智能通断电节能插座设计

文/吴沁莹 刘晨曦 郭鲁斌

1 引言

日常生活中，人们在使用部分电器时，例如电视、机顶盒、电灯等，并没有使用后拔下插座的习惯，因此这些电器仍会消耗部分电能，造成很可观的能源浪费。经过实际检测，机顶盒在工作时的耗电量是9.9W，机顶盒在待机状态下的耗电量达1.1W左右，两者相差很小，笔记本电脑待机功率为0.99W，电磁炉待机功率为0.86W，洗衣机待机功率为0.03W。使用后不拔插座不仅会造成电能的浪费，还会影响电路零件的寿命，同时存在不安全因素。人的习惯很难改变，这就需要我们设计出一种智能通断电插座实现节能替代。国内外关于智能插座的研究取得了一定的成果，然而却一直未实现大规模的启用，有待改进的问题是手动通电的问题。目前已有的智能插座（无手机软件控制）虽然能够智能断电，但二次启用时仍需人工手动开启，智能化程度不够。因此研究智能通断电智能插座对节约电能、安全使用电器有着重大意义。

2 系统设计原理与功能

融合了电源模块、单片机系统、继电器控制和红外感应装置。其工作原理是：当红外感应装置多次均未检测到所在室内有人体存在时，默认所连接电器未被使用，处于待机状态，继电器切断电源，红外感应装置仍间断检测室内状态，直至检测到所在室内有人体存在，继电器合上接通电源。通断电控制采用完整可靠的程序算法。工作原理示意框图如图1所示。

图1：工作原理示意框图

3 设计优化主要内容

3.1 实现静态人体识别

传统的红外传感器只能对监测区域内的动态事物进行一次识别，若相应热源在该区域内相对静止，则无法再次被识别出来，而且传统的红外传感器难以区分人体和其他动物，很容易造成误判。我们选择使用的传感器可以将监测范围内的热源温度，实时地传输给单片机，在此基础上，我们使用单片机进行简单编程，将判决结果简化为监测区域内有人体，则输出高电平，若监测区域内无人体，则输出低电平。

3.2 智能通断电

以Panasonic Grid-EYE红外阵列传感器为基础，将收集到的矩阵经过一定的算法，判决温度在36℃～37℃的热源为人体，并且将判断结果发送给继电器，进而控制电路的通断电。

3.3 延时断电

在某些用电场合，往往不需要人体离开时就立刻断电，因此为了满足不同场合的用电需要，我们增设了延时断电的功能。

4 样机研制的关键

4.1 监测区域内的温度采集。

通过Panasonic Grid-EYE红外阵列传感器，可以收集到所监测范围内的实时温度信息，传感器将监测区域划分为一个包含多个点的矩阵，将各个点的温度以矩阵的形式发送给处理器。

4.2 对采集到的数据进行处理。

我们通过单片机将接收到的矩阵进行数据处理，将矩阵内一定数量温度处于36℃～37℃的点，判断为人体，并且输出逻辑电平为高电平。由于传感器实时地将监测结果发送给单片机，因此一旦区域内没有符合判断要求的温度点，则可以立刻判决为“无人”状态，输出逻辑电平为低电平。

4.3 加入延时断电功能。

生活中在使用“即开即用”类电器时，使用者可能中途短暂离开，稍后再次回到监测区域内，在这段时间内不需要切断电器的电源，因此为了更方便地使用电器，我们在进行单片机编程时，增加了延时断电的功能，使用者可以根据需要，设定需要延时的时间长度。若在设定的时间内，使用者回到监测区域，则延时重置，当使用者下一次短暂离开，系统将重新开始计时，直到计时结束使用者都没有回到监测区域，则继电器将会动作，断开插座。

4.4 电路参数的计算

我们在设计完成电路的功能后，根据电路中已使用的元器件，对电路进行了计算，补充了一些元器件，调试之后使电路能够平稳运行。

5 特色创新及需要改进的问题

传统插座持续供电，对即开即用型的电器如电视，电脑，机顶盒等，待机而未拔掉插头的情况下，仍有电流通过用电器电路，会造成能源的浪费和对电路的损耗。而智能通断电节能插座很好的解决了这个问题。在电器待机时，切断插座电源，保证了安全与节能。问题关键在于如何判定电器的待机状态，首先想到可以利用电路内部参数的变化来分辨不同的状态。但是由于电路发生变化的参量数值本身比较微小，难以用合适的测量元件来对不同的状态进行区分。其次，对于不同的电器，待机状态与工作状态的电路参数的变化是不同的，因此不能通过工作与待机时电路参数变化来控制插座电源的通断。于是转变思路，利用红外感应，在装置感应到有人的状态下，给插座供电；在长时间无人的状态下，判定电器未被使用，切断插座电源，保证了用电器关闭，减少了待机消耗，保证了安全。

智能插座设计中也存在需改进的问题：插座的红外感应模块需要时刻供电，也存在一定能耗问题，红外感应用USB口以5V电压供电，消耗电流在4.5mA左右，实际消耗的功率相较于一般家用电器的待机消耗要小的多，因此可以满足一定的节能要求；红外感应的使用要求插座必须安装在没有障碍物遮挡的地方，而且感应距离必须足以覆盖使用空间，并且需要能够识别人体；红外阵列感应很好的解决了人体的识别与感应距离的问题，但是成本相对较高。

6 结束语

在提倡节能减排的今天，越来越多的人开始注意节能环保，然而仍有许多人在实际生活中还在因为不良的用电习惯产生着不必要的能耗。应用了红外阵列感应模块的智能通断电节能插座，通过感应人体红外信号，判定电器使用状态，从而控制插座电源的开关，进而减少了电器的待机功率。

通过试验测试，智能通断电节能插座能够很好的减少因人们不良的用电习惯带来的能量损耗，保证电路安全，减少用电安全隐患，有较高的应用价值，对于响应节能减排的号召，具有很大的推广空间。