【IBE】智能家居环境下家庭节电控制方法研究

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1 引言

随着城市化水平的发展和人们生活水平的提高，居民家用电器的数量和种类都逐步增多，且大多具有待机功能。

据中国节能认证中心调查，家用电器处在待机状态时，节电数字电视机平均耗电量1Wh，洗衣机5Wh，饮水机0.73Wh，空调3.4Wh，热水器3Wh，台式电脑3.7Wh，机顶盒6.8Wh等。我国城市家庭平均待机能耗相当于每个家庭昼夜亮着一盏15-30W的“长明灯”。以此计算，若一个家庭中有多种待机用电设备，每月待机耗电约20kW•h。待机电能的合理降低不仅为用户节省了开支，更重要的是顺应了时代要求，符合绿色建筑的发展方向。 

目前，国内外很多学者或企业在待机节电的研究与应用方面进行探索，但现存待机节电技术大都较为单一或易出现误判，如市面上存在的具有待机检测功能的插座和设计相对完善的离家模式控制装置等，这些控制策略都存在一定的局限性，一是以设定的电流阈值作为单一判据，未能结合室内人员存在情况做综合分析，且在断电后需用户手动开启，使用繁琐；二是设备本身耗电带来了新的功耗；三是在离家模式控制装置中，虽然增加了人员红外计数功能，但只是依靠红外计数和热释电信息作为判据很容易出现误判，导致接触器的误动作，为用户造成不便。

针对上述问题，本文进行了待机节电控制方法的深入研究，研发完成了一套待机节电控制装置，在无需用户干预的基础上解决了家用电器待机电能浪费的问题。

2 待机节电控制系统方案设计

本文设计待机用电设备节电控制系统的目的是解决传统用电环境中家用电器待机导致的电能浪费问题。本节电控制装置结构如图1所示。

图1 控制系统结构示意图

配电箱线路改造示意图如图2所示。

图2 配电箱线路改造示意图

配电设计过程中，在符合JGJ 16-2008《民用建筑电气设计规范》要求的基础上，首先，将配电箱内的供电回路划分为可断电回路和持续供电回路，在可断电回路加装交流接触器和电流互感器，电流互感器采集可断电回路上用电设备的电流信息；在室内合理位置布置人体热释电传感器，采集室内的人员信息。

然后，。最后，，并通过交流接触器控制回路实现对可断电回路通断的合理控制。

3 待机节电控制系统硬件设计

、交流接触器控制回路、交流电流互感器、人体热释电传感器和室内配电箱，。

图3 最小系统原理图 

微处理器采用意法半导体推出的Cortex-M3内核的STM32F103系列，该单片机具有低功耗、高性能、功能强大等优点，完全符合本设计对微处理器的需求。

3.1 人体热释电传感器

人体热释电传感器可以捕获人员活动信息，经信号调理电路处理，输出高/低电平信号至微处理器，微处理器获得该人员活动信息，并作为发送节能控制命令的判据之一。

本设计选用TIANYA品牌ty-023b型人体热释电传感器，该传感器可将波长8～12μm的红外热释电信号转化为电信号。

人体热释电传感器信号电路如图4所示，人体热释电传感器产生的高/低电平信号经端子P1接入光耦隔离电路，输出信号送至微处理器相应端口，。

图4 人体热释电传感器信号电路

3.2 电流检测信号获取与调理

为判断待机电器工作状态，本文采用电流检测技术来实现。

检测方案能够满足量程和小信号的要求。用户可自行设置可断电回路电流门槛值I_a（可断电回路上所有待机用电设备的待机电流之和）。

但需强调的是，I_a可能会大于某些小电流设备的工作电流，为避免因误判而影响该类设备的正常工作，可将小电流工作设备接入持续供电回路。

图5 电流检测信号调理电路

电流检测信号调理电路如图5所示，电流互感器的输出信号经过采集电路，输出的电流信号转换成相应的双极性电压信号U_in（-1.7V < Uin < +1.7V），然后经如下信号调理：LM336可调基准电压电路产生1.7V直流基准电压U_jz与交流采样电压U_n同时送入运算放大器LM324，实现电压偏移，计算见式（1）。

（1）

从式（1）可知，U1≤0。进而，再通过一个运算放大器做反相运算，见式（2）。

（2）

得到输出电压U_{AD_IN0}(0≤U_{AD_IN0}≤3.4V)。

电流检测信号调理前后波形对比如图6所示。

图6 信号处理前后波形对比

调理后的电压信号经RC滤波、二极管钳位后可直接送入CPU的 A/D转换通道进行电压采样。本设计采用微处理器的内置12位ADC 。

3.3 通断控制回路设计

微处理器在对可断电回路上待机用电器的工作状态做出判断后，融合人体热释电传感器获取的人员存在信息，发出控制命令，通过交流接触器控制回路（见图7），实现对可断电回路通断的控制。

图7 交流接触器控制回路

图7中， CA1接交流接触器线圈J1，交流接触器的一对辅助常开触点21、22分别接CA1和JD11，以实现自锁；JD22外接持续供电回路的火线；电源零线接交流接触器线圈J2。

在前述设计的基础上，还设计有门槛电流设置按键、门槛电流档位指示灯、通断电一键切换按键和远程通信接口等。

用户可通过门槛电流设置按键实现对门槛电流档位的调节，且相应档位指示灯会点亮；远程通信接口可方便用户实现远程控制；一键切换按键能够实现可断电回路一键切断或接通的功能。

4 待机节电控制系统软件设计

4.1 采样方案选择及采样值处理

本设计采样对象是频率为50Hz（周期为20ms）的电压信号，针对该电压信号设置采样频率为600Hz，采样周期1.667ms，每个信号周期的采样点数为12。

设采样点值分别为U1,U2…Un(n=12)，则每个采样周期的电压有效值计算见式（3）。

（3）

将电压有效值U_p与门槛电压值M作比较，可准确判断待机电器的工作状态。 

4.2 控制算法分析

为优化控制流程，提高判断精度，本文给出了节能控制算法，详见下文所述。

门槛电流档位调节流程如图8所示，为方便用户根据自身情况设置门槛电流值，本算法提供用户自行设置功能，提供三档不同的门槛值以适应不同用电情况的家庭。

图8  门槛电流档位调节流程图

配合以相应指示灯提示，用户通过一个按键完成设置、保存及退出。长按门槛电流档位调节按键进入设置，然后可从三档门槛值中选择合适的一档作为自己的门槛值，停止按键操作超过5s，系统会将用户设置数据写入CPU的flash中，并退出设置，用户设置数据可随时修改。本算法中的门槛值通过查阅资料与实际测试相结合得到。

定时器中断服务程序流程如图9所示，对互感器输出的交流采样电压进行定时采样、处理，判断用电设备的工作状态，并结合人体热释电传感器信息做出通断控制命令。

图9 定时器中断服务程序流程图

在设备不工作且没有人员活动信息的前提下，会进入延时切断可断电回路的等待中，若10min等待期间一直没有触发可断电回路接通的事件发生，则切断可断电回路，若在等待期间有设备恢复工作或有人员活动，则接通可断电回路，且延时参数清零，下次等待重新计时。

在该节能控制算法中，可断电回路通断控制情形可由真值表体现，见表1。

表1 通断控制情形真值表

根据真值表数据，可得逻辑表达式，见式（4）。

（4）

式中，A反映电器工作状态，A=0表示无电器工作、A=1表示有电器工作；B反映人员活动状态，B=0表示无人员活动、B=1表示有人员活动；Y为可断电回路通断状态，Y=0表示可断电回路断开、Y=1表示可断电回路接通。

由表1可知，当且仅当A=0且B=0时，Y=0。即没有电器工作且没有人员活动时，可断电回路断开，其他情况下可断电回路保持接通。

电流检测信息作为该控制算法的第一判据，提高了对用户用电行为判断的准确性，杜绝了因误判而错误地切断供电回路。结合人体红外热释电技术，实现了人员不存在时切断电路；且即使人员存在，若处于睡眠等休息状态，没有使用可断电回路上的电器设备，该算法仍能准确切断设备供电，实现待机节电。

5 系统测试与应用

本待机节电控制系统在实验室环境下完成了整体测试，测试装置如图10所示。

图10  配电箱测试实物图

首先对室内配电箱内的线路进行了改造，设置一路供电回路为可断电回路，其他回路为持续供电回路；将本节电控制系统接入持续供电回路，将饮水机接入可断电回路，作为待控的待机用电器；人体热释电传感器安放位置能够覆盖实验室的活动范围。

经实测，饮水机的工作电流约为2A，待机电流约为4mA。

设置门槛电流50mA。室内有人员存在时，饮水机可以进行正常的加热和保温（待机）功能；人员在饮水机加热过程中离开，加热状态可以持续，但进入保温（待机）状态后，饮水机延时断电；断电后，人员进入室内，饮水机重新得电。

经过反复测试，本待机节电控制系统工作稳定可靠，能够达到其目的和要求。

5 结束语

 本文提出的用电线路电流检测技术和人体热释电传感技术相结合的节电控制方法，实现了电流检测值与预设门槛值的比较，并与人体热释电信息相结合，作为微处理器控制线路通断的判据，提高了判断的准确性和控制方法的实用性，解决了电器设备待机造成的电能浪费问题。

但是，目前家庭用电线路没有可断电回路和持续供电回路之分，本节电控制装置的应用受到一定的局限。这些问题可通过推广使用新型配电箱或线路改造等途径得到解决。

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