摘
要
据全国能源信息平台2月下旬发布的数据来看，2020年我国全年发电量为7.42万亿千瓦时(度)，用电量为7.51万亿千瓦时，这说明截止到去年底，我国的用电量缺口仍然有900亿千瓦时，说明虽然我国已经是世界发电量第一大国，但仍然无法完全满足我国工农业生产和居民生活等方面的用电量。
据产业在线监测数据显示，2020年家用空调全年生产14490万台，总销量14146万台，按照5年平均保有量，每台空调能耗1.5千瓦时，每分钟能耗25瓦/分钟，由于延迟关闭门窗，可能导致能源流失，约176.825亿度电。
开空调开窗户、开门浪费电，室内的空调内机感温元件，这个感温元件可以感知空气的温度变化，开窗户冷气流失，室内温度变化很快，空调就会加大功率使温度回归正常，就会加大用电量，室内温度变化太快时，室外热气倒灌，出风口温度高于空调的保护温度时，外机就会关闭，停止工作。所以为节能减排需要玻璃窗、门一定要关紧、严密。
本课题的研究内容主要是通过运用具有强大的组网能力、低速、低耗电、低成本的ZigBee无线通信技术形成物联网的连接，设计了一种带有传感器装置的具有“节能减排”功能的智能物联网联动系统，能够实现开启或关闭空调时，门窗也能自动打开或关上。减少空调使用时间, 节省了电力资源, 同时一定意义上降低了空调病的发生和保护了环境, 并且此系统简单易于实现, 耗能少, 具有一定的现实意义和开发价值。
关键词：节能减排、智能信息联动、物联网、ZigBee
目 录
第一章 绪 论................................................ 1
1.1研究背景..................................................................................................... 1
1.2研究现状..................................................................................................... 1
1.3研究内容..................................................................................................... 3
1.4 创新点分析................................................................................................ 3
第二章 研究方法和实验........................................................................................ 4
2.1研究方法..................................................................................................... 4
2.2产品设计..................................................................................................... 4
2.3实验过程..................................................................................................... 5
2.4实验结果分析............................................................................................. 5
第三章 总结与展望................................................................................................. 7
3.1 总结............................................................................................................ 7
3.2 未来展望.................................................................................................... 7
参考文献.................................................................................................................... 8
第一章 绪 论
1.1研究背景
自工业革命以来，随着化石燃料使用量的快速上升，二氧化碳、甲烷等温室气体排放量不断增加，产生显著的温室效应，造成气温升高，引起全球气候变化。温室气体减排迫在眉睫。目前已明确的对温室效应有较大影响的气体有6种，其中对温度上升的贡献率以CO2最高，贡献率约为55%。CO2从工业革命前（1750年）的280×10-6，到2019年为（410±0.2）×10-6，增加148%；CH4和N2O增加了260%和123%[1]。据2021年《世界能源统计年鉴》，2020年中国的二氧化碳排放量达到102.4亿吨（含台湾、香港），占全球二氧化碳排放量的31.7％[2]。大气中二氧化碳浓度增加一倍，可使地表温度上升5~6℃。相关数据统计显示，我国建筑能耗量占社会能耗总量的 30%~50%，而在建筑能耗中，约60%的能耗是由暖通空调系统消耗的[3]。这么大的能源消耗量是惊人的，也让人们看到了暖通空调系统对城市环境和能源利用方面的负面效应。另外，随着城市化进程加速，人们的生活条件越来越优越，这促使暖通空调系统得到广泛应用。基于此，暖通空调系统消耗的能量将越来越大，这会使能源供求问题愈加突出。暖通空调的普及给当代人的生产生活带来了极大便利，但同时，暖通空调也具备能耗高和排放废气量大的特点，人们也会在开空调时忘记关窗，导致电被浪费，而生产电要燃烧煤炭，这会增加二氧化碳的排放量。人们有必要深刻理解城市暖通空调系统实现节能减排的必要性，使城市暖通空调系统真正实现低能耗、少排放。
空调能够调节室内温湿度，但家里开空调时发现窗户和门没有关闭，导致电力资源的浪费，那就需要消耗更多的能源来发电，排放更多的二氧化碳，影响生态环境，因此，我们提出一种具有节能减排功能的智能信息联动装置，以便于解决上述中提出的问题。
物联网节能技术是以物联网技术为核心，实现智慧节能减排，具体包括智慧城市智慧汽车、智慧电器、智慧工业、智慧农业、智慧家居等部分，通过结构节能、自身节能、设备节能、技术节能、管理节能等方式来实现。ZigBee 是一种无线数传网络，一个网络可以由一个协调器节点、若干路由器和若干终端节点组成，通信距离从标准的75
m到几百米、几千米不等，并且支持无限扩展。ZigBee
技术具有强大的组网能力，可以组成星型网、树型网和网状网[4-5]。
罗德凌等[6]提出了融合单片机和ZigBee技术的空调节能控制方法研究。设计融合单片机和ZigBee技术的系统整体框架,研究远程操作、定时操作、监控操作和系统管理功能。在ZigBee技术支持下,设计冷凝水排除、水满自溢、部分冷负荷下变水温和变风量控制方案,由此完成空调节能控制。通过实验验证结果可知,该方法控制效果与预期调节效果一致,应用效果良好。
贾祥龙[7]设计制作了一种基于传感器系统的智能空调,该设计通过温度传感器检测室内实时温度,经系统内部运算与调温模块的共同作用,实现了室内的设定温度的恒定；该设计通过湿度传感器检测室内实时湿度,经系统内部运算与调试模块的协同作用,实现了室内适宜湿度的智能控制;该设计通过气味传感器检测室内空气实时的清新程度,经系统内部运算与空气处理模块的协同作用,实现了保持室内空气相对清新的智能调节。
范文东等[8]设计了一种基于STC89C52单片机控制各单元电路实现红外光控计数的智能空调控制系统。该系统有两个红外光电开关传感器,通过检测人员经过两个红外光电开关的先后顺序,可实现对人员进出的实时统计。由单片机进行数据处理,并控制继电器开关,当室内人数少于设定人数时,该自习室的空调系统自动关闭。室内人员数目将显示在显示器上,方便了解自习室人数。
韩君炎等[9]设计了一种基于物联网架构体系和物联网无线传输技术构建空压设备排水监控系统,有效地减少压缩空气的浪费,并能及时反映设备故障,减少故障停机造成的事故损失,从而达到预期效果。
曹永胜等[10]设计了一种可操控智能化的门窗系统。其主要实现的功能是门与窗的智能化控制,这无疑将给人们的生活营造出更加安全、温馨、便捷与舒适的环境。本研究项目可以使办公、居住地的门窗智能化,更易于人们的控制,以便实现门窗对周围环境的实时智能化感知与响应。
杨子靖等[11]设计了一种门窗智能启闭器系统。系统能够实时显示室内温湿度与空气质量,下雨自动关窗,空气质量差时报警并自动开窗调节等功能;其后台数据管理中心与数据服务器进行数据交互,便于后台管理人员查看各个门窗智能启闭器的地址、状态、故障信息等功能;用户可以通过手机客户端完成远程控制设备、远程监控,以及查看室内温湿度、空气指数和每个时间段的曲线图。
总结发现，众多专家学者对智能空调和智能门窗分别进行了研究，但没有将其联合，实现二者的统一。
本课题的研究内容是通过传感器装置和物联网设计一个能够使空调和门窗一体化的系统。这个系统能够使空调在被开启的同时也使门窗关闭；在空调被关掉的同时打开门窗。这样既可以让房间的温度适宜，空气清新，还可以不让电力资源被浪费，导致碳排放污染。这个系统可以在家中被使用，大大减少电力资源的浪费，保护生态环境。
本课题设计了一种具有“节能减排”功能的智能信息联动系统，其创新点有：
（1）设计了一种智能信息联动系统，通过物联网使空调和门窗一体化，帮助人们解决在家开空调时忘记关门窗而浪费的问题。
（2）将这种智能信息联动系统运用在家中，在窗户上安装马达，实现空调开或关时自动移动门窗。
第二章 研究方法和实验
文献查阅法：通过对相关文献进行查阅、总结，得出目前智能空调和智能窗户的研究现状，对后续本文的撰写提供基础。
实验法：通过对空调和窗户进行实验，探究该智能信息联动系统是否达到预期的想法。
数据分析法：通过对实验得出的数据进行分析，得出该智能联动系统是否具有准确性和及时性，人们是否愿意使用。
产品设计如图2-1所示。所用材料分别为：ZigBee无线模块, 单片机控制模块，驱动电路、遥控器、红外接收器。系统ZigBee无线模块采用CC2530F256芯片, 工作在2.4GHz频段。单片机控制模块采用89C51单片机。红外接收器采用TSOP34838红外接收器。
1-空调、2-单片机、3-温湿度传感器、4-红外接收器、5-遥控器、6-窗户、7-户门、8-信号接收器、9-传动马达、10-滑轮。
设计原理：本系统主要是ZigBee网络建立, 数据的传输。协调节点汇总网络节点传过来的数据, 完成网络的初始化和维护, 数据的传送, 网络的检测和管理。首先进行系统初始化, 配置ZigBee所必要的参数, 初始化后子节点的关联接入请求被允许后加入网络, 即成功加入ZigBee网络之后, 红外传输和接收装置开始协同工作, 并通过网络定时向ZigBee传送数据, 在接收到数据之后ZigBee会把数据传送给逻辑处理单元, 逻辑处理单元根据空调的开关判断是否符合开门窗工作的条件, 当条件符合的时候才打开门窗。
通过搭建设备，实现空调和门窗的智能联动。将15℃~30℃划分为4档，5℃为一档，打开空调，观察门窗的反应，二者是否实现智能联动。2.4实验结果分析
实验结果如表2-1所示。由表可知，无论温度处于多少，空调和门窗均可以实现良好的智能联动。
表2-1
实验结果
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遥控器状态
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温度/℃
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空调状态
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门窗状态
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是否联动
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打开
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15
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打开
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关闭
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是
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打开
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20
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打开
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关闭
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是
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打开
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25
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打开
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关闭
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是
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打开
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30
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打开
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关闭
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是
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关闭
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15
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关闭
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打开
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是
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关闭
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20
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关闭
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打开
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是
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关闭
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25
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关闭
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打开
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是
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关闭
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30
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关闭
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打开
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是
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第三章 总结与展望
3.1 总结
为了减少温室气体排放，同时达到节约资源的目的，本课题通过运用具有强大的组网能力、低速、低耗电、低成本的ZigBee无线通信技术形成物联网的连接，设计了一种带有传感器装置的具有“节能减排”功能的智能信息联动系统，能够实现开启或关闭空调时，门窗也能自动打开或关上。减少空调使用时间, 节省了电力资源, 同时一定意义上降低了空调病的发生和保护了环境, 并且此系统简单易于实现, 耗能少, 具有一定的现实意义和开发价值。
3.2 未来展望
（1）本系统除了在家中被使用，未来经过修改之后还可以在公共场所使用，例如公司和商场。
（2）基于ZigBee开发的本系统的组网能力还可以运用在更多方面，未来的应用场景可以大大拓展，比如让家中的所有家具都加入同一个网络中，一起控制，使我们的时候更加便利、幸福。
参考文献
[1]赵宗慈,罗勇,黄建斌.地球能量失衡与全球变暖[J/OL].气候变化研究进展:1-3[2022-01-18].
[2]张凡,王树众,李艳辉,杨健乔,孙圣瀚.中国制造业碳排放问题分析与减排对策建议[J/OL].化工进展:1-11[2022-01-13].
[3]王鹤霖.浅析城市暖通空调节能减排对应策略[J].房地产世界,2021(24):
144-146.
[4]刘吉. ZigBee网络的路由优化算法研究[D].江苏大学,2017.
[5]吴夏,高岩.ZigBee无线传输技术在集中空调系统中的应用[J].现代电子技术,2020,43(24):45-48.
[6]罗德凌,刘丽.融合单片机和ZigBee技术的空调节能控制方法[J].电子技术与软件工程,2020(14):96-97.
[7]贾祥龙.基于传感器系统的智能空调设计[J].科技传播,2017,9(18):63-64.
[8]范文东,张鹏琴,彭康旭,余建想.基于红外光电开关的智能空调控制系统[J].计算机产品与流通,2020(06):154.
[9]韩君炎,张鑫东,张胜国,陈新龙,倪建兴,金建林.物联网在压空系统节能减排中的应用[J].聚酯工业,2021,34(06):41-44.
[10]曹永胜,梅杰,董智.智能门窗系统[J].数字技术与应用,2018,36(08):8+21.
[11]杨子靖,苏俊维.基于物联网的门窗智能启闭器系统设计[J].电子技术与软件工程,2020(22):43-44.