一大把首页 企业库 产品库 行业圈 企业资讯

注册|登录

您的位置: 企业资讯 > 电气资讯 > 科学家提出了一种无线家庭能源管理系统,可有效降低家用电器的能耗!

科学家提出了一种无线家庭能源管理系统,可有效降低家用电器的能耗!

2020-11-19 07:10:55

尽管太阳能和风能等可再生能源的利用越来越多,但大多数住宅建筑仍然依赖公共事业服务提供的传统能源。这类公用事业服务通常采用使用时间能源定价,这迫使居民消费者减少他们的能源使用。本文提出一种无线家庭能源管理(HEM)系统,能够自动控制家用电器以降低能源消耗,以帮助此类能源用户。该系统由多个智能插座组成,可以测量被连接的电器消耗的能量,并能够执行on/off命令。该系统包括其他支持组件,为中央控制器提供数据,它利用了基于规则的HEM算法。设计了控制规则,在保持用户生活方式的同时,降低了能耗和日常能耗。实验结果表明,该中央控制器能够有效地接收数据并控制多个设备。此外,该系统可显著减少23.5千瓦时的总能源消耗和2.898元的家庭装置电费。
相关论文以题为“Wireless Home Energy Management System with Smart Rule-Based Controller”发表在《Applied Sciences》上。


尽管可再生能源越来越多地融入发电过程,但世界仍然主要依靠不可再生资源通过公用事业服务提供住宅能源。在这个框架下,居民消费者被迫减少他们的能源使用,以受益于政府的激励措施,通过调整能源使用时间和高效设备,如LED灯,来鼓励有效的公共能源利用。然而,发展这种能源管理系统的主要障碍是管制能源使用给用户带来的不便。因此,许多研究都试图开发家庭能源管理(HEM)系统,使能源利用最小化,同时保持最高水平的用户舒适度。此外,用户偏好和舒适度等足够多的约束条件也没有被恰当地纳入到最小化能耗的优化问题中。
作为对前人工作的改进,研究人员提出了一种综合的HEM算法,该算法考虑了分布式发电和电池存储系统(BSS)。该控制器的目标是通过电池充电和放电来优化使用计划,以最小化家庭的日常能源成本。这项研究的主要贡献是它考虑了大量的家用电器和使用真实数据来模拟多种能源使用场景。研究人员还提出了一个能源管理系统的实际实施方案,该系统由家庭服务器和zigbee连接的家用电器组成。该服务器从互联网上获取天气预报信息,并使用这些数据来估计从连接的分布式发电机(DGs)产生的所需能源。建立了一个用户界面,以显示先前的负荷概况和DGs的生成历史,以及天气预报信息。但是,开发的测试台不能用于监测维护用户舒适度所需的信息,如室温、热器具设定值、电加热器中的水温等,也可以用于提高HEM系统的效率。与此同时,一些公司已经设计并销售家庭自动化系统。例如,通用电气公司、本田、三星、Fibaro等人设计了一个用智能手机控制家用电器的系统。这些系统通过智能手机应用程序控制和监控设备,为客户提供强有力的支持。然而,商用家居自动化系统的主要缺点是其软件和硬件的细节是保密的,无法用于学术研究。
边缘系统
本文所开发的HEM系统主要由电器监控电路、室内状态监控电路和主调度终端三个模块组成。这三个模块通过安装在模块内的XBee微控制器通过ZigBee无线通信协议进行连接。XBee微控制器配置为API 2通信模式,允许以包的形式传输数据。使用这种包的主要优点之一是,它可以集成到地址信息中,使主控制器能够识别发送和接收任何数据的模块。然而,数据应该在传输端编码为字符串字节,在接收端解码为浮点值,以适应传输包。图1显示了建议的HEM系统的插图。
图1.系统配置。
调度终端
所配置的XBee微控制器通过USB端口连接到个人计算机(PC),并作为调度协调器发挥作用。主计算机上的图形用户界面(GUI)支持的MATLAB程序使用户能够输入所需的舒适水平,包括房间温度、冰箱温度、热水器温度和照度范围的最低、最高和正常定价时间。主调度程序还从用户指定的公用事业服务的网站获取日前价格。该控制命令是根据用户预定义的信息,以及从附加在电器上的智能插座获得的功耗信息、加热器出口水温、房间状况和占用信息生成的。命令以二进制决策的形式发送到特定的智能插头上,以打开/关闭连接的设备;向zigbee连接的调光器发送调光命令,以降低/增加可调光led的光强度;此外,温度设置发送到zigbee连接的红外线(IR)遥控器,以设置ACs到特定的温度。图2显示了调度协调器GUI的屏幕截图。
图2.能源管理系统的图形用户界面。
用户可以手动向家用电器发送命令,调整所需的舒适度或特定电器的电力消耗,或覆盖连接设备的自动调度功能,如图2所示。还可以清楚地看到,通过图形化地显示任何指定设备的电力消耗,GUI极大地帮助用户做出决策。用户还可以图形化地检查每小时的价格变化,并确定最小和最大的价格小时数,这有利于决策。
智能插头/插座
智能插头/插座可监察额定功率达13a的连接电器的耗电量,并使用集成继电器开关。插头/插座确定并处理被连接设备的单相电源线电压和电流,然后将捕获的数据发送到被连接的主节点(使用时)或控制器。插头/插座使用上述无线通信模块和存储原始数据提供的微控制器。图3显示了用于开发插头/插座原型(右)的组件(左)。
图3.智能插头/插座:组件和原型。
zigbee连接IR遥控器
采用Zigbee连接的学习者IR远程控制灵活地控制交流单元。遥控器使用一个红外接收二极管学习预先编程的红外命令从原来的交流遥控器。一个普通的红外发射机被用来驱动从调度控制器终端接收到的命令。图4显示了远程控制电路。
图4.zigbee连接红外线(IR)学习者远程控制。
通过使用TSOP解码二极管和Arduino Mega微控制器,遥控器可以学习原来AC遥控器传输的IR数字编码模式。微控制器将这些图案以数字命令的形式保存起来,并将各种温度设置保存在内部存储器中。当通过集成的Zigbee通信模块从调度控制器终端接收到远程命令时,微控制器通过红外发射器发送所述早期学习的红外代码之一。因此,Zigbee远程控制的连通性允许用户通过调度器算法的远程命令或通过用户界面的手动命令来控制AC单元。使用基于Zigbee的IR报告的优势是,控制大功率交流单位不需要接触器与高额定电流,如在[17]。该电路可以被复制以控制多个交流单元。图5说明了遥控器的操作。
图5.IR遥控器的操作。
结论
本文介绍了一种由硬件和软件组成的智能HEM系统。该系统利用各种仪器进行能量、温度和照度信息的无线传输,由主控制器远程生成并向硬件驱动电路发送命令。这些命令包括开/关、温度控制和照度调节命令。系统软件包括一个有效的基于规则的HEM算法,它接收来自各种系统电路的实时输入,用于控制电器,从而在不影响用户生活方式的情况下降低电器的功耗。试验结果证实了拟议系统的控制可靠性,每日耗电量及电费分别减少23.5千瓦及2.898元。在未来的工作中,硬件设计可以通过增加新的支持电路或其他功能来改进,例如检测房间中的人数。此外,采用基于模糊或启发式的优化方法可以增强基于规则的调度算法。
论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/13/4533/htm

转载:贤集网-电子分析员

版权与免责声明

1、一大把网站对已注明来源的文章或图片等稿件进行转载是出于传递更多信息之目的,并不意味着赞同其观点或证实其内容的真实性,不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。

2、本网转载作品均注明来源,如涉及作品内容、版权等问题,请及时与本网联系,我们将在第一时间删除内容。

3、其他媒体、网站或个人从本网转载时,必须保留本网注明的作品出处,并自负版权等法律责任。

更多版权相关条款请查看本站“版权声明