基于AI的節(jié)能用電控制助手概述

常文晉 張家碩

廣東東軟學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院 廣東 佛山 528200

引言

如今的世界能源使用緊張已成為限制我國的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的一大主要因素，能源緊張的危機(jī)已經(jīng)影響到了全世界經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。電力資源緊缺已成為制約國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要瓶頸?！肮?jié)能降耗”不可避免地成為當(dāng)今社會面臨的一個主題。伴隨著新世紀(jì)智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的深入研究以及高速發(fā)展，整個社會對于低碳生活、節(jié)能用電、環(huán)境保護(hù)、環(huán)保的積極倡導(dǎo)，以及在國家最新實(shí)施的階梯電價(jià)等緊張能源使用消費(fèi)政策的引導(dǎo)，基于此背景下，節(jié)能智能用電將成為今后用電方式的主流。經(jīng)調(diào)查表明，現(xiàn)如今的能源的浪費(fèi)情況是主要由于用戶在不經(jīng)意間忘記或缺少節(jié)能意識造成的，同時因?yàn)楝F(xiàn)有的節(jié)能用電系統(tǒng)功能不足，缺乏對用電浪費(fèi)現(xiàn)象進(jìn)行自動糾正的功能。

針對上述問題，本文進(jìn)行了對于用電的節(jié)能控制的深入研究，研發(fā)完成了一套基于AI的節(jié)能用電控制助手裝置，在無須用戶干預(yù)的基礎(chǔ)上解決了電器電能浪費(fèi)和分配浪費(fèi)的問題。在不影響用戶用電舒適度的前提下，為用戶節(jié)省電費(fèi)。

1 節(jié)能用電控制助手的總體方案設(shè)計(jì)

基于AI的用電控制與節(jié)能管理系統(tǒng)，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)應(yīng)用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的家電監(jiān)控算法和云端數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)崿F(xiàn)智能用電管理、節(jié)能配電、用電監(jiān)測，提供APP供管理員遠(yuǎn)程監(jiān)控及管理實(shí)驗(yàn)。利用Python全自動爬取用電信息并分類儲存到云端數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)根據(jù)獲取到的用電數(shù)據(jù)智能通斷用電設(shè)備，并將用電設(shè)備的用電量實(shí)時保存到云端，根據(jù)使用情況和用電需求智能休眠不必要的用電設(shè)備。運(yùn)用yolov3算法，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法訓(xùn)練人物模型，通過增大訓(xùn)練樣本數(shù)，降低訓(xùn)練時loss損失函數(shù)，把迭代n次數(shù)之后的模型用以測試，最終達(dá)到要求，可以精準(zhǔn)智能地調(diào)控場所內(nèi)的用電器。

運(yùn)用yolov3算法，通過樹莓派在云端用python爬取數(shù)據(jù)并且經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和處理之后分別發(fā)送到用戶顯示和32單片機(jī)，單片機(jī)在設(shè)定的人機(jī)交互系統(tǒng)檢測用戶是否有需求并且信號是否異常，同時傳感檢測系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)檢測到的電壓和電流經(jīng)過算法處理發(fā)送到單片機(jī)分步處理再與樹莓派數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)人工智能[1]。

2 節(jié)能用電控制助手的硬件設(shè)計(jì)

2.1 光強(qiáng)檢測模塊

利用光敏電阻阻值隨光強(qiáng)的變化特性來檢測光強(qiáng)，采用單片機(jī)控制輸出模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片依次測量不同的光照強(qiáng)度

2.2 熱釋電傳感器探測模塊

該設(shè)備的“檢測眼睛”——熱釋電紅外探測模塊，本項(xiàng)目所選用的是信號處理器芯片為BISS0001的紅外傳感。熱釋電紅外探測傳感器對反射波長為10 um左右的人體紅外輻射極其敏感，當(dāng)人通過傳感器檢測范圍時，設(shè)備傳感器就會很快地檢測到人的所在，并且產(chǎn)生有效的高電平。這種熱釋電探測傳感器價(jià)格比較低廉，很容易從市場上購買到，并且它的體積比較小安裝很方便。但是熱釋電探測傳感器的探測范圍是有限制范圍的，所以需要合理布置該設(shè)備系統(tǒng)，使得傳感器的探測范圍覆蓋到整個共享空間。熱釋電探測傳感器在放置時盡量保持與人體垂直，這樣能夠有效提高探測的靈敏度。

2.3 電流檢測信號的獲取

為判斷待機(jī)電器工作狀態(tài)，本文采用電流檢測技術(shù)[9,10,11,12]來實(shí)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(shè)置可斷電回路電流門檻值Ia（可斷電回路上所有待機(jī)用電設(shè)備的待機(jī)電流之和）。但需強(qiáng)調(diào)的是，Ia可能會大于某些小電流設(shè)備的工作電流，為避免因誤判而影響該類設(shè)備的正常工作，可將小電流工作設(shè)備接入持續(xù)供電回路[2]。

3 節(jié)能用電控制助手的軟件設(shè)計(jì)

3.1 樹莓派軟件設(shè)計(jì)

AI節(jié)能用電控制助手采用最先進(jìn)的電源管理芯片，系統(tǒng)調(diào)節(jié)信號處理、屏幕顯示、鍵盤輸入等各個工作模塊的最佳工作電壓和電流，是全方位進(jìn)行結(jié)構(gòu)性優(yōu)化，有效降低能耗，特別在處理多項(xiàng)任務(wù)程序時，進(jìn)程不會特別的卡頓。樹莓派在系統(tǒng)中起到承上啟下的作用，首先，如果斷電重啟開始的時候，會上電初始化程序來矯正，有利于釋放內(nèi)存空間并以防上一次錯誤將程序卡死，接著計(jì)算各個用電器的用電功率，并從python爬蟲的數(shù)據(jù)互相作比較，當(dāng)用電值高于某用電器標(biāo)準(zhǔn)用電測量值時，會進(jìn)行用電分析系統(tǒng)分析用電器的用電量、分項(xiàng)能耗以及用電異常并計(jì)算各項(xiàng)結(jié)果后送到APP，用戶可以通過接收手機(jī)信息，并下達(dá)操作指令給節(jié)能用電控制助手。

此時通過節(jié)能用電控制助手的用電分析系統(tǒng)反饋給樹莓派與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行信息交互并上傳的用電信息，再統(tǒng)一上傳給用戶的手機(jī)app，用戶可以清晰地了解到各個用電器的耗電信息，并決定個人愛好需求是否要在這個時候?qū)⒃撚秒娖鲾嚯姡?dāng)樹莓派一段時間內(nèi)沒有進(jìn)行操作時，系統(tǒng)自動進(jìn)入用電糾正進(jìn)行休眠。系統(tǒng)到其軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖：

4 智能分配策略功能以及優(yōu)化

4.1 節(jié)電方案的分配設(shè)置與調(diào)整

在每個場所涉及的用電器不一樣，以及所使用的人員和使用用電器時間不一樣，因此我們需要尋找一個比較優(yōu)質(zhì)的匹配在用戶的使用需求以及節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境之間，在既不影響用戶的正常使用需求下，以智能提示的對接方式對用戶進(jìn)行直接或間接的督促，減少額外的用電量，達(dá)到節(jié)省能源、減少排放的功能，以達(dá)到各方狀態(tài)的最優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展。

系統(tǒng)假設(shè)了4個模擬時段，各個時段分別采用一種電價(jià)模式。可供選擇的時段分別為：6：00-8：00，8：00-19：00，19：00-23：00，23：00-6：00，在演示時，用戶需要選擇一個模擬時段系統(tǒng)會向用戶顯示出當(dāng)前空間內(nèi)所用的用電設(shè)備基本情況，用戶可以根據(jù)自己需要從而選擇自己要開啟使用的用電設(shè)備，開啟使用后系統(tǒng)即可計(jì)算出整個空間內(nèi)的使用用電總功率，根據(jù)用戶的自我需求選擇自動生成一套智能節(jié)能用電方案，節(jié)能用電方案并不是唯一的，用戶可以根據(jù)自己的個人需求，對節(jié)能用電方案來進(jìn)行調(diào)整。

4.2 不足及優(yōu)化

（1）投入成本較高，初期研究技術(shù)不足，可能會對硬件設(shè)備需求量較大，以及定時進(jìn)行器件維護(hù)，整個環(huán)境搭建需要的成本較高。

（2）因環(huán)境溫度以及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下計(jì)算數(shù)據(jù)可能會有偏差。大部分傳感器對溫度極其敏感，在較高溫度的環(huán)境下，可能傳感器無法準(zhǔn)確識別環(huán)境溫度變化量，之后把錯誤的數(shù)據(jù)傳到系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯，可能會自動關(guān)閉用電器的使用。

（3）用戶在無網(wǎng)絡(luò)的情況下智能用電控制助手無法監(jiān)控用電情況。在某個時候若網(wǎng)絡(luò)波動不穩(wěn)定甚至網(wǎng)絡(luò)斷開的情況下，智能用電控制助手無法給用戶進(jìn)行監(jiān)控，可能需要用戶進(jìn)行手動操作。

在后期進(jìn)行環(huán)境優(yōu)化，需要的傳感器數(shù)量進(jìn)行減少。用戶較多的情況下可能會搭建一個平臺服務(wù)器，用戶進(jìn)行賬號登錄的時候可以對系統(tǒng)進(jìn)行固件優(yōu)化升級，使系統(tǒng)的漏洞得以修復(fù)并簡化操作界面，方便用戶的操作使用。

5 結(jié)束語

長期以來，我國的耗電量一直居于世界前列，我國改革發(fā)展正處于關(guān)鍵時期，要實(shí)現(xiàn)建設(shè)小康社會的奮斗目標(biāo)，各方面都要跟上去，AI節(jié)能用電控制助手正是響應(yīng)國家的號召誕生的一款產(chǎn)品，其操作模式簡便，也不需要過多的人工干預(yù)，是一款真正的智能化產(chǎn)品。隨著各項(xiàng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電耗量指標(biāo)成為我國一項(xiàng)必不可少的因素，所以減少電耗量是我們發(fā)明這項(xiàng)產(chǎn)品的目的，只有適應(yīng)市場才能更好地發(fā)展，形成良性循環(huán)。