基于ZigBee的智能家居能源管理系统设计与实现

摘要

随着全球经济和社会的快速发展，能源的需求量日益增长，然而作为当前社会主流的化石能源逐渐面临枯竭，可再生能源以其可循环再生、资源分布广泛、适宜就地开发和环保等特点获得了社会的广泛关注。家庭作为能源消耗领域的最小单元，因其数量庞大，使得家庭能源消耗成为能源消费总量中的重要部分，且所占比例保持持续增长态势。若家庭用户能够有效地利用可再生能源，可减少家庭用户对电网的依赖，在实现节能减排的同时也降低用户的能源开销。 智能家居的蓬勃发展，为家庭用户提供精细化管理家电的新方法。因此，智能家居能源管理系统的研究与设计成为当前智能家居领域的研究热点。本文首先介绍当前智能家居能源管理系统的国内外研究现状和研究意义。然后提出一种基于ZigBee技术的面向资源架构的智能家居能源管理系统(Smart Home EnergyManagement System，SHEMS)，它采用低功耗和易组网的德州仪器CC2530构建基于ZigBee的家庭无线传感器网络，实现了家庭环境信息的无线采集和家电的无线控制;结合跨平台的Web服务技术Apache AXIS2构建访问与控制家电的Web接口，为家庭用户提供多种终端访问与控制家电的方案;在此基础上，通过在软硬件平台上模拟家电的电能消耗行为，结合所设计的能源管理单元EMU，实现了智能家居能源管理系统半实物仿真系统的搭建。其中能源管理单元可实现根据能源调度机制动态调节家电工作模式，达到家庭节能减排的目的。此外，所开发的基于Android操作系统的SHEMS的客户端，为用户提供了远程获取家电状态与控制家电的功能。 系统测试表明，本能源管理系统可为家庭用户平均每天节约15.8％的电能和22％的电费开销，可提高27.9％的可再生能源利用率，并且系统具有良好的稳定性、可靠性、实时性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 课题研究内容与结构安排

1．4 本章小结

第2章 相关技术介绍

2．1 ZigBee协议

2．1．1 概述

2．1．2 IEEE 802．15．4协议

2．1．3 网络层

2．1．4 应用层

2．2 Web服务技术

2．3 Android操作系统

2．4 本章小结

第3章 智能家居能源管理系统设计

3．1 系统架构

3．2 家庭无线传感器网络

3．3 家庭管理模块设计

3．3．1 设备管理子模块

3．3．2 Web服务子模块

3．4 客户端模块设计

3．5 能源管理单元的设计

3．5．1 家电电能消耗模式分析

3．5．2 动态能源调度机制

3．6 本章小结

第4章 智能家居能源管理系统实现

4．1 家庭无线传感器网络的实现

4．1．1 节点选型和开发环境搭建

4．1．2 网络组建

4．1．3 设备交互机制

4．2 家庭管理模块的实现

4．2．1 设备管理子模块

4．2．1 Web服务子模块

4．3 Android客户端应用实现

4．4 能源管理单元实现

4．5 本章小结

第5章 系统测试

5．1 采集数据分析

5．2 丢包率测试

5．3 请求响应时延测试

5．4 能源管理单元节能测试

5．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

附录

作者简介

攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果