智能控制论文：家电控制装备设计研究

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本文作者：宋卫峰1郭剑虹2侍必胜2王通2王振斌1作者单位：1山西太原供电分公司2国网电力科学研究院

装置总体设计

鉴于目前所实施的阶梯峰谷电价和将来的实时电价政策，文中设计的家电控制装置包括智能插座和家庭互动终端，两个装置通过无线通信构成一套家庭用电系统网络，如图1所示。智能插座将采集用电数据发送给家庭互动终端，互动终端实时显示家庭用电和电价情况，互动终端根据电价情况为用户提供不同的智能节电方案，在满足用户用电需求的前提下，智能控制室内各电器工作属性，用户根据实际情况可以对节电方案进行调整，最大程度上降低用电量和用电费的支出，实现能源优化配置。

智能插座

智能插座是基于光纤复合电缆或无线双通道连接家电和电源的中间设备，实现家庭内部异构传感网络，对家庭用电设备进行统一监控与管理，在执行通断电操作、获得家电状态信息的同时兼插座使用。

1智能插座主要功能

1）对家用电器的用电量进行计量，并采集家电的电压、电流、功率、功率因数，将所需数据上传至家庭互动终端；2）利用无线等通信方式，接收互动终端下发的控制指令，对家用电器执行通断电操作，在家电进入待机状态时切断电源，达到消除待机能耗、节能省电的目的。

2智能插座硬件设计

根据智能插座的功能，硬件结构框图如图2所示，智能插座主要包含控制管理模块、开断模块、计量模块、通信模块、时钟和存储模块等。

1）控制管理模块

智能插座在功能上要求较低，但安装数量较多，因此在设计时经济实用性着重考虑，可选用ATMEL公司的AT89S52。

2）电能计量模块

用于监测电器当前的工作状态，如实际功率、电压、电流等，可采用计量芯片ATT7022B。

3）开关模块

智能插座内部的继电器来控制家用电器电源的通断，微处理器接收到通断电指令后，令继电器吸合或断开。

4）通信模块

选择ZigBee微功率无线技术，通信的可靠性和通信速率高。通信模块采用CC2530芯片，CC2530能以非常低的成本建立强大的网络节点，负责向控制器发送数据和接收控制器的指令。

家庭互动终端

用户通过家庭互动终端了解室内用电信息，互动终端根据电价情况为用户提供不同的智能节电方案，在满足用户用电需求的前提下，用户根据实际情况可以对节电方案进行调整。互动终端根据用电方案对各用电器进行控制，最大程度上降低用电量和用电费的支出，实现能源优化配置。

1家庭互动终端主要功能

1）接收智能插座发送的电器用电数据、实时电价数据，以及上述数据的存储。2）为用户提供平台，用户通过互动终端查询家庭用电信息及其它相关信息。3）用户设定电器控制指令，互动终端读取用户下达的条件并处理后将控制指令发送给各与家用电器连接的智能插座，从而控制家用电器的开关状态。对信息家电的调控可以不只是简单地开、关控制，设定的调控选项包括开关的控制、温度的设置、风速和模式的设置等，能够达到取代家电遥控器的作用。

2家庭互动终端硬件设计

根据家庭互动终端的功能，硬件结构框图如图3所示，互动终端主要包含控制管理模块、开断模块、计量模块、通信模块、时钟和存储模块等。

1）控制管理模块

家庭互动终端需要处理大量信息，因此需要一个性能优异的芯片才能保证其高效稳定工作，选用TI公司基于ARM核心的LM3S9000系列。

2）LCD与按键模块

该模块包括按键、LCD及其驱动3个部分，互动终端将接收到的家电用电信息、每天的实时电价经过处理以图表的形式展现给用户。

3）通信模块

互动终端的通信模块与智能插座类似，负责向智能插座发送控制指令和接收智能插座采集的数据。

4）数据存储模块

互动终端的数据存储模块包含微处理器的铁电存储器和LCD液晶屏的显存。

软件设计

1初始化设置

目前的居民电价政策主要是阶梯峰谷电价，随着智能电网的发展，还会采用实时电价政策。根据不同的电价政策，设计的装置为用户提供不同的能效服务，用户在使用装置时可以根据具体的电价政策选择装置的工作模式。对于阶梯峰谷电价参数的初始化输入，用户能将各阶梯电量、各阶梯的调价电费、峰谷时段输入到互动终端。互动终端LCD提供界面，用户根据界面提示通过按键依次输入各参数值；对于实时电价，用户只需选定后互动终端便进入工作状态并进行实时电价的采集。实现流程图如图4所示。

2信息获取及存储

在家庭正常用电时互动终端根据用户的初始化输入统计每天在峰电价时段工作的电器及其用电量，用户可以通过LCD查询统计的信息。家庭互动终端采集每天的实时电价并进行存储，以时段及相应电价的形式存储；互动终端LCD提供实时电价查询界面，以曲线图的形式展示，用户通过按键浏览过去一（两）天的实时电价，实现流程如图5所示。

3家电控制方法

针对家庭内信息家电可以充分利用实时电价，用户使用电器时，可以通过LCD和按键查看前一（两）天的实时电价记录[9]，以便有一个参考，然后设定一个电器开启的可接受电价，当实时电价低于可接受电价的时候启动工作。以洗衣机为例，工作流程如图6所示。对于家庭内长时间工作的电器，在工作过程中还能根据实时电价的变化，通过预先的设置来改变电器的工作状态。这样既能满足生活要求，又能节省电费，家电控制方法具体的实现流程如图7所示。