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蘋果智能家居中節約用電的方法探究

來源: 作者: 發布日期:2016-12-23 16:45:37 加入收藏 關注:
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 隨著國家經濟的發展與人們生活質量的提高,電器的數量越來越多,而且基本上都有待機功能。據調查,家用電器在待機狀態下,洗衣機5Wh,飲水機平均耗電量0.73Wh,空調3.4Wh,熱水器3Wh,臺式電腦3.7Wh,機頂盒6.8Wh等。

此計算,若一個家庭中有多種待機用電設備,每月待機耗電約20kW•h!!待機電能的合理降低不僅為用戶節省了開支,更重要的是順應了時代要求,符合綠色建筑的發展方向。

目前,國內外很多學者或企業在待機節電的研究與應用方面進行探索,但現存待機節電技術大都較為單一或易出現誤判,如市面上存在的具有待機檢測功能的插座和設計相對完善的離家模式控制裝置等,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,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;

針對上述問題,本文進行了待機節電控制方法的深入研究,研發完成了一套待機節電控制裝置,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。

2 待機節電控制系統方案設計

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

1.JPG

圖1 控制系統結構示意圖

 

配電箱線路改造示意圖如圖2所示。

 2.JPG

圖2 配電箱線路改造示意圖

配電設計過程中,在符合JGJ 16-2008《民用建筑電氣設計規范》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對可斷電回路通斷的合理控制。

3 待機節電控制系統硬件設計

本控制系統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原理如圖3所示。

3.JPG

圖3 最小系統原理圖

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

3.1 人體熱釋電傳感器

人體熱釋電傳感器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,并作為發送節能控制命令的判據之一。

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。

 4.JPG

圖4 人體熱釋電傳感器信號電路

3.2 電流檢測信號獲取與調理

為判斷待機電器工作狀態,本文采用電流檢測技術來實現。

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供電回路。

 5.JPG

圖5 電流檢測信號調理電路

 

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,實現電壓偏移,計算見式(1)。

 (1).JPG(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)。

 (2).JPG(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。

 6.JPG

圖6 信號處理前后波形對比

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 。

3.3 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,發出控制命令,通過交流接觸器控制回路(見圖7),實現對可斷電回路通斷的控制。

 7.JPG

圖7 交流接觸器控制回路

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,以實現自鎖;JD22外接持續供電回路的火線;電源零線接交流接觸器線圈J2。

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對門檻電流檔位的調節,且相應檔位指示燈會點亮;遠程通信接口可方便用戶實現遠程控制;一鍵切換按鍵能夠實現可斷電回路一鍵切斷或接通的功能。

4 待機節電控制系統軟件設計

4.1 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)。

 (3).JPG(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。

4.2 控制算法分析

為優化控制流程,提高判斷精度,本文給出了節能控制算法,詳見下文所述。

門檻電流檔位調節流程如圖8所示,為方便用戶根據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。

8.JPG

圖8  門檻電流檔位調節流程圖

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,系統會將用戶設置數據寫入CPU的flash中,并退出設置,用戶設置數據可隨時修改。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,并結合人體熱釋電傳感器信息做出通斷控制命令。

 9.JPG

圖9 定時器中斷服務程序流程圖

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可斷電回路接通的事件發生,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,且延時參數清零,下次等待重新計時。

在該節能控制算法中,可斷電回路通斷控制情形可由真值表體現,見表1。

 表1.JPG

表1 通斷控制情形真值表

根據真值表數據,可得邏輯表達式,見式(4)。

(4).JPG(4)

式中,A反映電器工作狀態,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,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,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,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,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,實現待機節電。

5 系統測試與應用

本待機節電控制系統在實驗室環境下完成了整體測試,測試裝置如圖10所示。

 10.JPG

圖10  配電箱測試實物圖

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,其他回路為持續供電回路;將本節電控制系統接入持續供電回路,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。

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,加熱狀態可以持續,但進入保溫(待機)狀態后,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,本待機節電控制系統工作穩定可靠,能夠達到其目的和要求。

雖然科技的進步帶來了很大的便利,但是節能生活是我們永恒的主題。

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