居民节能降耗的需求视角下智能家居系统的设计

陆 群

（徐州工业职业技术学院，江苏 徐州 221000）

“十四五”规划明确提出了绿色发展导向，加快绿色低碳循环经济发展，降低对资源能源的消耗，建设资源节约型和环境友好型社会。绿色低碳发展是大势所趋。但目前随着居民对居住环境的舒适、安全与智能化的进一步需求，建筑能耗在社会总能耗中的比例在逐年提高。节能降耗已成为保护环境的一项重要的系统工程，各国都推出了一系列节能减排的政策，以广大工薪阶层消费能力之内的智能家居为研究对象，探讨如何节能降耗无疑是保护环境的最好措施之一。

当前智能家居领域的研究多从工程技术层面或工业产品设计角度出发，而从居民节能降耗需求视角下进行智能家居产品的系统设计的研究较为匮乏。本文研究目的在于将居民节能降耗的需求因素纳入智能家居系统设计中，以期推动智能家居的发展由技术驱动向用户需求驱动转变，让智能家居产品走上可持续发展的道路。

1 居民节能降耗的需求视角下智能家居系统的整体设计要求

有节能降耗功能的智能家居系统在系统层面上应该具备检测、节能控制和远程控制的功能。首先通过各类传感器收集家中智能家居的能耗数据，再通过编程和控制器排查出智能家居产品的异样的能耗，进行合理地调节和控制，以满足用户节能降耗的需求。操作层面上能提供对能耗数据的监测与状态反馈，满足用户对智能家居产品方便的节能管理，并通过交互与智能控制，对个性化场景进行自定义与快捷操作。

2 智能家居系统需要的主要产品和技术

2.1 具备信息交换和控制功能的网关

网关是智能家居系统的核心，用于管理和配置其他智能产品，主要实现家庭内部网络设备和家庭外部互联网信息的交换和控制。家庭内部的网络设备信息和外部网络信息是两种不同协议下的信息，例如人体感应器是无法直接连到家庭网络的，需要一个类似于大脑终端，将它们连在一起，网关就是这个作用。网关用Zigbee协议收集到所有设备指令后再统一与家庭路由器（Wi-Fi）连接，这样用户就可以随时查看，控制家里的设备。如果家庭面积比较大，智能设备比较多，可能需要多个网关一起覆盖。因为网关需要和路由器（Wi-Fi）连接才能实现对其他智能产品的控制，因此安装网关位置的网络环境一定不能出现掉线，有时根据需要可以考虑网络的桥接。随着网络技术的不断发展，家庭网关同时也可以设置防火墙，防止外界不安全的攻击。

2.2 家电控制器

用于控制所有可以通过红外遥控控制的电器，也就是智能遥控器。普通的家电，比如空调电视，洗衣机，投影仪等都可以使用家电控制器实现智能控制的功能。智能家居通过有线或者是无线的方式，能耗数据可以进行储存，并事先设置期望值指标，实际使用过程中，如果出现与期望值指标不一样的异常数据，用户可以通过家居产品交互使用界面上的控制功能，形成对各种产品的远程智能控制和调节，实现节能降耗的功能。

2.3 具备安全防护功能的产品

功能强大的智能家居的安防系统其实是家居的基础系统，可以应对各种非法入侵、燃气泄漏、火灾等情况，实用性很高，在智能家居产品的配置比例上较高。比如传统的图像监控技术，先进的基于重力感应技术和红外检测技术的安保系统。家门的安防是家庭安防的第一步，随着技术的进步，低能耗的可视门铃和带摄像头的智能门锁大受欢迎。室内的燃气安防如燃气传感器用于监测空气中是否有煤气或者有害气体，当智能燃气报警器发出声音时会将声音传递到主人手机上，利用与燃气传感器联动的机械手进行远程控制关闭燃气阀门。

3 有节能管理功能的智能家居系统总体设计

有节能管理功能的智能家居系统由检测系统、智能与节能管理控制系统和远程控制管理系统三个子系统构成，如图1所示。检测系统主要是针对家庭中有害气体、空气温度、湿度、可能引起火灾的烟雾等进行实时检测。网关首先收集各种传感器的能耗信息，与事先设定的期望值指标进行分析对比，当出现超标现象时，会首先进行本地声光报警提示，并发送远程报警信息到远程监控主机，联动不同的设备进行自动调节处理，从而实现节能和智能控制等特点。

图1 自动控制方案

本系统对家庭环境与耗能设备参数的调节控制采用闭环控制系统。系统后台软件将连接在同一个路由器（Wi-Fi）下的网关们，统一连接到同一个家庭中，一些不需要网关的设备如扫地机器人，空气净化器，也能在这个家庭的界面下进行操作。家庭中各类传感器、感应器，事先设定期望的环境参数值然后设置成自动调节模式，进行温度湿度检测，漏水检测，天然气泄漏检测。家里湿度过低、温度过高过冷、热水煤气泄漏都会发出相应的报警，及时告知用户，并通过控制系统进行相应的温度、湿度的调节，达到节能的效果，并使家庭环境舒适度更个性化。

4 展望和不足

由于智能家居系统是一个多学科、多技术综合应用的系统工程，以及制约因素的存在，本文只对其中部分作了探讨和研究，后续仍需继续修改、研究。比如传感器的期望值指标需要针对用户的使用环境反复实验比较对比才能实现有效的节能智能。无线传感器在实际应用中，数量较多，节点传送数据时能量损耗仍然较高，也需要根据用户的使用习惯进行个性化的设计和数据的融合机制，通过降低节点能耗以延长系统的生命周期，真正具备节能智能功能。