基于AI的节能用电控制助手概述

常文晋 张家硕

广东东软学院 计算机学院 广东 佛山 528200

引言

如今的世界能源使用紧张已成为限制我国的经济可持续发展的一大主要因素，能源紧张的危机已经影响到了全世界经济的可持续发展。电力资源紧缺已成为制约国家经济发展的重要瓶颈。“节能降耗”不可避免地成为当今社会面临的一个主题。伴随着新世纪智能电网产业的深入研究以及高速发展，整个社会对于低碳生活、节能用电、环境保护、环保的积极倡导，以及在国家最新实施的阶梯电价等紧张能源使用消费政策的引导，基于此背景下，节能智能用电将成为今后用电方式的主流。经调查表明，现如今的能源的浪费情况是主要由于用户在不经意间忘记或缺少节能意识造成的，同时因为现有的节能用电系统功能不足，缺乏对用电浪费现象进行自动纠正的功能。

针对上述问题，本文进行了对于用电的节能控制的深入研究，研发完成了一套基于AI的节能用电控制助手装置，在无须用户干预的基础上解决了电器电能浪费和分配浪费的问题。在不影响用户用电舒适度的前提下，为用户节省电费。

1 节能用电控制助手的总体方案设计

基于AI的用电控制与节能管理系统，创新性地设计应用基于神经网络的家电监控算法和云端数据库，能够实现智能用电管理、节能配电、用电监测，提供APP供管理员远程监控及管理实验。利用Python全自动爬取用电信息并分类储存到云端数据库，系统根据获取到的用电数据智能通断用电设备，并将用电设备的用电量实时保存到云端，根据使用情况和用电需求智能休眠不必要的用电设备。运用yolov3算法，通过神经网络算法训练人物模型，通过增大训练样本数，降低训练时loss损失函数，把迭代n次数之后的模型用以测试，最终达到要求，可以精准智能地调控场所内的用电器。

运用yolov3算法，通过树莓派在云端用python爬取数据并且经过数据分析和处理之后分别发送到用户显示和32单片机，单片机在设定的人机交互系统检测用户是否有需求并且信号是否异常，同时传感检测系统和信号处理系统检测到的电压和电流经过算法处理发送到单片机分步处理再与树莓派数据交互，实现人工智能[1]。

2 节能用电控制助手的硬件设计

2.1 光强检测模块

利用光敏电阻阻值随光强的变化特性来检测光强，采用单片机控制输出模块和数模转换芯片依次测量不同的光照强度

2.2 热释电传感器探测模块

该设备的“检测眼睛”——热释电红外探测模块，本项目所选用的是信号处理器芯片为BISS0001的红外传感。热释电红外探测传感器对反射波长为10 um左右的人体红外辐射极其敏感，当人通过传感器检测范围时，设备传感器就会很快地检测到人的所在，并且产生有效的高电平。这种热释电探测传感器价格比较低廉，很容易从市场上购买到，并且它的体积比较小安装很方便。但是热释电探测传感器的探测范围是有限制范围的，所以需要合理布置该设备系统，使得传感器的探测范围覆盖到整个共享空间。热释电探测传感器在放置时尽量保持与人体垂直，这样能够有效提高探测的灵敏度。

2.3 电流检测信号的获取

为判断待机电器工作状态，本文采用电流检测技术[9,10,11,12]来实现。检测方案能够满足量程和小信号的要求。用户可自行设置可断电回路电流门槛值Ia（可断电回路上所有待机用电设备的待机电流之和）。但需强调的是，Ia可能会大于某些小电流设备的工作电流，为避免因误判而影响该类设备的正常工作，可将小电流工作设备接入持续供电回路[2]。

3 节能用电控制助手的软件设计

3.1 树莓派软件设计

AI节能用电控制助手采用最先进的电源管理芯片，系统调节信号处理、屏幕显示、键盘输入等各个工作模块的最佳工作电压和电流，是全方位进行结构性优化，有效降低能耗，特别在处理多项任务程序时，进程不会特别的卡顿。树莓派在系统中起到承上启下的作用，首先，如果断电重启开始的时候，会上电初始化程序来矫正，有利于释放内存空间并以防上一次错误将程序卡死，接着计算各个用电器的用电功率，并从python爬虫的数据互相作比较，当用电值高于某用电器标准用电测量值时，会进行用电分析系统分析用电器的用电量、分项能耗以及用电异常并计算各项结果后送到APP，用户可以通过接收手机信息，并下达操作指令给节能用电控制助手。

此时通过节能用电控制助手的用电分析系统反馈给树莓派与监控系统进行信息交互并上传的用电信息，再统一上传给用户的手机app，用户可以清晰地了解到各个用电器的耗电信息，并决定个人爱好需求是否要在这个时候将该用电器断电，当树莓派一段时间内没有进行操作时，系统自动进入用电纠正进行休眠。系统到其软件设计流程图如图：

4 智能分配策略功能以及优化

4.1 节电方案的分配设置与调整

在每个场所涉及的用电器不一样，以及所使用的人员和使用用电器时间不一样，因此我们需要寻找一个比较优质的匹配在用户的使用需求以及节约能源、保护环境之间，在既不影响用户的正常使用需求下，以智能提示的对接方式对用户进行直接或间接的督促，减少额外的用电量，达到节省能源、减少排放的功能，以达到各方状态的最优化，实现能源的可持续发展。

系统假设了4个模拟时段，各个时段分别采用一种电价模式。可供选择的时段分别为：6：00-8：00，8：00-19：00，19：00-23：00，23：00-6：00，在演示时，用户需要选择一个模拟时段系统会向用户显示出当前空间内所用的用电设备基本情况，用户可以根据自己需要从而选择自己要开启使用的用电设备，开启使用后系统即可计算出整个空间内的使用用电总功率，根据用户的自我需求选择自动生成一套智能节能用电方案，节能用电方案并不是唯一的，用户可以根据自己的个人需求，对节能用电方案来进行调整。

4.2 不足及优化

（1）投入成本较高，初期研究技术不足，可能会对硬件设备需求量较大，以及定时进行器件维护，整个环境搭建需要的成本较高。

（2）因环境温度以及网络环境下计算数据可能会有偏差。大部分传感器对温度极其敏感，在较高温度的环境下，可能传感器无法准确识别环境温度变化量，之后把错误的数据传到系统进行计算，导致数据出错，可能会自动关闭用电器的使用。

（3）用户在无网络的情况下智能用电控制助手无法监控用电情况。在某个时候若网络波动不稳定甚至网络断开的情况下，智能用电控制助手无法给用户进行监控，可能需要用户进行手动操作。

在后期进行环境优化，需要的传感器数量进行减少。用户较多的情况下可能会搭建一个平台服务器，用户进行账号登录的时候可以对系统进行固件优化升级，使系统的漏洞得以修复并简化操作界面，方便用户的操作使用。

5 结束语

长期以来，我国的耗电量一直居于世界前列，我国改革发展正处于关键时期，要实现建设小康社会的奋斗目标，各方面都要跟上去，AI节能用电控制助手正是响应国家的号召诞生的一款产品，其操作模式简便，也不需要过多的人工干预，是一款真正的智能化产品。随着各项产业的发展，电耗量指标成为我国一项必不可少的因素，所以减少电耗量是我们发明这项产品的目的，只有适应市场才能更好地发展，形成良性循环。