智能家居用电能耗管控系统研究与设计

本文研究并设计了一类智能家居用电能耗管控系统，该系统本着提高家居生活的便利性、安全性、舒适性的原则，综合运用嵌入式系统开发技术、数据库技术、B/S/S架构的Web服务器技术、ZigBee技术、3D技术和自动控制等技术，实现对家居用电的智能管控。本文所设计的系统主要包含对智能插座的设计、电表的改进、Zigbee通信网络的设计与铺设、上位机系统的设计几部分。本文提出并设计的智能家居用电能耗管控系统能够对家居用电实现有效地管控，能够实时对家庭内各用电设备的运行情况进行全面地监控，并能够在用电设备发生故障时，对故障做出相应的应急处理并将故障信息及时地反馈给住户。同时该系统允许用户通过家庭主机及任意接入Internet的终端设备，对家庭用电设备进行远程控制。

在过去几十年，人类的科学技术有了迅猛的发展，先进的通信技术、自动化技术、物联网技术和控制技术不断地渗透到人们的日常生活中的各个领域。随着时代的进步，人们在有所居的条件下，已经开始追求居住环境的信息化、智能化，希望能够拥有一个绿色、舒适、高效、可控的家居环境，因而智能家居系统已成为当今嵌入式系统的研究热点[1] [2] [3] [4]。随着技术的发展，智能家居系统也有许多不同的设计方案。文献[1]基于ZigBee 无线通信技术设计了一类基于ZigBee 的智能家居系统，明光照、李鸥等人在其文献[2]中将无线传感器网络(WSN)和电力线通信(PLC)用于实现智能家庭控制网络，文献[4]结合物联网设计了基于ZigBee 的智能家居系统和电力线载波通信技术。

自智能家居的概念被提出以来，智能家居的用电能耗管控系统也逐渐成为人们关注和研究的焦点。

尤其是最近几年，随着各种智能家电进入家庭，电作为一种与人们日常生活息息相关的产品，对其的有效管控，更是成为了一个困扰人们的难题。针对智能家居用电能耗管控问题，也进行了大量的研究并提出了各种方案[5] [6] [7] [8]。文献[5] [6]基于IEEE 802.15.4 和ZigBee 技术设计了一类能耗管控系统，文献[9]开发了一个多目标混合整数非线性规划模型，用于智能家居中的最佳能源使用，谷全琦教授在文献[10]对硬件与通信设计，传感技术和机器学习算法的应用提出了一种智能家居能量管理系统(SHEMS)。

在智能家居能耗管控系统设计中，对于电器能耗信息采集方式也有不同的方案，其中就包含对于智能插座的设计。文献[11] [12] [13]分别设计了几类智能插座， 通过智能插座监控家中所有电器的信息并将其收集到后台服务器数据库中，并根据数据控制电器设备开/关时间以达到节约能耗的目的。然而，上述的这些能耗管控系统以及智能插座设计方案存在功能都不够全面，在人机交互界面设计上不够友好，使用不够方便以及成本较高等问题。

本文针对之前的这些问题，提出设计了一类智能家居用电能耗管控系统。该系统能够对家庭用电设备的运行状况进行实时的监控；能够在用电设备或线路故障时，起到有效的保护作用；能够通过适当的控制算法，实现节约用电的目的。本系统通过对智能插座的设计解决了通过Zigbee 终端节点实现对各模