紀祥和/張桂青.山東同圓設計集團有限公司，山東濟南500；.山東省智能建筑技術重點實驗室 (山東建筑大學)，山東濟南500

智能家居環(huán)境下家庭節(jié)電控制方法研究

紀祥和1/張桂青2
1.山東同圓設計集團有限公司，山東濟南250101；2.山東省智能建筑技術重點實驗室 (山東建筑大學)，山東濟南250101

0 引言

隨著城市化水平的發(fā)展和人們生活水平的提高，居民家用電器的數(shù)量和種類都逐步增多，且大多具有待機功能。據(jù)中國節(jié)能認證中心調查，家用電器處在待機狀態(tài)時，節(jié)電數(shù)字電視機平均耗電量1Wh，洗衣機5Wh，飲水機0.73Wh，空調3.4Wh，熱水器3Wh，臺式電腦3.7Wh，機頂盒6.8Wh等。我國城市家庭平均待機能耗相當于每個家庭晝夜亮著一盞15～30W的 “長明燈”[[2]。待機電能的合理降低不僅為用戶節(jié)省了開支，更重要的是順應了時代要求，符合綠色建筑的發(fā)展方向。

目前，國內外很多學者或企業(yè)在待機節(jié)電的研究與應用方面進行探索，但現(xiàn)存待機節(jié)電技術大都較為單一或易出現(xiàn)誤判，如市面上存在的具有待機檢測功能的插座[3]和設計相對完善的離家模式控制裝置[4]等，這些控制策略都存在一定的局限性，一是以設定的電流閾值作為單一判據(jù)，未能結合室內人員存在情況做綜合分析，且在斷電后需用戶手動開啟，使用繁瑣；二是設備本身耗電帶來了新的功耗；三是在離家模式控制裝置中，雖然增加了人員紅外計數(shù)功能，但只是依靠紅外計數(shù)和熱釋電信息作為判據(jù)很容易出現(xiàn)誤判，導致接觸器的誤動作，為用戶造成不便。

針對上述問題，本文進行了待機節(jié)電控制方法的深入研究，研發(fā)完成了一套待機節(jié)電控制裝置，在無需用戶干預的基礎上解決了家用電器待機電能浪費的問題。

1 待機節(jié)電控制系統(tǒng)方案設計

本文設計待機用電設備節(jié)電控制系統(tǒng)的目的是解決傳統(tǒng)用電環(huán)境中家用電器待機導致的電能浪費問題。本節(jié)電控制裝置結構如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結構示意圖

配電箱線路改造示意圖如圖2所示。配電設計過程中，在符合 《民用建筑電氣設計規(guī)范》 (JGJ 16-2008)要求的基礎上，首先，將配電箱內的供電回路劃分為可斷電回路和持續(xù)供電回路，在可斷電回路加裝交流接觸器和電流互感器，電流互感器采集可斷電回路上用電設備的電流信息；在室內合理位置布置人體熱釋電傳感器，采集室內的人員信息。然后，中央控制模塊融合采集到的電流信息與室內人員信息并進行處理。最后，中央控制模塊判斷是否可以斷電，并通過交流接觸器控制回路實現(xiàn)對可斷電回路通斷的合理控制。

圖2 配電箱線路改造示意圖

2 待機節(jié)電控制系統(tǒng)硬件設計

本控制系統(tǒng)主要包括中央控制模塊、交流接觸器控制回路、交流電流互感器、人體熱釋電傳感器和室內配電箱，中央控制模塊微處理器最小系統(tǒng)原理如圖3所示。

微處理器采用意法半導體推出的Cortex-M3內核的STM32F103系列[5-6]，該單片機具有低功耗、高性能、功能強大等優(yōu)點，完全符合本設計對微處理器的需求。

2.1 人體熱釋電傳感器

人體熱釋電傳感器[7-8]可以捕獲人員活動信息，經信號調理電路處理，輸出高/低電平信號至微處理器，微處理器獲得該人員活動信息，并作為發(fā)送節(jié)能控制命令的判據(jù)之一。本設計選用TIANYA品牌ty-023b型人體熱釋電傳感器，該傳感器可將波長8～12μm的紅外熱釋電信號轉化為電信號。

人體熱釋電傳感器信號電路如圖4所示，人體熱釋電傳感器產生的高/低電平信號經端子P1接入光耦隔離電路，輸出信號送至微處理器相應端口，使中央處理模塊獲取當前人員信息。

2.2 電流檢測信號獲取與調理

為判斷待機電器工作狀態(tài)，本文采用電流檢測技術[9-12]來實現(xiàn)。檢測方案能夠滿足量程和小信號的要求。用戶可自行設置可斷電回路電流門檻值Ia(可斷電回路上所有待機用電設備的待機電流之和)。但需強調的是，Ia可能會大于某些小電流設備的工作電流，為避免因誤判而影響該類設備的正常工作，可將小電流工作設備接入持續(xù)供電回路。

圖3 最小系統(tǒng)原理圖

圖4 人體熱釋電傳感器信號電路

電流檢測信號調理電路如圖5所示，電流互感器的輸出信號經過采集電路，輸出的電流信號轉換成相應的雙極性電壓信號Uin(-1.7V ＜Uin＜＋1.7V)，然后經如下信號調理:LM336可調基準電壓電路產生1.7V直流基準電壓Ujz與交流采樣電壓Un同時送入運算放大器LM324，實現(xiàn)電壓偏移，計算見式 (1)。

從式 (1)可知，U1≤0。進而，再通過一個運算放大器做反相運算，見式 (2)。

得到輸出電壓UAD_IN0(0≤UAD_IN0≤3.4V)。

電流檢測信號調理前后波形對比如圖6所示。調理后的電壓信號經RC濾波、二極管鉗位后可直接送入CPU的A/D轉換通道進行電壓采樣。本設計采用微處理器的內置12位ADC。

2.3 通斷控制回路設計

微處理器在對可斷電回路上待機用電器的工作狀態(tài)做出判斷后，融合人體熱釋電傳感器獲取的人員存在信息，發(fā)出控制命令，通過交流接觸器控制回路 (見圖7)，實現(xiàn)對可斷電回路通斷的控制。

圖7中，CA1接交流接觸器線圈J1，交流接觸器的一對輔助常開觸點21、22分別接 CA1和JD11，以實現(xiàn)自鎖；JD22外接持續(xù)供電回路的火線；電源零線接交流接觸器線圈J2。

圖5 電流檢測信號調理電路

圖6 信號處理前后波形對比

圖7 交流接觸器控制回路

在前述設計的基礎上，還設計有門檻電流設置按鍵、門檻電流檔位指示燈、通斷電一鍵切換按鍵和遠程通信接口等。用戶可通過門檻電流設置按鍵實現(xiàn)對門檻電流檔位的調節(jié)，且相應檔位指示燈會點亮；遠程通信接口可方便用戶實現(xiàn)遠程控制；一鍵切換按鍵能夠實現(xiàn)可斷電回路一鍵切斷或接通的功能。

3 待機節(jié)電控制系統(tǒng)軟件設計

3.1 采樣方案選擇及采樣值處理

本設計采樣對象是頻率為 50Hz(周期為20ms)的電壓信號，針對該電壓信號設置采樣頻率為600Hz，采樣周期1.667ms，每個信號周期的采樣點數(shù)為12。

設采樣點值分別為U1，U2…Un(n＝12)，則每個采樣周期的電壓有效值計算見式 (3)。

將電壓有效值Up與門檻電壓值M作比較，可準確判斷待機電器的工作狀態(tài)。

3.2 控制算法分析

為優(yōu)化控制流程，提高判斷精度，本文給出了節(jié)能控制算法，詳見下文所述。

圖8 門檻電流檔位調節(jié)流程圖

門檻電流檔位調節(jié)流程如圖8所示，為方便用戶根據(jù)自身情況設置門檻電流值，本算法提供用戶自行設置功能，提供三檔不同的門檻值以適應不同用電情況的家庭。配合以相應指示燈提示，用戶通過一個按鍵完成設置、保存及退出。長按門檻電流檔位調節(jié)按鍵進入設置，然后可從三檔門檻值中選擇合適的一檔作為自己的門檻值，停止按鍵操作超過5s，系統(tǒng)會將用戶設置數(shù)據(jù)寫入CPU的flash中，并退出設置，用戶設置數(shù)據(jù)可隨時修改。本算法中的門檻值通過查閱資料與實際測試相結合得到。

定時器中斷服務程序流程如圖9所示，對互感器輸出的交流采樣電壓進行定時采樣、處理，判斷用電設備的工作狀態(tài)，并結合人體熱釋電傳感器信息做出通斷控制命令。在設備不工作且沒有人員活動信息的前提下，會進入延時切斷可斷電回路的等待中，若10min等待期間一直沒有觸發(fā)可斷電回路接通的事件發(fā)生，則切斷可斷電回路，若在等待期間有設備恢復工作或有人員活動，則接通可斷電回路，且延時參數(shù)清零，下次等待重新計時。

圖9 定時器中斷服務程序流程圖

在該節(jié)能控制算法中，可斷電回路通斷控制情形可由真值表體現(xiàn)，見表1。

表1 通斷控制情形真值表

根據(jù)真值表數(shù)據(jù)，可得邏輯表達式，見式 (4)。

式中，A反映電器工作狀態(tài)，A＝0表示無電器工作、A＝1表示有電器工作；B反映人員活動狀態(tài)，B＝0表示無人員活動、B＝1表示有人員活動；Y為可斷電回路通斷狀態(tài)，Y＝0表示可斷電回路斷開、Y＝1表示可斷電回路接通。

由表1可知，當且僅當A＝0且B＝0時，Y＝0。即沒有電器工作且沒有人員活動時，可斷電回路斷開，其他情況下可斷電回路保持接通。

電流檢測信息作為該控制算法的第一判據(jù)，提高了對用戶用電行為判斷的準確性，杜絕了因誤判而錯誤地切斷供電回路。結合人體紅外熱釋電技術，實現(xiàn)了人員不存在時切斷電路；且即使人員存在，若處于睡眠等休息狀態(tài)，沒有使用可斷電回路上的電器設備，該算法仍能準確切斷設備供電，實現(xiàn)待機節(jié)電。

4 系統(tǒng)測試與應用

本待機節(jié)電控制系統(tǒng)在實驗室環(huán)境下完成了整體測試，測試裝置如圖10所示。首先對室內配電箱內的線路進行了改造，設置一路供電回路為可斷電回路，其他回路為持續(xù)供電回路；將本節(jié)電控制系統(tǒng)接入持續(xù)供電回路，將飲水機接入可斷電回路，作為待控的待機用電器；人體熱釋電傳感器安放位置能夠覆蓋實驗室的活動范圍。

圖10 配電箱測試實物圖

經實測，飲水機的工作電流約為2A，待機電流約為4mA。

設置門檻電流50mA。室內有人員存在時，飲水機可以進行正常的加熱和保溫 (待機)功能；人員在飲水機加熱過程中離開，加熱狀態(tài)可以持續(xù)，但進入保溫 (待機)狀態(tài)后，飲水機延時斷電；斷電后，人員進入室內，飲水機重新得電。

經過反復測試，本待機節(jié)電控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠達到其目的和要求。

5 結束語

本文提出的用電線路電流檢測技術和人體熱釋電傳感技術相結合的節(jié)電控制方法，實現(xiàn)了電流檢測值與預設門檻值的比較，并與人體熱釋電信息相結合，作為微處理器控制線路通斷的判據(jù)，提高了判斷的準確性和控制方法的實用性，解決了電器設備待機造成的電能浪費問題。但是，目前家庭用電線路沒有可斷電回路和持續(xù)供電回路之分，本節(jié)電控制裝置的應用受到一定的局限。這些問題可通過推廣使用新型配電箱或線路改造等途徑得到解決。

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Research on Household Energy-saving Controller in Smart Home

Ji Xianghe/Zhang Guiqing

針對家用電器待機電能浪費問題進行研究，提出了家庭用電設備待機節(jié)電控制方法。將室內用電回路分為可斷電回路和持續(xù)供電回路，融合電流檢測信息和人體熱釋電傳感信息，只有判斷可斷電回路設備不工作且室內無人時才延時切斷可斷電回路。給出了系統(tǒng)的軟、硬件設計，研發(fā)完成了一套待機節(jié)電控制裝置。通過測試，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可有效降低待機電能浪費，實現(xiàn)節(jié)能。

智能家居 信息融合 節(jié)能

To reduce the energy waste of the household appliances，a method for the energy-saving control of the standby household appliances is presented.The method divides the indoor electrical circuits into two parts，one is the circuit that can be powered down while the other can not be turned off.When the household appliances in the circuit that can be powered down are at the standby states and nobody is at home，the circuit could be cut off.The software and hardware design schemes are given in detail，and the energy-saving control devices for the standby appliances are developed.Furthermore，to improve the detection accuracy，an algorithm that fuses the detected current information and the pyroelectric infrared sensor information is put forward.At last，experiments are made.Through testing，it can be observed that the developed system is reliable and has great importance on energy conservation.

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