智能通斷電節能插座設計

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，這就需要我們設計出一種智能通斷電插座實現節能替代。國內外關于智能插座的研究取得了一定的成果，然而卻一直未實現大規模的啟用，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約電能、安全使用電器有著重大意義。

2 系統設計原理與功能

融合了電源模塊、單片機系統、繼電器控制和紅外感應裝置。其工作原理是：當紅外感應裝置多次均未檢測到所在室內有人體存在時，默認所連接電器未被使用，處于待機狀態，繼電器切斷電源，紅外感應裝置仍間斷檢測室內狀態，直至檢測到所在室內有人體存在，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 設計優化主要內容

3.1 實現靜態人體識別

傳統的紅外傳感器只能對監測區域內的動態事物進行一次識別，若相應熱源在該區域內相對靜止，則無法再次被識別出來，而且傳統的紅外傳感器難以區分人體和其他動物，很容易造成誤判。我們選擇使用的傳感器可以將監測范圍內的熱源溫度，實時地傳輸給單片機，在此基礎上，我們使用單片機進行簡單編程，將判決結果簡化為監測區域內有人體，則輸出高電平，若監測區域內無人體，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，將收集到的矩陣經過一定的算法，判決溫度在36℃～37℃的熱源為人體，并且將判斷結果發送給繼電器，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，我們增設了延時斷電的功能。

4 樣機研制的關鍵

4.1 監測區域內的溫度采集。

通過Panasonic Grid-EYE紅外陣列傳感器，可以收集到所監測范圍內的實時溫度信息，傳感器將監測區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送給處理器。

4.2 對采集到的數據進行處理。

我們通過單片機將接收到的矩陣進行數據處理，將矩陣內一定數量溫度處于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測結果發送給單片機，因此一旦區域內沒有符合判斷要求的溫度點，則可以立刻判決為“無人”狀態，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，稍后再次回到監測區域內，在這段時間內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，使用者可以根據需要，設定需要延時的時間長度。若在設定的時間內，使用者回到監測區域，則延時重置，當使用者下一次短暫離開，系統將重新開始計時，直到計時結束使用者都沒有回到監測區域，則繼電器將會動作，斷開插座。

4.4 電路參數的計算

我們在設計完成電路的功能后，根據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，調試之后使電路能夠平穩運行。

5 特色創新及需要改進的問題

傳統插座持續供電，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，保證了安全與節能。問題關鍵在于如何判定電器的待機狀態，首先想到可以利用電路內部參數的變化來分辨不同的狀態。但是由于電路發生變化的參量數值本身比較微小，難以用合適的測量元件來對不同的狀態進行區分。其次，對于不同的電器，待機狀態與工作狀態的電路參數的變化是不同的，因此不能通過工作與待機時電路參數變化來控制插座電源的通斷。于是轉變思路，利用紅外感應，在裝置感應到有人的狀態下，給插座供電；在長時間無人的狀態下，判定電器未被使用，切斷插座電源，保證了用電器關閉，減少了待機消耗，保證了安全。

智能插座設計中也存在需改進的問題：插座的紅外感應模塊需要時刻供電，也存在一定能耗問題，紅外感應用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能要求；紅外感應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；紅外陣列感應很好的解決了人體的識別與感應距離的問題，但是成本相對較高。

6 結束語

在提倡節能減排的今天，越來越多的人開始注意節能環保，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生著不必要的能耗。應用了紅外陣列感應模塊的智能通斷電節能插座，通過感應人體紅外信號，判定電器使用狀態，從而控制插座電源的開關，進而減少了電器的待機功率。

通過試驗測試，智能通斷電節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，有較高的應用價值，對于響應節能減排的號召，具有很大的推廣空間。