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每个层都有自己的知识体系。比如设计硬件更倾向于电路,单片机的知识等。而开发软件更倾向于数据结构,算法等。看自己对哪个方面更感兴趣,都可以参与到设计和开发智能家居的进程中来。
Fig 1 System structure of a typical smart home有一些原件没有画出来,例如家用光伏、蓄电池、电动汽车等。在我们的研究范畴里面,智能家庭的硬件包括:智能家用设备、分布式能源、储能等,软件就是位于中枢的智能家庭能量管理系统,也就是上图最中间的那部分。
何为智能家用设备?一个最基本的条件是可控性,能够接受智能家庭能量管理系统发出的控制信号,其开机和关机能够被能量管理系统直接控制,服务于家庭所有设备的经济全局最优。而对于空调、热水器等residential thermostatically controlled loads (RTCL),可控的家用热力学设备,除了能够接受信号以外,还需要能够上传自身的温度采集信号,让家庭能量管理系统知道你的温度到哪里了,什么时候可以把你关掉,什么时候再把你打开。
智能家庭能量管理系统如何判断各个家用电器的开关时刻呢?靠的是分时电价或实时电价信息,以及家用负荷的特征曲线。
分时电价和实时电价都属于可变电价,但是两者又是不同的,分时电价将电价根据电力供需程度分为高峰、平谷、低谷时期,而实时电价则是十五分钟或者半小时变一次。下面第一张图中的电价曲线是分时电价的,第二张图中的电价曲线是实时电价的,可以看看区别。
大概就是利用每一个时刻的电价信息不同,以及各家用设备的特征曲线不同,在满足用户舒适性的前提下(例如空调必须保持室内温度在哪个区间、热水器必须保持水温在哪个区间、洗衣机只能在白天开不能再睡觉的时候开等),自动控制家里的智能设备,以得到最经济的用电方案。
智能家居能量管系统应该算智能家居系统设计中的算法相关内容,作为一个搞了两年半的人来说,原理和算法都不太复杂,而且很容易出成果,搞熟悉了之后基本上写相关论文是轻松加愉快,因为算法中多理论推导和数学公式,曾经因为有急用,花了三天时间就写了一篇相关的中文核心。
但是,坦白来说,这个方向支撑一下研究生还是完全够用的,我和我一脉单传(因为实验室小,一届就两个研究方向两个人)的师弟都靠这个混了一个国奖,不过他比我猛,我是真混上去的,他的SCI还是有几篇的,然后下下届的一个师妹和一个师弟也都已经发了一篇这个方向的SCI了。但是如果想好好读个博士的话,应该就不太够用了,毕竟根基比较浅,可以水水微创新,却支撑不起一个大牛博士。
因此,如果想读这方面的硕士,可以关注一下我们方向;如果想继续读博士,也可以关注一下,但是还得跨界到别的方向去;如果既不想读这方面的硕士或博士,只是对这个方向感兴趣,希望学一些真正有实际用处的东西,就别考虑我们这个方向了,因为太空了,目前来看,实际价值不大。可以学学一些更偏硬件的方向或者单片机神马的(因为我也不懂硬件,就不强行装专家了)。
目前国内的智能家居氛围其实和我研究方向的氛围还是蛮像的,一言以蔽之:华而不实的没卵用。我一向对讲生态的科技理念不感兴趣,十有十一都是忽悠,目前智能家居领域最要紧的出现一款杀手级产品,想苹果重新定义什么叫智能手机一样,在产品学的角度定义什么叫智能家居,光靠学术界耍嘴皮子去搞智能家居,一百年都没戏。还是要靠工业界实打实的产品,也希望工业界别什么好的风气没学到,先把学术界胡吹概念的风气学到了,动不动就打造什么智能家居生态。
望这位学弟能够在智能家居领域实打实的做出成绩,发布出和如今市面上那一堆“人工智障”式的智能家居有本质不同的产品,祝好!
图1:ABB的i-BUS智能家居管理系统
图2:ABB的i-BUS传感器和操作面板看完后,给人留下很空泛的感觉。
我心想,如果我家有这些东西,会给我的家庭生活带来什么实质性的改变吗?答案是否定的。
后来看了“梦想改造家”的某集,将广州一座房子的改造。原先家里十分简陋,甚至顶楼的房子都塌了。改造完成后,特别舒适。而智能居家配电设备的运用,也恰到好处。
例如洗手间的一面镜子,可以变成人机对话的视窗,上面会出现热水器调控参数,还有自己的体重参数等等。
在深圳出差时,在展厅中也看到一面镜子,它的上面有一个选项,女孩子们利用这个选项可以看见自己的实时影像配套不同颜色和样式的裙装组合,很实用。
至于热水器控制、空调控制、灯光控制、厨房预设控制和防盗控制,都可以通过手机APP设定。
参加各种展销会和博览会时,也能看到各种智能家居的介绍。
看完这些形形色色的智能家居产品介绍后,有几个感觉:
第一:尽管许多大公司都打出了自己的品牌和方案,但我们看不到统一的技术规范。也就是说,不存在国际和国家标准。
第二:家用电器与居家智能化的接口不统一,各个商家各自有自己的方式。
第三:与开关电器和用电电器的关系不明确,控制方式十分随意,数据交换的总线系统和网络系统不规范。有利用家庭局域网的,有利用电力线载波的,各有各的利弊。
第四:测控效果也不尽相同,感觉实质性的东西少,不切实际可要可不要的功能多。
由此可以看出,居家智能化正处于大发展时期,尚未形成标准和规范。这样一来,就给相关技术带来很大的可塑性。
图3:这里面有居家智能化的影子吗?我让连续三届大四学生把居家智能化作为毕业设计课题,想看看学生们能从中开发出何种有趣的设计内容。
第一篇论文,我指导学生以PLC为基础来进行居家配电和智能化的设计。我发现,这位学生对现场总线技术十分陌生,设计只能停留在纸面上,哪怕让PLC与空调机组联动都存在困难。
第二篇论文,我首先给学生讲解了现场总线技术,以及以太网数据交换技术。在此基础上,让学生设计满足任务书要求的系统。然而,这位学生的单片机和模电知识很差,最后完成的电路板无法上电工作,只能作为摆设参加论文答辩。虽然答辩勉强过关,但让人十分遗憾。
第三篇论文,我让学生首先复习模电、单片机课程,还有数据交换技术。然后我让学生以电力线载波为基础展开设计,这位学生的设计还行。然而,这位学生对智能家居到底有何种功能,却摸不着头脑,无法展开有效的功能性设计。最后,设计流于形式,成了高级版课程设计。
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现在,我可以对题主的问题展开回答了。
题主是尚未走入大学课堂的准大学生。在日后的学习中,我们会学习高数和大学物理,还有电路分析、复变函数等课程,当然还有模电、数电、单片机和电力电子等等。从以上描述中,我们已经知道这些课程都是很重要的基础课。
在专业课中,按方向不同,我们会学习许多专业课。在这里我就不罗列了。
智能家居,更中重要的是功能性设计。它并不一定会有统一的控制中心,很可能会独立成组。但不管怎么说,现场总线技术和计算机数据交换技术是不可避免的。因此,题主对这方面的学习要特别关注。
我看过几本教材,有智能电网的,有工业测控的,在谈到数据交换技术时要么十分空泛,要么就把着眼点放在集成电路的组成上,偏偏就忽视了数据交换双方的组态和网络构建。
在我的实际工作中,PLC运用很多,但真正用于逻辑控制的只是其中一部分,占一大半都用作数据交换和通信管理中心,而其中的技术在PLC教材中几乎没有。
因此,题主在学习单片机和PLC技术时,最好另行阅读有关数据交换的书籍作为补充。
同时,读一些有关楼宇自控系统的书籍,作为知识体系的补充读物。
居家智能化还包括美学设计,还有人机交互的人性化设计等等。这就需要我们去额外看一些有关家装美学设计的书籍。
居家智能化设计当然离不开开关电器,有关开关电器的学习教材有《电器学》或者《电器基础理论》等课程;同样,居家智能化设计也离不开传感器技术,所以我们在学习时对传感器技术也要有充分的关注。
若题主的确对智能化居家系统感兴趣,建议在读完大三进入大四的毕设时,最好选择毕设内容就是智能化居家系统设计,给自己一个实践的机会。
最后,给题主提个醒:在大学读书期间,一定要通过阅读提高自己的自学能力,一定要通过试验课提高自己的动手能力。最好能参加学校组织的各种大学生制作竞赛,提高自己的制作水平和设计能力。这些非常重要,对日后的进一步学习和工作很有帮助。
主要就是这些。