器、饮水机、电饭锅、洗衣机。
根据表2和表3统计的电价数据，可以作为排程与关闭某些家电的依据。
2.4 空调类设备节能方案
一般家庭都有一台以上的空调，空调温度设定高低会直接影响耗电量。在调温时，一般以人的感觉为主要依据，但是距空调的距离会影响人体感觉。在使用空调时，如果搭配使用风扇，有利于冷风的流动，可以使室内各个角落温度基本一致。使用温度传感器在满足舒适度的情况下计算机出最佳的空调温度与风扇转速。当人少且分布分散时，可以调高空调温度调低风扇转速，如果人比较密集，可以降低空调温度，提高风扇转速。
2.5 照明类设备节能方案
室内的照明可以采用主光源与分散光源组合的方式，针对不同区域的不同的照明需求，人多集中时使用主光源并调高亮度，人少且分散分布时，降低主光源亮度，分散光源辅助照明，可以达到节电的目标。
2.6 云端控制方案
家电网络可以通过网关连接到PC端的服务器上，使用VB制作监控界面，在远程可以以网页的方式浏览PC端的数据，以便随时调整节能方案，以实现节能效果。
3 智慧家电节能方案的实现
本系统分为手机端和云端的设计两部分。家电的用电情况都可以直接传到云端，也可以通过云端查看和变更节能方案。手机端可以直接开关和监控家电使用情况。
3.1 云端的设计
在一台个人电脑上，架设Apache Server作为云端服务器，使用VB2010设计一款监控程序，监控界面显示各种家电的用电情况以及各种传感器回传的数据，根据这些数据决定采用何种节能方案，并将不必要的设备停止使用。当监控器显示超过额定值时，可以优先卸载非必要的用电设备。
3.2 智能手机端设计
智能手机端使用App Inventor作为开发工具。App Inventor是谷歌的一款Android开发程序，使用搭积木的编程方式，简单易学，非常适用于帮助非专业人士实现硬件设备与手机的互动。
手机可以使用App与家电互动，直接开关用电设备或调节用电器状态。手机也可以远程访问云端查看电器使用情况，以便随时调整节能方案。
4 节能方案效果测试
4.1 插座型家电使用测试
家电使用EA-100电表连入家电网络，在PC端进行监控。通过网关，将USB插口转为COM连接到EA-100电表，根据通信协议的规定指令，在PC端下达指令来监控EA-100电表的使用情况，依次开关电源以测试耗电情况。
4.2 空调、照明装置通讯测试
空调设备使用蓝牙/Wi-Fi外挂模块与PC相连，并通过网关与PC监控端相连，通过实验测试空调温度与风扇转速的配合来使房间达到最佳节能效果，并回传到PC监控端。照明装置的测试包括對光源与分散光源的配合使用。通过网关将ZigBee网络连接到PC监控端，并回传耗电情况。
4.3 节能方案的效果测试
节能方案的制定要根据每种家电的使用情况和实际耗电情况，合理安排其使用时间，根据家电的额定耗电量的情况分析，将节能方案规划如表4。
4.3.1 排程方案效果测试
通过表4的节能方案，当用电量超过额定耗电量时，可以优先卸载掉非必要的电器。如果采用离峰方式，可以将洗衣机、饭锅等的使用时间定时在早8点之前。
4.3.2 空调设备互动效果测试
通过表4可知，空调的耗电量比风扇的耗电量多很多，空调存在出风口外温度较低，而较远的地方温度较高的问题，因此，可以通过空调配合使用风扇来增加空气的流动，使室内各个角落温度均衡。通过实验，测试出最佳空调温度与风扇转速的搭配，达到节能与舒适兼顾的目的。
4.3.3 照明互动节能方案
照明设备采用主光源与分散光源配合，主光源使用可调变灯，可以调节亮度，通过回传给监控端的参数可以达到一个光线充足并且节能的方案。
4.3.4 云端节能方案
在PC端搭建私有云，设计电器使用情况界面，将各电器的使用情况回传到云端，而云端根据回传回的数据使用合适的排程方案，可以达到节能的目标。如果使用者超过家庭范围，也可以通过手机网页浏览的方式查看PC端的电器使用情况。
5 总结
本项目将各种家电连接在一起形成一个物联网平台，通过网关将异质网络进行整合，监控端使用PC搭建私有云，将家电设备的耗电情况传给云端，为达到舒适生活与节能共存的目标，为空调、照明设备制定节能方案，在云端制定排程方案，使各种电器在节能的前提下得到合理使用。根据这些设定，在实验室条件下评估节能效果，实现了预期目标，为人们提供了一个舒适、便利、节能的生活环境。
物联网的应用领域涵盖了世界的方方面面。随着人们节能环保意识的逐渐加强和对生活品质的不断追求，将物联网概念运用在智能家庭上将是未来的发展趋势。而各家电生产企业也可以大力发展智能家居产品，未来商机无限。
参考文献：
[1]张福生.物联网开启全新生活的智能时代[M].太原：山西人民出版社，2010.
[2]A. Zualkernan， A. R. Al-Ali， M. A. Jabber，et al.InfoPods： ZigBee-based remote information monitoring devices for smart-homes[J].IEEE Trans. Consumer Electronics， 2009，55（3）：1221-1226.
[3]J. E. Kim， G. Boulos， J. Yackovich and T. Barth， “Seamless Integration of Heterogeneous Devices and Access Control in Smart Homes，” in Proc. 8th International Conference on Intelligent Environments （IE 2012）， pp. 206-213， June 2012.
[4]Minal S. Khandare.Anjali MahajanMobile （2010） Monitoring System for Smart Home[J].Emerging Trends in Engineering and Technology （ICETET）， 2010：848-852.
[5]福建省物价局.关于调整居民生活用电阶梯分档电量有关问题的通知（闽价商〔2016〕298号）[Z/OL].（2016-10-26）[2017-5-20].http：//www.fjjg.gov.cn/fjwjj/zwxxgk/zwgkznjml/jgsfgl/spjggl/webinfo/2016/10/1476945431665062.htm.
关键词：物联网；无线传感技术；节能方案
中图分类号：TP315文献标识码：A 文章编号：0000-0129/K（2017）01-0015-06
1 前言
家用电器给我们的生活带来了极大的方便，生活中越来越离不开各种电器，随着家庭用电设备增多，很多人在看到每个月的电费账单时都会感到“心疼”。由于我国地域广阔，各地在用电上也存在差较大差异。以福建省为例，家庭用电量有以下特点：夏季，空调约占41%，照明约占18%，其他家电约占41%；非夏季时段，空调约占6%，照明约占35%，其他家电约占59%。在各种家电中，空调年平均耗电1320度，冰箱864度，照明138度，电视机288度。以福建省电费计算方法，采用阶梯电价，即一档0-230度，0.4983元/度；二档231-420度，0.5483元/度；三档421度以上，0.7983元/度。如果在晚上22点至次日凌晨8点用电较多，还可以申请“峰谷分时电价”，“峰谷分时电价”是指根据用电高峰期和用电低谷期不同时段执行不同的电价。高峰时段（当日8：00-22：00）每度电加价0.03元，低谷时段（22：00-次日8：00）每度电降低0.2元。我国的发电以火力和水力为主。在能源日益减少的今天，人们的环境意识逐渐增强，而火力发电是一种浪费能源污染环境的发电方式，目前还没有办法完全以其他清洁环保的发电方式代替火力发电。如果能够减少用电量，就可以减少能源浪费和二氧化碳的排放量。即可以节约金钱，又为节能环保贡献了力量。
很多人认为，节约用电，只要能够做到随手关掉不用的电器就可以了。但事实上，能做到这点的人少之又少。比如大家都喜欢把手机充电器插在排插上，经测试大约14个月耗电1度，这样看来似乎并不多。现在假设全国有10亿部手机，其中80%不拔下来，那一年耗电约7亿度。1度电对于一个家庭来说可能微乎其微，但全国累加起来就是一个极其庞大的耗电量。因此，利用现代化的科技手段，在保证人們生活的舒适性和便利性的同时，如果能将家里的电灯、空调、洗衣机等电器组成一个可以彼此互动的网络，做到最佳的用电调配，同时满足舒适和节能，将是一个非常有用的研究。
要让家电能够彼此互动，实现最佳用电调配，就需要将家里的各种用电设备互相连线形成一个可以互通的网络。目前最流行的物联网概念可以解决这个问题。物联网（IOT-Internet of things），使用各种传感器，通过模拟人的听觉、视觉、触觉、味觉、嗅觉，对我们生活的世界进行全面感知，将所有物品通过网络连接起来，提供智慧化的管理。在未来，物联网将会无处不在，将物联网概念应用到家庭中，智慧家庭将成为智慧地球非常重要的一个组成部分，未来发展空间无限广阔。
将家电互连并连到Internet上，可以采用的方法有Ethernet、Wi-Fi或ZigBee网络。采用Ethernet方式连接，需要布线，家里的用电设备多，目前在家庭装修中，都没有考虑到这方面的布线，因此要额外增加线路，使用不便且影响美观。Wi-Fi或ZigBee网络都采用无线方式，多点配置容易，很多家庭本身就有Wi-Fi网络，Wi-Fi网络比ZigBee网络更加普及。因此，使用Wi-Fi网络是一个理想的选择。在控制界面上，使用智能手机替代PC机进行控制，也更加灵活方便。将智能手机与家电结合在一起，也是目前热门的研究方向。蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy，BLE）是最近推出的蓝牙4.0技术，为智能手机与其他装置的互联提供了极大的方便。若要实现家电都能连接到网络上，如何将不同的网络和通讯协定整合在一起将是一个关键性问题。将物联网概念引入到智能家庭中，要面临两个方面的挑战，一是通讯界面与通讯协定的整合，二是家电网络如何实现预想的功能，真正将绿色节能与智能便利的生活方式带给人们。
2 智慧家电节能控制设计
将家里构建一个互连的网络，为我们提供便利的生活的同时，通过设计每种家电的节能方案，实现绿色节能的目标。在家电节能方案规划中包括智能手机、云端控制、空调和照明的调配等方面的设计。
2.1 研究架构
本项目使用嵌入式芯片、蓝牙技术、Wi-Fi、ZigBee、智能手机、环境感知传感器、智能电表等技术，将家电相互连接在一起，形成一个可以彼此互动的网络，在智能手机端使用Wi-Fi可以远程控制家电，通过智能电表统计家电的耗电情况，以此数据作为各种家电使用排程的参考依据。在PC端搭建私有云，显示家电使用和耗电情况，PC端数据也可以通过智能手机查看和管理。
灯光是家电中较多的部分，使ZigBee网络整合在一起，空调、电视机等通过外挂蓝牙模块，一方面与灯光等其他设备通过网关互联，另一方面也可以单独与智能手机互动。
2.2 智能手机设定
在家电的开关内嵌入蓝牙/Wi-Fi模块，智能手机可以直接开关用电设备，以取代目前的红外遥控器的功能。在手机端，可以记录和显示家电使用情况，用户可以通过智能手机随时访问PC监控端家电的用电情况并采取适当的节能方案。
2.3 使用排程方案规划用电时间
按照福建省的电费标准，采用阶梯电价或峰谷电价。根据自己家的用电情况，可以考虑采用哪种方案。空调是家庭用电最大的消耗，一般家庭都是在晚上21点到次日8点这段时间使用空调，那么就可以采用峰谷电价，将大部分的用电器在低谷时（22：00-次日8：00）时使用，如将洗衣机预约在此时段工作。这样就可以节省时间和电费；或是在高峰时适当关闭某些不必要的电器的运行，以达到节能的目标。 根据表1的统计情况，将家电分为三类，空调类包括冷气机、风扇、除湿机、电暖气；照明类包括日光灯组和台灯；插座型家电包括烤箱、吹风机、电视音响、冰箱、热水器、饮水机、电饭锅、洗衣机。
根据表2和表3统计的电价数据，可以作为排程与关闭某些家电的依据。
2.4 空调类设备节能方案
一般家庭都有一台以上的空调，空调温度设定高低会直接影响耗电量。在调温时，一般以人的感觉为主要依据，但是距空调的距离会影响人体感觉。在使用空调时，如果搭配使用风扇，有利于冷风的流动，可以使室内各个角落温度基本一致。使用温度传感器在满足舒适度的情况下计算机出最佳的空调温度与风扇转速。当人少且分布分散时，可以调高空调温度调低风扇转速，如果人比较密集，可以降低空调温度，提高风扇转速。
2.5 照明类设备节能方案
室内的照明可以采用主光源与分散光源组合的方式，针对不同区域的不同的照明需求，人多集中时使用主光源并调高亮度，人少且分散分布时，降低主光源亮度，分散光源辅助照明，可以达到节电的目标。
2.6 云端控制方案
家电网络可以通过网关连接到PC端的服务器上，使用VB制作监控界面，在远程可以以网页的方式浏览PC端的数据，以便随时调整节能方案，以实现节能效果。
3 智慧家电节能方案的实现
本系统分为手机端和云端的设计两部分。家电的用电情况都可以直接传到云端，也可以通过云端查看和变更节能方案。手机端可以直接开关和监控家电使用情况。
3.1 云端的设计
在一台个人电脑上，架设Apache Server作为云端服务器，使用VB2010设计一款监控程序，监控界面显示各种家电的用电情况以及各种传感器回传的数据，根据这些数据决定采用何种节能方案，并将不必要的设备停止使用。当监控器显示超过额定值时，可以优先卸载非必要的用电设备。
3.2 智能手机端设计
智能手机端使用App Inventor作为开发工具。App Inventor是谷歌的一款Android开发程序，使用搭积木的编程方式，简单易学，非常适用于帮助非专业人士实现硬件设备与手机的互动。
手机可以使用App与家电互动，直接开关用电设备或调节用电器状态。手机也可以远程访问云端查看电器使用情况，以便随时调整节能方案。
4 节能方案效果测试
4.1 插座型家电使用测试
家电使用EA-100电表连入家电网络，在PC端进行监控。通过网关，将USB插口转为COM连接到EA-100电表，根据通信协议的规定指令，在PC端下达指令来监控EA-100电表的使用情况，依次开关电源以测试耗电情况。
4.2 空调、照明装置通讯测试
空调设备使用蓝牙/Wi-Fi外挂模块与PC相连，并通过网关与PC监控端相连，通过实验测试空调温度与风扇转速的配合来使房间达到最佳节能效果，并回传到PC监控端。照明装置的测试包括對光源与分散光源的配合使用。通过网关将ZigBee网络连接到PC监控端，并回传耗电情况。
4.3 节能方案的效果测试
节能方案的制定要根据每种家电的使用情况和实际耗电情况，合理安排其使用时间，根据家电的额定耗电量的情况分析，将节能方案规划如表4。
4.3.1 排程方案效果测试
通过表4的节能方案，当用电量超过额定耗电量时，可以优先卸载掉非必要的电器。如果采用离峰方式，可以将洗衣机、饭锅等的使用时间定时在早8点之前。
4.3.2 空调设备互动效果测试
通过表4可知，空调的耗电量比风扇的耗电量多很多，空调存在出风口外温度较低，而较远的地方温度较高的问题，因此，可以通过空调配合使用风扇来增加空气的流动，使室内各个角落温度均衡。通过实验，测试出最佳空调温度与风扇转速的搭配，达到节能与舒适兼顾的目的。
4.3.3 照明互动节能方案
照明设备采用主光源与分散光源配合，主光源使用可调变灯，可以调节亮度，通过回传给监控端的参数可以达到一个光线充足并且节能的方案。
4.3.4 云端节能方案
在PC端搭建私有云，设计电器使用情况界面，将各电器的使用情况回传到云端，而云端根据回传回的数据使用合适的排程方案，可以达到节能的目标。如果使用者超过家庭范围，也可以通过手机网页浏览的方式查看PC端的电器使用情况。
5 总结
本项目将各种家电连接在一起形成一个物联网平台，通过网关将异质网络进行整合，监控端使用PC搭建私有云，将家电设备的耗电情况传给云端，为达到舒适生活与节能共存的目标，为空调、照明设备制定节能方案，在云端制定排程方案，使各种电器在节能的前提下得到合理使用。根据这些设定，在实验室条件下评估节能效果，实现了预期目标，为人们提供了一个舒适、便利、节能的生活环境。
物联网的应用领域涵盖了世界的方方面面。随着人们节能环保意识的逐渐加强和对生活品质的不断追求，将物联网概念运用在智能家庭上将是未来的发展趋势。而各家电生产企业也可以大力发展智能家居产品，未来商机无限。
参考文献：
[1]张福生.物联网开启全新生活的智能时代[M].太原：山西人民出版社，2010.
[2]A. Zualkernan， A. R. Al-Ali， M. A. Jabber，et al.InfoPods： ZigBee-based remote information monitoring devices for smart-homes[J].IEEE Trans. Consumer Electronics， 2009，55（3）：1221-1226.
[3]J. E. Kim， G. Boulos， J. Yackovich and T. Barth， “Seamless Integration of Heterogeneous Devices and Access Control in Smart Homes，” in Proc. 8th International Conference on Intelligent Environments （IE 2012）， pp. 206-213， June 2012.
[4]Minal S. Khandare.Anjali MahajanMobile （2010） Monitoring System for Smart Home[J].Emerging Trends in Engineering and Technology （ICETET）， 2010：848-852.
[5]福建省物价局.关于调整居民生活用电阶梯分档电量有关问题的通知（闽价商〔2016〕298号）[Z/OL].（2016-10-26）[2017-5-20].http：//www.fjjg.gov.cn/fjwjj/zwxxgk/zwgkznjml/jgsfgl/spjggl/webinfo/2016/10/1476945431665062.htm.