一種家居能耗監(jiān)測與節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和控制技術(shù)的快速發(fā)展，以及人們對物 質(zhì)生活享受的要求不斷提高，智能家居成為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的 必然結(jié)果。傳統(tǒng)的智能家居仍是獨立運行的，各種電器的用 電存在著非常不合理的浪費，缺少節(jié)能的功能。即便有的用戶 具有良好的節(jié)能意識，卻往往沒有很有效的節(jié)能措施。然而, 當(dāng)我們的節(jié)能意識和用戶的體驗度相矛盾時，往往會放棄節(jié) 能措施，致使家用電器存在著大量電能浪費。同時，在家居 電器的使用中，處于待機(jī)狀態(tài)的家用電器產(chǎn)生了大量的待機(jī)功 耗，這些都造成了電能的大量浪費。

目前，家庭能耗管理系統(tǒng)的研究主要分為兩個方向：家 庭能耗管理策略的研究和家庭能耗管理系統(tǒng)總體構(gòu)架的研究。在能耗管理策略上，本文提出電能的多種特征參數(shù)，并提 出一種智能預(yù)測算法。在系統(tǒng)總體構(gòu)架上，本文采用ZigBee 組網(wǎng)，S3C2440作為主控器，采用Web頁面對系統(tǒng)進(jìn)行管理。 1系統(tǒng)概述

系統(tǒng)由采集節(jié)點，ZigBee局域網(wǎng)，主控器和Web網(wǎng)頁控 制頁面組成。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1中采集節(jié)點負(fù)責(zé)智能插座上的電能參數(shù)采集，采集 到的參數(shù)包括電器的電流、電壓、功率、功率因數(shù)及能耗總量, 并由電流的采樣值得到電流的相關(guān)系數(shù)和電流的波動系數(shù)。

家庭內(nèi)部的無線組網(wǎng)采用ZigBee的星型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 包括終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點，終端節(jié)點負(fù)責(zé)接收來自采集節(jié)點 的數(shù)據(jù)和傳送協(xié)調(diào)器發(fā)送的控制命令，協(xié)調(diào)器節(jié)點負(fù)責(zé)接收來 自采集節(jié)點的電能參數(shù)和轉(zhuǎn)發(fā)主控器的控制命令。ZigBee與 采集節(jié)點和主控器間的通信都采用的是串口協(xié)議。

主控器的設(shè)計采用的的三星公司的S3C2440芯片，Linux 操作系統(tǒng)，主控器主要負(fù)責(zé)命令的發(fā)送，數(shù)據(jù)的分析，以及 預(yù)測算法的計算，是整個系統(tǒng)的核心部分。

數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)采用的是Web網(wǎng)頁形式，由CGI腳本語言來 執(zhí)行網(wǎng)頁的請求，并從嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite中讀取數(shù)據(jù)，作 出處理后把結(jié)果以網(wǎng)頁形式返回。系統(tǒng)做到了實時的監(jiān)測電器 的電能參數(shù)，并能夠作出分析，給出用戶用電建議。

2系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1家用電器的多特征參數(shù)提取

一個家庭的家用電器有十幾種。大致有照明設(shè)備、電視、 空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱、微波爐、電飯煲、洗浴電器以及各種充 電設(shè)備叫通過對以上電器的電能參數(shù)特性分析，可以提取 以下四種特征參數(shù)：電流互相關(guān)系數(shù)R（x,,y）、有功功率P， 功率因數(shù)COS（（其中＜p為功率因數(shù)角）以及電流波形的波動系 數(shù)Bd.相關(guān)系數(shù)是衡量兩個變量間相關(guān)程度的統(tǒng)計量，其 定義公式為：

一般情況下，相關(guān)系數(shù)R的取值在（-1，1）之間，當(dāng)R=0時,

X, y互不相關(guān);當(dāng)R=1時，稱X,完全相關(guān);當(dāng)R>0.8時，稱X, y高度相關(guān)。

有功功率定義為瞬時功率在一個周期內(nèi)的平均值,其 計算公式為：

而相應(yīng)的無功功率為:

有功功率是指將電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的電功率，而無 功功率表示維持電器正常運轉(zhuǎn)所需要的那部分功率，是必須 存在的。

功率因數(shù)cosp定義為有功功率和無功功率比值的余弦, 其公式為：

功率因數(shù)是衡量電器設(shè)備效率的系數(shù)，可作為電器識別 的重要特征參數(shù)叫

電流波動系數(shù)是指電流穩(wěn)態(tài)波形的波動值之和的平均值, 其定義為：

該特征參數(shù)可用于衡量電器電流穩(wěn)態(tài)波形的波動大小。 

2.2家用電器的模式識別

家用電器的模式識別分為電器的狀態(tài)識別和電器的類型 識別。其中狀態(tài)識別包括電器的開關(guān)狀態(tài)和多種工作模式；而 電器的類型識別要求根據(jù)電器的特征參數(shù)識別出電器的具體 類型間。

2.2.1電器的狀態(tài)識別

本系統(tǒng)能主要是識別電啟動的開關(guān)狀態(tài)，對于電器的多 狀態(tài)識別方法可以類比。對于開關(guān)狀態(tài)的識別首先要對電器 的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)區(qū)域做出識別。給出幾種電器的電流包絡(luò)圖像, 具體如圖2、圖3所示。

由圖2可以觀察到，電器的電流分為穩(wěn)態(tài)區(qū)和暫態(tài)區(qū)。 電器啟動的過程中電流的波動比較大，位于暫態(tài)區(qū)，因此應(yīng) 該首先識別出采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)態(tài)區(qū)。本文通過對多種電器的暫 態(tài)區(qū)域和穩(wěn)態(tài)區(qū)域的電流波形的分析可知：電器的暫態(tài)區(qū)域 一般不超過90個采樣點，并且穩(wěn)態(tài)區(qū)域的電流波動一般不超 過0.05 A。因此，本文在狀態(tài)識別過程中，為了保守起見選取 120個采樣點的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。首先，求出第i+1個采樣電流 值與第i個采樣電流值之差：

如果此時的電流波動值大于0.05,則本次采樣的電流處 于暫態(tài)區(qū)，進(jìn)行重新采樣，否則電器處于穩(wěn)態(tài)區(qū)。然后，求出 穩(wěn)態(tài)區(qū)電流的最小值和電器的平均功率，如果電器的電流的最 小值小于0.1 A,并且平均功率小于5 W則電器處于關(guān)斷狀態(tài), 否則處于運行狀態(tài)。在這里，通過電器的特征參數(shù)的觀察電 器的待機(jī)功耗一般小于5 W,而大于5 W的待機(jī)功耗我們等 價為一個節(jié)能燈設(shè)備。

2.2.2電器類型的識別

電器類型的識別包括不同類型的電器識別和不同品牌的 電器識別。本文家用電器的類型識別是依據(jù)本文提出的電 器的多特征參數(shù)，在進(jìn)行類型辨別之前建立起家用電器的樣 本庫，通過計算與樣本庫最相似的電器類型作為本次識別的 結(jié)果。由于各種電器間的多特征參數(shù)存在著很大的相似性, 所以本文采用參數(shù)的交叉賦值法來進(jìn)行識別。

(1)進(jìn)行電器狀態(tài)識別

如果在開啟狀態(tài)，則進(jìn)行類型識別，其計算方法如下：

（1）進(jìn)行電器狀態(tài)識別

如果在開啟狀態(tài)，則進(jìn)行類型識別，其計算方法如下：

δP（i）=｜PD－Pi｜（8）

基于此找出前4個電器存入DP（i）；然后再進(jìn)行計算：

δfc（i）=｜fcD－fci｜（9）

同時找出前4個電器存入Dfc（i）。

（2）計算電流相關(guān)系數(shù)R（x，y），找出相關(guān)系數(shù)最大的4種電器存入DR（i），其計算方法如下：

δpf（i）=｜pfD－pfi｜（10）

由此計算出每一個電器的權(quán)值W（i），其中權(quán)值最大的那個電器即為電器類型的識別結(jié)果D。

2.3智能預(yù)測算法設(shè)計

為了達(dá)到節(jié)能的目的，系統(tǒng)采用了智能預(yù)測算法，能夠提前預(yù)知電器的預(yù)測值，進(jìn)而提前給出開關(guān)動作。

系統(tǒng)的智能預(yù)測算法采用二階AR（2）時間序列模型，其模型可以表示為：

其中，{xn} 為樣本值。將電流值帶入次方程可以求得二階 AR模型方差，將最新兩個值帶入可以預(yù)知下一時刻電器動作，該模型的系數(shù)每隔一定時期進(jìn)行更新，以保證預(yù)測結(jié)果正確。

2.4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計分為以下幾個部分 ：數(shù)據(jù)采集模塊和控制模塊，無線收發(fā)模塊，主控器部分。其中無線收發(fā)模塊和主控器部分是系統(tǒng)研究重點，這里給予詳細(xì)說明。

2.4.1 無線收發(fā)模塊設(shè)計

本文中的無線收發(fā)模塊采用的是 ZigBee 無線傳輸協(xié)議，芯片選擇的是 TI 公司的 CC2530。ZigBee 是一種低功耗、短距離、可自組網(wǎng)的無線通信技術(shù)。其網(wǎng)絡(luò)模型分為星型網(wǎng)絡(luò)、樹狀網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，本系統(tǒng)采用了星型網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)模型具有維護(hù)簡單、重新配置靈活、故障隔離和檢測容易等優(yōu)點。

2.4.2主控器模塊設(shè)計

主控器采用的是ARM+Lmux的架構(gòu)，其中ARM芯片選 擇的是三星公司的S3C2440芯片。該芯片的外設(shè)支持豐富，工 作頻率最高可達(dá)533 MHz，可以滿足算法的需要。網(wǎng)絡(luò)接口芯 片采用的是DM9000網(wǎng)卡芯片，該芯片支持10/100M網(wǎng)絡(luò)傳輸, 與S3C2440采用16為總線通信。主控器與ZigBee無線模塊 采用串口通信，通信頻率在9 600 b/s的波特率。外卜圍有SD卡 電路，用于保存數(shù)據(jù)庫的信息。

2.5系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括電器狀態(tài)識別、電器類型識別、 電器的智能預(yù)測以及電器的數(shù)據(jù)存儲與呈現(xiàn)。系統(tǒng)主程序流 程圖如圖4所示。

系統(tǒng)初始化之后，檢測到有新設(shè)備加入時會進(jìn)入中斷1。 中斷1的主要工作是進(jìn)行電器狀態(tài)和電器類型的識別，并把 結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。

系統(tǒng)有命令發(fā)送時，進(jìn)入中斷2。中斷2的主要工作是將 命令通過串口傳給協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器下發(fā)至終端節(jié)點，并控 制繼電器做出相應(yīng)動作。

3實驗與分析

3.1電器開關(guān)狀態(tài)識別

電器開關(guān)狀態(tài)識別主要步驟為：首先，對電器的電能參數(shù)進(jìn)行采樣，讀取120個采樣點的數(shù)據(jù)，然后按下式進(jìn)行計算：

σi=Fi+2－Fi（18）

據(jù)此進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)區(qū)域的判別。如果是穩(wěn)態(tài)區(qū)，則進(jìn)行開關(guān)狀態(tài)的判別。當(dāng)電流小于0.1A，而且功率小于5W時則認(rèn)為電器關(guān)閉。幾種電器的開關(guān)狀態(tài)識別如表1所列。

3.2 電器類型識別

電器類型識別的主要步驟為 ：首先，判斷電器是否進(jìn)入穩(wěn)態(tài)區(qū)。如果進(jìn)入穩(wěn)態(tài)區(qū)，則進(jìn)行類型識別。然后，計算特征參數(shù)，與模型庫進(jìn)行對比計算，得出識別參數(shù) ：d_r[i]，d_p[i]，d_ pf[i]，d_ fc[i]，并據(jù)此得出電器類型識別矩陣 d_num[i][j]，然后按權(quán)值矩陣 ：

做權(quán)值運算，最后得出電器類型。幾種電器類型識別數(shù)據(jù)如表2所列。

實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠在準(zhǔn)確的識別電器的開關(guān)狀態(tài)，并能夠系統(tǒng)模型庫的指導(dǎo)下基本準(zhǔn)確的識別出電器類型。在實際工程中，可以通過豐富模型庫的數(shù)據(jù)來做到更準(zhǔn)確的電器類型識別。

4 結(jié) 語

隨著人類生活水平的提高和智能家居的普及，家居電器的模式識別和節(jié)能控制是我們必須面對的問題。本文提出的一種基于電器多特征參數(shù)的模式識別能夠辨識種類繁多的電器，這將對于家居電器類大數(shù)據(jù)的分析提供豐富的數(shù)據(jù)來源，對于家電公司具有十分現(xiàn)實的經(jīng)濟(jì)價值。節(jié)能控制系統(tǒng)能夠智能的管理家居電器，減少能耗，具有一定的發(fā)展前景。

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