智能通斷電節(jié)能插座設(shè)計

文/吳沁瑩 劉晨曦 郭魯斌

1 引言

日常生活中，人們在使用部分電器時，例如電視、機頂盒、電燈等，并沒有使用后拔下插座的習慣，因此這些電器仍會消耗部分電能，造成很可觀的能源浪費。經(jīng)過實際檢測，機頂盒在工作時的耗電量是9.9W，機頂盒在待機狀態(tài)下的耗電量達1.1W左右，兩者相差很小，筆記本電腦待機功率為0.99W，電磁爐待機功率為0.86W，洗衣機待機功率為0.03W。使用后不拔插座不僅會造成電能的浪費，還會影響電路零件的壽命，同時存在不安全因素。人的習慣很難改變，這就需要我們設(shè)計出一種智能通斷電插座實現(xiàn)節(jié)能替代。國內(nèi)外關(guān)于智能插座的研究取得了一定的成果，然而卻一直未實現(xiàn)大規(guī)模的啟用，有待改進的問題是手動通電的問題。目前已有的智能插座（無手機軟件控制）雖然能夠智能斷電，但二次啟用時仍需人工手動開啟，智能化程度不夠。因此研究智能通斷電智能插座對節(jié)約電能、安全使用電器有著重大意義。

2 系統(tǒng)設(shè)計原理與功能

融合了電源模塊、單片機系統(tǒng)、繼電器控制和紅外感應(yīng)裝置。其工作原理是：當紅外感應(yīng)裝置多次均未檢測到所在室內(nèi)有人體存在時，默認所連接電器未被使用，處于待機狀態(tài)，繼電器切斷電源，紅外感應(yīng)裝置仍間斷檢測室內(nèi)狀態(tài)，直至檢測到所在室內(nèi)有人體存在，繼電器合上接通電源。通斷電控制采用完整可靠的程序算法。工作原理示意框圖如圖1所示。

圖1：工作原理示意框圖

3 設(shè)計優(yōu)化主要內(nèi)容

3.1 實現(xiàn)靜態(tài)人體識別

傳統(tǒng)的紅外傳感器只能對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的動態(tài)事物進行一次識別，若相應(yīng)熱源在該區(qū)域內(nèi)相對靜止，則無法再次被識別出來，而且傳統(tǒng)的紅外傳感器難以區(qū)分人體和其他動物，很容易造成誤判。我們選擇使用的傳感器可以將監(jiān)測范圍內(nèi)的熱源溫度，實時地傳輸給單片機，在此基礎(chǔ)上，我們使用單片機進行簡單編程，將判決結(jié)果簡化為監(jiān)測區(qū)域內(nèi)有人體，則輸出高電平，若監(jiān)測區(qū)域內(nèi)無人體，則輸出低電平。

3.2 智能通斷電

以Panasonic Grid-EYE紅外陣列傳感器為基礎(chǔ)，將收集到的矩陣經(jīng)過一定的算法，判決溫度在36℃～37℃的熱源為人體，并且將判斷結(jié)果發(fā)送給繼電器，進而控制電路的通斷電。

3.3 延時斷電

在某些用電場合，往往不需要人體離開時就立刻斷電，因此為了滿足不同場合的用電需要，我們增設(shè)了延時斷電的功能。

4 樣機研制的關(guān)鍵

4.1 監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的溫度采集。

通過Panasonic Grid-EYE紅外陣列傳感器，可以收集到所監(jiān)測范圍內(nèi)的實時溫度信息，傳感器將監(jiān)測區(qū)域劃分為一個包含多個點的矩陣，將各個點的溫度以矩陣的形式發(fā)送給處理器。

4.2 對采集到的數(shù)據(jù)進行處理。

我們通過單片機將接收到的矩陣進行數(shù)據(jù)處理，將矩陣內(nèi)一定數(shù)量溫度處于36℃～37℃的點，判斷為人體，并且輸出邏輯電平為高電平。由于傳感器實時地將監(jiān)測結(jié)果發(fā)送給單片機，因此一旦區(qū)域內(nèi)沒有符合判斷要求的溫度點，則可以立刻判決為“無人”狀態(tài)，輸出邏輯電平為低電平。

4.3 加入延時斷電功能。

生活中在使用“即開即用”類電器時，使用者可能中途短暫離開，稍后再次回到監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，在這段時間內(nèi)不需要切斷電器的電源，因此為了更方便地使用電器，我們在進行單片機編程時，增加了延時斷電的功能，使用者可以根據(jù)需要，設(shè)定需要延時的時間長度。若在設(shè)定的時間內(nèi)，使用者回到監(jiān)測區(qū)域，則延時重置，當使用者下一次短暫離開，系統(tǒng)將重新開始計時，直到計時結(jié)束使用者都沒有回到監(jiān)測區(qū)域，則繼電器將會動作，斷開插座。

4.4 電路參數(shù)的計算

我們在設(shè)計完成電路的功能后，根據(jù)電路中已使用的元器件，對電路進行了計算，補充了一些元器件，調(diào)試之后使電路能夠平穩(wěn)運行。

5 特色創(chuàng)新及需要改進的問題

傳統(tǒng)插座持續(xù)供電，對即開即用型的電器如電視，電腦，機頂盒等，待機而未拔掉插頭的情況下，仍有電流通過用電器電路，會造成能源的浪費和對電路的損耗。而智能通斷電節(jié)能插座很好的解決了這個問題。在電器待機時，切斷插座電源，保證了安全與節(jié)能。問題關(guān)鍵在于如何判定電器的待機狀態(tài)，首先想到可以利用電路內(nèi)部參數(shù)的變化來分辨不同的狀態(tài)。但是由于電路發(fā)生變化的參量數(shù)值本身比較微小，難以用合適的測量元件來對不同的狀態(tài)進行區(qū)分。其次，對于不同的電器，待機狀態(tài)與工作狀態(tài)的電路參數(shù)的變化是不同的，因此不能通過工作與待機時電路參數(shù)變化來控制插座電源的通斷。于是轉(zhuǎn)變思路，利用紅外感應(yīng)，在裝置感應(yīng)到有人的狀態(tài)下，給插座供電；在長時間無人的狀態(tài)下，判定電器未被使用，切斷插座電源，保證了用電器關(guān)閉，減少了待機消耗，保證了安全。

智能插座設(shè)計中也存在需改進的問題：插座的紅外感應(yīng)模塊需要時刻供電，也存在一定能耗問題，紅外感應(yīng)用USB口以5V電壓供電，消耗電流在4.5mA左右，實際消耗的功率相較于一般家用電器的待機消耗要小的多，因此可以滿足一定的節(jié)能要求；紅外感應(yīng)的使用要求插座必須安裝在沒有障礙物遮擋的地方，而且感應(yīng)距離必須足以覆蓋使用空間，并且需要能夠識別人體；紅外陣列感應(yīng)很好的解決了人體的識別與感應(yīng)距離的問題，但是成本相對較高。

6 結(jié)束語

在提倡節(jié)能減排的今天，越來越多的人開始注意節(jié)能環(huán)保，然而仍有許多人在實際生活中還在因為不良的用電習慣產(chǎn)生著不必要的能耗。應(yīng)用了紅外陣列感應(yīng)模塊的智能通斷電節(jié)能插座，通過感應(yīng)人體紅外信號，判定電器使用狀態(tài)，從而控制插座電源的開關(guān)，進而減少了電器的待機功率。

通過試驗測試，智能通斷電節(jié)能插座能夠很好的減少因人們不良的用電習慣帶來的能量損耗，保證電路安全，減少用電安全隱患，有較高的應(yīng)用價值，對于響應(yīng)節(jié)能減排的號召，具有很大的推廣空間。