基于AI的節能用電控制助手概述

常文晉 張家碩

廣東東軟學院 計算機學院 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濟可持續發展的一大主要因素，能源緊張的危機已經影響到了全世界經濟的可持續發展。電力資源緊缺已成為制約國家經濟發展的重要瓶頸。“節能降耗”不可避免地成為當今社會面臨的一個主題。伴隨著新世紀智能電網產業的深入研究以及高速發展，整個社會對于低碳生活、節能用電、環境保護、環保的積極倡導，以及在國家最新實施的階梯電價等緊張能源使用消費政策的引導，基于此背景下，節能智能用電將成為今后用電方式的主流。經調查表明，現如今的能源的浪費情況是主要由于用戶在不經意間忘記或缺少節能意識造成的，同時因為現有的節能用電系統功能不足，缺乏對用電浪費現象進行自動糾正的功能。

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

1 節能用電控制助手的總體方案設計

基于AI的用電控制與節能管理系統，創新性地設計應用基于神經網絡的家電監控算法和云端數據庫，能夠實現智能用電管理、節能配電、用電監測，提供APP供管理員遠程監控及管理實驗。利用Python全自動爬取用電信息并分類儲存到云端數據庫，系統根據獲取到的用電數據智能通斷用電設備，并將用電設備的用電量實時保存到云端，根據使用情況和用電需求智能休眠不必要的用電設備。運用yolov3算法，通過神經網絡算法訓練人物模型，通過增大訓練樣本數，降低訓練時loss損失函數，把迭代n次數之后的模型用以測試，最終達到要求，可以精準智能地調控場所內的用電器。

運用yolov3算法，通過樹莓派在云端用python爬取數據并且經過數據分析和處理之后分別發送到用戶顯示和32單片機，單片機在設定的人機交互系統檢測用戶是否有需求并且信號是否異常，同時傳感檢測系統和信號處理系統檢測到的電壓和電流經過算法處理發送到單片機分步處理再與樹莓派數據交互，實現人工智能[1]。

2 節能用電控制助手的硬件設計

2.1 光強檢測模塊

利用光敏電阻阻值隨光強的變化特性來檢測光強，采用單片機控制輸出模塊和數模轉換芯片依次測量不同的光照強度

2.2 熱釋電傳感器探測模塊

該設備的“檢測眼睛”——熱釋電紅外探測模塊，本項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，當人通過傳感器檢測范圍時，設備傳感器就會很快地檢測到人的所在，并且產生有效的高電平。這種熱釋電探測傳感器價格比較低廉，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備系統，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

為判斷待機電器工作狀態，本文采用電流檢測技術[9,10,11,12]來實現。檢測方案能夠滿足量程和小信號的要求。用戶可自行設置可斷電回路電流門檻值Ia（可斷電回路上所有待機用電設備的待機電流之和）。但需強調的是，Ia可能會大于某些小電流設備的工作電流，為避免因誤判而影響該類設備的正常工作，可將小電流工作設備接入持續供電回路[2]。

3 節能用電控制助手的軟件設計

3.1 樹莓派軟件設計

AI節能用電控制助手采用最先進的電源管理芯片，系統調節信號處理、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，是全方位進行結構性優化，有效降低能耗，特別在處理多項任務程序時，進程不會特別的卡頓。樹莓派在系統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，有利于釋放內存空間并以防上一次錯誤將程序卡死，接著計算各個用電器的用電功率，并從python爬蟲的數據互相作比較，當用電值高于某用電器標準用電測量值時，會進行用電分析系統分析用電器的用電量、分項能耗以及用電異常并計算各項結果后送到APP，用戶可以通過接收手機信息，并下達操作指令給節能用電控制助手。

此時通過節能用電控制助手的用電分析系統反饋給樹莓派與監控系統進行信息交互并上傳的用電信息，再統一上傳給用戶的手機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將該用電器斷電，當樹莓派一段時間內沒有進行操作時，系統自動進入用電糾正進行休眠。系統到其軟件設計流程圖如圖：

4 智能分配策略功能以及優化

4.1 節電方案的分配設置與調整

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質的匹配在用戶的使用需求以及節約能源、保護環境之間，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行直接或間接的督促，減少額外的用電量，達到節省能源、減少排放的功能，以達到各方狀態的最優化，實現能源的可持續發展。

系統假設了4個模擬時段，各個時段分別采用一種電價模式。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會向用戶顯示出當前空間內所用的用電設備基本情況，用戶可以根據自己需要從而選擇自己要開啟使用的用電設備，開啟使用后系統即可計算出整個空間內的使用用電總功率，根據用戶的自我需求選擇自動生成一套智能節能用電方案，節能用電方案并不是唯一的，用戶可以根據自己的個人需求，對節能用電方案來進行調整。

4.2 不足及優化

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

（2）因環境溫度以及網絡環境下計算數據可能會有偏差。大部分傳感器對溫度極其敏感，在較高溫度的環境下，可能傳感器無法準確識別環境溫度變化量，之后把錯誤的數據傳到系統進行計算，導致數據出錯，可能會自動關閉用電器的使用。

（3）用戶在無網絡的情況下智能用電控制助手無法監控用電情況。在某個時候若網絡波動不穩定甚至網絡斷開的情況下，智能用電控制助手無法給用戶進行監控，可能需要用戶進行手動操作。

在后期進行環境優化，需要的傳感器數量進行減少。用戶較多的情況下可能會搭建一個平臺服務器，用戶進行賬號登錄的時候可以對系統進行固件優化升級，使系統的漏洞得以修復并簡化操作界面，方便用戶的操作使用。

5 結束語

長期以來，我國的耗電量一直居于世界前列，我國改革發展正處于關鍵時期，要實現建設小康社會的奮斗目標，各方面都要跟上去，AI節能用電控制助手正是響應國家的號召誕生的一款產品，其操作模式簡便，也不需要過多的人工干預，是一款真正的智能化產品。隨著各項產業的發展，電耗量指標成為我國一項必不可少的因素，所以減少電耗量是我們發明這項產品的目的，只有適應市場才能更好地發展，形成良性循環。