智能家电能耗监测系统的设计与实现分析

吴军

由于传统的智能家居系统布线比较复杂，存在对各个设备具体的用电能耗情况没有办法进行细分等缺陷，本文利用Arduino开源平台、xbee无线模块以及物联网开放平台共同构建了一种对用电设备节点能耗数据集中采集以及开关控制的监测系统。通过与外部的以太网模块实现互联网数据的传输与监控功能，该系统可以借助互联网技术对各个用电设备的所有数据进行远程实时检测，并且还能对各个用电设备进行远程开关控制，通过大量的实验证明该系统具备通讯距离远以及运行稳定扩展性比较强等优点，为智能家居能耗的合理利用提供了更为有效的帮助。

关键词：Arduino主控板;Xbee模块;无线通讯;物联网

我国经济在高速发展的同时也带来了一定的能源消耗、环境污染等问题，能源消耗和环境污染等问题的出现严重影响了我国居民的生活质量和生活品质，而且环境污染、能源消耗等问题的产生是不可逆转的，随着能源消耗、环境污染等问题的加剧，节能减排已经被纳入国家十二五规划目标，人们也逐渐提升了对绿色节能理念的重视程度。目前國家的发展离不开能源的协助，随着国家发展日益扩大，能源消耗的问题也变得越来越严重，国家愈加注重推广低碳节能发展理念，并且已然成为我国各个领域在发展过程中最主要的要求之一。伴随着国家智慧能源网逐渐的建设与推广，综合用电需求以及管理的重要性逐渐的更加明显，人民家居中各个家庭电器的用电消耗情况也逐渐受到广大群众的关注，家庭电器中的电能详细消耗也变得更加的重要。智能家电监测系统的推广能够广大群众将详细准确的家电设备用电详情展现在眼前，并且用户可以随时得知用电信息。比如家庭中各种智能终端设备智能空调、智能电饭煲、智能电视等相关产品，通过利用互联网的优势建立起一种连接，更加有效的实现对家电的智能控制，并且对所有家电的详细用电情况进行实时监控。

随着科技水平的提升，人们的生活水平和生活质量也有了新的要求，其中电子产品也很好地满足了人们对于生活质量的要求，在实际生活中，越来越多的科技产品被运用到人们生活中，涉及人们生活的方方面面，尤其是一些智能家居的应用。智能家居的应用可以很好的满足人们的生活品质和生活质量的要求，将电子技术、网络技术以及控制技术应用到智能家居中，可以有效实现对智能家具的控制以及数据采集，智能家居对人们的日常生活以及城市正常运营具有重要的作用。作为新兴产业，智能家居的市场潜力巨大，产业发展也较为迅速，随着人们对节能环保理念的重视程度，为了节省能源消耗，保护生态平衡，需要不断对智能家电能耗监测。智能家电能耗监测系统的设计以及应用是不可避免的发展趋势，智能家电耗能监测系统不仅可以有效环节能源消耗、环境污染等问题，还可以用实现我国智能家电的可持续发展。

互联网远程控制技术应用到智能家电中时代发展的要求，一般在智能家电中采用的是无线传感网络技术，无线通讯技术可以通过距离长短进行划分，一般WIFI、蓝牙、Zigbee等通讯技术都是一些近距离的无线通讯技术，而在这些近距离通讯技术中应用最为广泛的就是Zigbee通讯技术，因为，Zigbee通讯技术具有低成本、操作简单、以及能耗较低的优势，而WIFI、蓝牙等通信技术的优越性较Zigbee来说就较为简单。美国DIGI公司研究无线传输模块的时候是以Zigbee为基础进行设计，设计的无线传输模块的名称是XBee，实践证明，XBee的传输范围是Zigbee无线传输模块的两到三倍，XBee无线传输模块包含了Zigbee无线传输模块的优点，而且XBee无线传输模块的应用效果更显著，XBee无线传输模块不仅可以有效避免信号盲点，还可以有效检测智能家电能耗。

本系统的开发的智能家居无线能耗监控系统是包含了Xbee无线传输模块，其中能耗检测和控制是无线能耗监控系统的主要组成部分。通过远距离的控制方式实现对智能家电能耗数据的采集，根据采集数据控制能源消耗;利用互联网技术可以实现对各种智能家电的控制，比如，照明设备、空调系统、热水器等。

以太网数据交互模块与能耗监测远程开关模块相组合共同构建成智能家居无线能耗检测系统，系统的硬件电力与程序开发主要是通过Arduino开源平台进行打造，各个模块通过无线通讯模块在局域网内自行组网以及数据互相交互，最后在协调器终端通过以太网模块将采集到的所有信息数据传输至互联网云平台进行储存，使用者在想要获取能耗实时数据时可以通过登录网页或者是微信来进行能耗数据的获取，并且用户也可以经过网页或者微信客户端来实现智能家电开关的远程控制。硬件设计以Arduino Uno主控板作为各个模块设计的核心，Arduino开源平台采用的是开放源软硬件平台有点类似Java的开发环境，通过在Arduino主控板上编写模块的程序，最后通过扩展板与无线模块的之间的连接实现无线数据交互的作用。

开关的电压、电流、功率等相关数据测量来自能耗监测远程开关控制模块所负责，并且通过开源平台对继电器的控制实现对开关的控制功能。其主要组成结构为Arduino Uno主控板、XbeeproS1无线模块、Arduino Xbee扩展板、电量能耗监测传感器、光耦继电器以及带iic接口的能耗传感器共同构建而成。该控制模块的工作电压在80-260v，最大电流达到了100A，最大功率是22kw。它能通过串口进行发送不同的信号来获取相应的参数数据，实现对电压、电流、功率以及电量等参数的监测作用。

以太网INTERNET模块的数据信号采集工作时通过xbee协调器接收与发射各个xbee终端中传感器的数据来实现的，并且通过以太网w5100模块将所有信息转发射至云服务器的数据库中，通过Internet模块来实现实时在线监测的功能。

Zigbee网络中包含协调器、路由器、终端三种不同类型的节点。通过xbee模块进行自组网，利用api模式通讯的功能将发送或者接收的所有数据进行更换为API帧格式，多个不同的xbee终端利用固定的数据帧将所有的传感器采集的数据发送给路由器或者协调器，最后通过以太网将所有的数据信息传输至互联网云平台，同时各个不同的xbee终端也对服务云平台中所有的控制命令传输至协调器中的指令进行实时监听。为了保障各个模块之间的数据传输工作能够有序运行，可以充分利用xctu软件对各个模块的配置和不同的参数进行网络中不同类型的定义。

由各个无线终端模块、以太网数据模块以及开放云平台三个重要部分共同完成系统软件的设计工作，能够有效实现各个不同耗能模块传感器数据采集、数据交互、数据储存以及控制命令的发送的功能。

终端模块程序的主要工作为读取各个传感器所传送的数据、xbee发送与传输的数据以及屏幕显示等功能，针对能耗监测远程开关控制模块进行相关的设计。将通讯器各个端口插入各个控制模块与传感器，从相应程序中对各个电器进行控制，通过模块的数据接收与传送工作，利用以太网模块对网络地址进行配置，然后通过云平台通讯模块实现数据上传工作，达到电器的远程控制与监测目的。

物联网开放平台为用户提供传感器云端储存服务，用户通过传感器标识、以太网模块共同作用下实现对应标识的数据上传功能，最终实现传感器对使用数据进行实时采集的功能。同时用户在使用的过程中可以对命令进行自定义设置，并且通过云平台传送给以太网模块，最后通过无线终端对控制命令进行远程执行控制。

用户在使用的过程中可以通过液晶显示屏、物联网平台的管理页面、微信客户端查看传感器所采集的所有电器使用数据信息，实现对所有信息进行实时查看的目的。并且用户在使用的过程中可以通过网页或者微信客户端对所有的电器进行远程控制功能。经过长时间的实验验证，智能家居能耗监控系统各个模块工作状态正常，并且设备具有长时间稳定工作的特点，尚未出现无数据或者数据丢失的情况发生。实验证明无线模块在室内进行数据传输时具备穿透性强、传输距离远等特点，并且通过移动终端能够有效实现对传感器采集数据的读取功能，能够對所有的电器进行远程控制的效果，并且该系统能够进行多个模块之间的共同工作以及数据传输功能，具备优良的可扩展性。

家庭中电气设备能耗监测系统的设计与研发工作，可以有效的为广大家庭中各个用电设备的能耗使用起到监测的作用，并且能够向所有数据信息随时展现在用户面前，通过对所有用电设备的用电量监测功能，提醒居民用电情况，对不必要的用电消耗进行实时提醒，促进能源节约的同时，提升资源合理的利用。本系统以Arduino主控板作为设计的核心部分，通过无线传感器、各个功能模块以及互联网平台功能共同组建了实现对家居进行无线监控的系统，能够完成对家居能耗数据进行实时的采集与上传，并且能够通过移动终端进行远程控制。长时间实验证明该系统因为是通过模块实现交互作用极大减少了对家居环境的影响，并且能够有效实现各个数据的采集功能，实现了对智能家居实时监测与远程控制的功能，具备良好的使用价值及推广价值。

参考文献：

[1]罗漪澜.基于物联网的用户侧能耗管理系统设计[J].机电信息，2019，（20）：105，107.

[2]彭金华，舒少龙，林峰， 等.家庭能耗管理系统研究综述[J].电力需求侧管理，2011，13（1）：35-38.

[3]黄小月，王红蕾.智能家电能耗监测系统的设计与实现[J].机械与电子，2016，34（8）：59-62.