智能控制論文：家電控制裝備設計研究
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本文作者：宋衛(wèi)峰1郭劍虹2侍必勝2王通2王振斌1作者單位：1山西太原供電分公司2國網電力科學研究院
裝置總體設計
鑒于目前所實施的階梯峰谷電價和將來的實時電價政策，文中設計的家電控制裝置包括智能插座和家庭互動終端，兩個裝置通過無線通信構成一套家庭用電系統(tǒng)網絡，如圖1所示。智能插座將采集用電數據發(fā)送給家庭互動終端，互動終端實時顯示家庭用電和電價情況，互動終端根據電價情況為用戶提供不同的智能節(jié)電方案，在滿足用戶用電需求的前提下，智能控制室內各電器工作屬性，用戶根據實際情況可以對節(jié)電方案進行調整，最大程度上降低用電量和用電費的支出，實現(xiàn)能源優(yōu)化配置。
智能插座
智能插座是基于光纖復合電纜或無線雙通道連接家電和電源的中間設備，實現(xiàn)家庭內部異構傳感網絡，對家庭用電設備進行統(tǒng)一監(jiān)控與管理，在執(zhí)行通斷電操作、獲得家電狀態(tài)信息的同時兼插座使用。
1智能插座主要功能
1）對家用電器的用電量進行計量，并采集家電的電壓、電流、功率、功率因數，將所需數據上傳至家庭互動終端；2）利用無線等通信方式，接收互動終端下發(fā)的控制指令，對家用電器執(zhí)行通斷電操作，在家電進入待機狀態(tài)時切斷電源，達到消除待機能耗、節(jié)能省電的目的。
2智能插座硬件設計
根據智能插座的功能，硬件結構框圖如圖2所示，智能插座主要包含控制管理模塊、開斷模塊、計量模塊、通信模塊、時鐘和存儲模塊等。
1）控制管理模塊
智能插座在功能上要求較低，但安裝數量較多，因此在設計時經濟實用性著重考慮，可選用ATMEL公司的AT89S52。
2）電能計量模塊
用于監(jiān)測電器當前的工作狀態(tài)，如實際功率、電壓、電流等，可采用計量芯片ATT7022B。
3）開關模塊
智能插座內部的繼電器來控制家用電器電源的通斷，微處理器接收到通斷電指令后，令繼電器吸合或斷開。
4）通信模塊
選擇ZigBee微功率無線技術，通信的可靠性和通信速率高。通信模塊采用CC2530芯片，CC2530能以非常低的成本建立強大的網絡節(jié)點，負責向控制器發(fā)送數據和接收控制器的指令。
家庭互動終端
用戶通過家庭互動終端了解室內用電信息，互動終端根據電價情況為用戶提供不同的智能節(jié)電方案，在滿足用戶用電需求的前提下，用戶根據實際情況可以對節(jié)電方案進行調整。互動終端根據用電方案對各用電器進行控制，最大程度上降低用電量和用電費的支出，實現(xiàn)能源優(yōu)化配置。
1家庭互動終端主要功能
1）接收智能插座發(fā)送的電器用電數據、實時電價數據，以及上述數據的存儲。2）為用戶提供平臺，用戶通過互動終端查詢家庭用電信息及其它相關信息。3）用戶設定電器控制指令，互動終端讀取用戶下達的條件并處理后將控制指令發(fā)送給各與家用電器連接的智能插座，從而控制家用電器的開關狀態(tài)。對信息家電的調控可以不只是簡單地開、關控制，設定的調控選項包括開關的控制、溫度的設置、風速和模式的設置等，能夠達到取代家電遙控器的作用。
2家庭互動終端硬件設計
根據家庭互動終端的功能，硬件結構框圖如圖3所示，互動終端主要包含控制管理模塊、開斷模塊、計量模塊、通信模塊、時鐘和存儲模塊等。
1）控制管理模塊
家庭互動終端需要處理大量信息，因此需要一個性能優(yōu)異的芯片才能保證其高效穩(wěn)定工作，選用TI公司基于ARM核心的LM3S9000系列。
2）LCD與按鍵模塊
該模塊包括按鍵、LCD及其驅動3個部分，互動終端將接收到的家電用電信息、每天的實時電價經過處理以圖表的形式展現(xiàn)給用戶。
3）通信模塊
互動終端的通信模塊與智能插座類似，負責向智能插座發(fā)送控制指令和接收智能插座采集的數據。
4）數據存儲模塊
互動終端的數據存儲模塊包含微處理器的鐵電存儲器和LCD液晶屏的顯存。
軟件設計
1初始化設置
目前的居民電價政策主要是階梯峰谷電價，隨著智能電網的發(fā)展，還會采用實時電價政策。根據不同的電價政策，設計的裝置為用戶提供不同的能效服務，用戶在使用裝置時可以根據具體的電價政策選擇裝置的工作模式。對于階梯峰谷電價參數的初始化輸入，用戶能將各階梯電量、各階梯的調價電費、峰谷時段輸入到互動終端。互動終端LCD提供界面，用戶根據界面提示通過按鍵依次輸入各參數值；對于實時電價，用戶只需選定后互動終端便進入工作狀態(tài)并進行實時電價的采集。實現(xiàn)流程圖如圖4所示。
2信息獲取及存儲
在家庭正常用電時互動終端根據用戶的初始化輸入統(tǒng)計每天在峰電價時段工作的電器及其用電量，用戶可以通過LCD查詢統(tǒng)計的信息。家庭互動終端采集每天的實時電價并進行存儲，以時段及相應電價的形式存儲；互動終端LCD提供實時電價查詢界面，以曲線圖的形式展示，用戶通過按鍵瀏覽過去一（兩）天的實時電價，實現(xiàn)流程如圖5所示。
3家電控制方法
針對家庭內信息家電可以充分利用實時電價，用戶使用電器時，可以通過LCD和按鍵查看前一（兩）天的實時電價記錄[9]，以便有一個參考，然后設定一個電器開啟的可接受電價，當實時電價低于可接受電價的時候啟動工作。以洗衣機為例，工作流程如圖6所示。對于家庭內長時間工作的電器，在工作過程中還能根據實時電價的變化，通過預先的設置來改變電器的工作狀態(tài)。這樣既能滿足生活要求，又能節(jié)省電費，家電控制方法具體的實現(xiàn)流程如圖7所示。
