CN104297594A - 一种智能家居的家电设备运行状态监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能家居的家电设备运行状态监测方法，在市电接入线路处安装一台电功率采集器，家庭电路中所有家电设备通过电功率采集器连接至市电，电功率采集器的数据传输端连接智能家居控制系统。在以上硬件部署工作完成之后，通过采集家电设备电功率数据、对电功率数据进行预处理、提取电功率数据特征值、对运行状态进行识别四个步骤，可监测家庭电路中所有家电设备任意时刻的运行状态。本发明是一种非侵入式家电设备运行状态监测方法，在添加新家电设备或更换家电设备时，不需要对家电做任何改造，结构简单，使用方便，具有非常高的普适性，同时也为使用者节省了大量电能。

Description

一种智能家居的家电设备运行状态监测方法

技术领域

本发明属于一种电器的运行状态监测方法，特别涉及一种智能家居的家电设备运行状态监测方法。

背景技术

在常规的智能家居中，当需要获取家电设备的运行状态时，往往需要事先对智能家居中每一台家电设备进行改造，植入一些用于监测家电设备运行状态的无线模块，或是为家电设备添加一个专用的外部设备，用来监测特定家电设备的运行状态。

以上两种方法均需要对智能家居中每一台家电设备进行内部或外部的改造，以达到监测家电设备运行状态的目的，而且往往对不同家电设备的改造方法是不同的。即无论上述哪一种方法，其实质都是对家电设备进行改造，以达到监测特定家电设备运行状态的目的。其工作方式为：在家电设备上添加一个无线控制模块，此模块从其依附的家电设备中获取电能，或使用自身携带的电池作为电能来源。当它工作的时候，实时地对其所依附的家电设备运行状态进行监测，同时以无线电波的通信方式从智能家居控制系统接收命令，并根据智能家居控制系统给出的命令返回相应的数据，智能家居控制系统根据返回的数据判断出此无线控制模块所依附的家电设备当前的运行状态，从而实现对特定家电设备运行状态的监测。然而，要实现对智能家居中所有家电设备的监测，就必须对各种不同的家电设备做不同的改造，其安装实施过程是非常繁琐的，而且在添加新家电设备或更换家电设备的时候，需要再次对新的家电设备进行改造，这在客观上为使用者带来了非常大的不便。

从使用者对智能家居的使用来看，智能家居中常规的家电设备运行状态监测方法采用无线电进行通信，众多设备结点共同组成蜂窝式通信网络的工作方式，使其工作时的稳定性得不到充分的保证。尤其在雷雨天气强电磁场作用下，更是难以正常工作。

从安全性的角度来看，智能家居中常规的家电设备运行状态监测方法采用无线电通信的工作方式，而无线电波的传播方向往往无法控制，其所携带的数据有被他人非法远程截获的可能，这对于需要广泛使用的智能家居控制系统来讲是非常危险的。另从人体健康的角度看，在智能家居中的每一台家电设备上使用无线电通信模块，则一个智能家居中至少需要使用几十个无线电通信模块，其产生的大量电磁辐射将对使用者的身体健康造成不利影响，尤其对婴幼儿和孕妇的影响更为严重。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种非侵入式家电设备运行状态监测方法，在安装实施过程中不需要对任何一台家电设备进行任何改造，提高了智能家居控制系统的稳定性，在使用过程中只通过一台电功率采集器对智能家居中所有家电设备运行状态进行监测，结构简单的智能家居的家电设备运行状态监测方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种智能家居的家电设备运行状态监测方法，在市电接入线路处安装一台电功率采集器，电功率采集器的电源零线端与市电零线相连，电功率采集器的电源火线端与市电火线相连，电功率采集器的各电源输出端口的火线端和零线端分别连接智能家居中所有插座的火线端和零线端，电功率采集器的数据传输端通过数据传输线路连接智能家居控制系统；通过采集家电设备电功率数据、对电功率数据进行预处理、提取电功率数据特征值、对运行状态进行识别四个步骤，可监测家庭电路中所有家电设备任意时刻的运行状态。

进一步地，所述的电功率采集器的每一个电源输出端口还连接一个模拟量采集器，模拟量采集器用于获取对应的电源输出端口的电压和线路中电流，模拟量采集器的输入端与插座的火线端相连，电功率采集器的电源火线端与模拟量采集器的输入端之间连接有定值电阻器。

本发明采用电功率采集器实现家电设备运行状态的过程包括以下步骤：

S1：电功率采集器采集家电设备电功率数据；

S2：对家电设备电功率数据进行预处理；

S3：提取家电设备电功率数据特征值；

S4：模式识别：根据家电设备电功率的特征提取值，参照家电设备工作模式固有功耗特征，对家电设备当前运行状态进行识别；

S5：根据步骤S4中的识别结果，得到此家电设备当前的运行状态。

进一步地，所述的步骤S1包括以下子步骤：

S11：设置本次电功率数据采集的总次数n；

S12：判断n是否为0，若n为0则结束电功率采集；

S13：获取家电设备当前电源电压；

S14：获取家电设备当前工作电流；

S15：根据电功率计算公式P＝U*I，计算得到此家电设备当前的电功率；

S16：记录本次得到的家电设备电功率；

S17：等待一个采样周期T；

S18：使n减去1之后返回步骤S12继续采集，直至n为0则结束采集，使n等于初始的数据采集总次数，得到一个具有n项的家电设备电功率数列Q₀。

进一步地，所述的步骤S14中获取家电设备当前工作电流时获取的是插座火线电缆中的电流值。

进一步地，所述的步骤S2包括以下子步骤：

S21：设置n为家电设备电功率数列Q₀的项数；

S22：计算家电设备电功率数列Q₀的平均值A；

S23：计算家电设备电功率数列Q₀的标准差α；

S24：设置一个初值为0的计数器m；

S25：使m加1，并判断n与m是否相等，若相等则进行步骤S210的操作；

S26：判断家电设备电功率数列Q₀的第m项Q₀(m)是否为0，若Q₀(m)不为0则进行步骤S28；

S27：判断家电设备电功率数列Q₀的第m-1项Q₀(m-1)和第m+1项Q₀(m+1)是否均不为0，若Q₀(m-1)≠0且Q₀(m+1)≠0则进行步骤S29；

S28：计算家电设备电功率数列Q₀(m)与A的差值的绝对值，记为X₀，计算A与α的乘积，记为X₁，比较X₀与X₁的大小，若X₀大于X₁，则令m减1，否则返回步骤S25；

S29：从家电设备电功率数列Q₀中剔除Q₀(m)，并使n减1后返回步骤S25；

S210：结束家电设备功率数据预处理，得到一个有效的电功率数列Q₁。

进一步地，所述的步骤S3包括以下子步骤：

S31：计算电功率数列Q₁的平均值；

S32：确定电功率数的波动范围；

S33：计算电功率数波动频率；

S34：计算电功率数列Q₁的标准差。

本发明的有益效果是：

1、此家电设备运行状态监测方法可以识别各种不同家电设备的不同运行状态，是一种非侵入式家电设备运行状态监测方法，在安装实施过程中不需要对任何一台家电设备进行任何改造，不需要为任何一台家电设备添加任何外部设备，仅需要对智能家居的市电接入线路进行少量改造，即可完成安装工作，这样一方面方便了整个安装实施工作，在安装实施过程中也为使用者节省了购买外部设备的花销，同时也提高了智能家居控制系统的稳定性，另一方面也使得使用者可以方便快捷地为家中添加或更换新的家电设备，具有非常高的普适性；

2、本发明是一种家电设备运行状态的集中监测方法，只需要在市电接入线路处安装一台电功率采集器，安装布线的成本得到了大幅降低，在使用过程中只通过一台电功率采集器对智能家居中所有家电设备运行状态进行监测，为使用者节省了大量电能；

3、基于此家电设备运行状态监测方法的集中监测特性和方法的普适性，此方法也可以在实际应用中正确地识别出家电设备从智能家居中一个插座转移到另一个插座的情况，从而更加方便了使用者；

4、本发明采用有线传输方式，杜绝了所有无线电通信方式，避免了常规家电设备监测方法中使用的无线通信模块工作时产生的大量电磁辐射对人体健康造成的不利影响，同时也提高了智能家居控制系统的工作稳定性，即使在雷雨天气强电磁场作用下，依然可以正常工作；由于不采用无线电通信方式，也避免了被他人非法远程截获数据的危险；从此方法的整体结构来看，简洁的系统结构充分保证了家电设备运行状态获取结果的可靠性，进而保证了智能家居控制系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明的家电设备运行状态监测系统接线示意图；

图2为本发明的电功率采集器连线示意图；

图3为本发明用电功率采集器实现家电设备运行状态监测的流程图；

图4为本发明的电功率采集器采集家电设备功率数据流程图；

图5为本发明的电功率数据预处理流程图；

图6为本发明的电功率数据特征提取流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案，但本发明所保护的内容不局限于以下所述。

如图1和图2所示，一种智能家居的家电设备运行状态监测方法，在市电接入线路处安装一台电功率采集器4，电功率采集器4的电源零线端6与市电零线1相连，电功率采集器4的电源火线端5与市电火线2相连，电功率采集器4的各电源输出端口的火线端和零线端分别连接智能家居中所有插座的火线端9和零线端10，电功率采集器的数据传输端通过数据传输线路3连接智能家居控制系统；通过采集家电设备电功率数据、对电功率数据进行预处理、提取电功率数据特征值、对运行状态进行识别四个步骤，可监测家庭电路中所有家电设备任意时刻的运行状态。

进一步地，所述的电功率采集器4的每一个电源输出端口还连接一个模拟量采集器，模拟量采集器用于获取对应的电源输出端口的电压和线路中电流，模拟量采集器的输入端7与插座的火线端9相连，电功率采集器4的电源火线端5与模拟量采集器的输入端7之间连接有定值电阻器8，定值电阻器8充当采样电阻。

本发明采用电功率采集器实现家电设备运行状态监测的工作原理为：在智能家居控制系统需要获取智能家居中某一台家电设备的电功率时，将电功率获取命令发送给电功率采集器4。当电功率采集器4接收到电功率获取命令之后，首先获取电功率采集器4的电源火线端5和电源零线端6之间的电压值U。由于电功率采集器4的电源零线端6与插座的零线端10连接在一起，电位相等，同时定值电阻器8的电阻值较小，其所形成的管压降对家电设备而言可忽略不计，电功率采集器4的电源火线端5和电源零线端6之间的电压值等于插座中连接的家电设备的工作电压，如此便得到了插座中连接的家电设备此时的工作电压U。

紧接着，电功率采集器4根据命令内容，获取相应插座线路中模拟量输入端7和电功率采集器4电源火线端5之间的电压值，即定值电阻器8两端的电压值，以u表示，之后根据欧姆定律I＝U/R可知，定值电阻器中8的电流大小为定值电阻器8两端电压值与定值电阻器8的电阻值r之商，即I＝u/r。

现由于定值电阻器8串联在插座的电源线路中，通过以上过程求出的定值电阻器8中电流值即插座电源线路中的电流值，如此便得到了插座中连接的家电设备此时的工作电流值I。

通过以上过程，电功率采集器4已经得到了相应插座中连接的家电设备此时的工作电压U和工作电流I，根据电功率表达式P＝U*I可知，相应插座中连接的家电设备此时的电功率为工作电压U和工作电流I之积。最后电功率采集器4通过数据传输线路3将P的数值返回给智能家居控制系统。经过以上所有过程，智能家居控制系统便得到了智能家居中指定家电设备当前的电功率值。

本发明的电功率数据采集的具体过程如图3所示，包括以下步骤：

S1：电功率采集器采集家电设备电功率数据；

S2：对家电设备电功率数据进行预处理；

S3：提取家电设备电功率数据特征值；

S4：模式识别：根据家电设备电功率的特征提取值，参照家电设备工作模式固有功耗特征，对家电设备当前运行状态进行识别；

S5：根据步骤S4中的识别结果，得到此家电设备当前的运行状态。

步骤S1实质是以一定的采样周期T，采集n次家电设备的电功率数值，从而得到一个家电设备电功率数列，其过程如图4所示，包括以下子步骤：

S11：设置本次电功率数据采集的总次数n；

S12：判断n是否为0，若n为0则结束电功率采集；

S13：获取家电设备当前电源电压；

S14：获取家电设备当前工作电流；

S15：根据电功率计算公式P＝U*I，计算得到此家电设备当前的电功率；

S16：记录本次得到的家电设备电功率；

S17：等待一个采样周期T；

S18：使n减去1之后返回步骤S12继续采集，直至n为0则结束采集，使n等于初始的数据采集总次数，得到一个具有n项的家电设备电功率数列Q₀。

所述的步骤S11中设置电功率数据采集总次数n时，如果n的值越大，则数据采集时间会越长，方法的实时性会越差，但同时会提高最终检测结果的准确性。相反，如果n的值越小，则采集时间会越短，方法的实时性会越强，但同时会降低最终检测结果的准确性。因此，在方法的具体实施过程中可根据实际的需要为n设置一个合适的值。

所述的步骤S14中获取家电设备当前工作电流时获取的是插座火线电缆中的电流值。

所述的步骤S17中等待一个采样周期T中，如果T的值越大，则数据采集时间会越长，方法的实时性则越差。相反，如果T的值越小，则数据采集时间会越短，方法的实时性则越强。因此，在方法的具体实施过程中可根据实际的需要为T设置一个合适的值。

经过以上步骤，智能家居控制系统便得到了一个具有n项的家电设备电功率数列Q₀，但是在实际应用中，这个数列中可能出现异常项，因此需要对其做一些预处理，保证数据的正确性和可靠性，以便进行后面的步骤。如图5所示，步骤S2包括以下子步骤：

进一步地，所述的步骤S2包括以下子步骤：

S21：设置n为家电设备电功率数列Q₀的项数；

S22：计算家电设备电功率数列Q₀的平均值A；

S23：计算家电设备电功率数列Q₀的标准差α；

S24：设置一个初值为0的计数器m；

S25：使m加1，并判断n与m是否相等，若相等则进行步骤S210的操作；

S26：判断家电设备电功率数列Q₀的第m项Q₀(m)是否为0，若Q₀(m)不为0则进行步骤S28；

S27：判断家电设备电功率数列Q₀的第m-1项Q₀(m-1)和第m+1项Q₀(m+1)是否均不为0，若Q₀(m-1)≠0且Q₀(m+1)≠0则进行步骤S29；

S28：计算家电设备电功率数列Q₀(m)与A的差值的绝对值，记为X₀，计算A与α的乘积，记为X₁，比较X₀与X₁的大小，若X₀大于X₁，则令m减1，否则返回步骤S25；

S29：从家电设备电功率数列Q₀中剔除Q₀(m)，并使n减1后返回步骤S25；

S210：结束家电设备功率数据预处理，得到一个有效的电功率数列Q₁。

经过以上步骤，电功率数列Q₀中的异常大项和异常出现的0项已经被去除，得到了一个有效的电功率数列Q₁，这里需要对此电功率数列的平均值、波动范围、波动频率和数列标准差进行计算提取，为后面的步骤做准备。

如图6所示，步骤S3包括以下子步骤：

S31：计算电功率数列Q₁的平均值；

S32：确定电功率数的波动范围；

S33：计算电功率数波动频率；

S34：计算电功率数列Q₁的标准差。

经过以上三个步骤，智能家居控制系统便得到了一台家电设备在一段时间内的电功率变化特征，步骤S4的模式识别这一步骤，在不同的智能家居控制系统中略有不同，对不同的家电设备也不尽相同。在智能家居控制系统中可以通过从家电设备电功率特征值数据库中获取家电设备电功率特征的方法来实现模式识别的功能，可以通过长期记录一台家电设备电功率变化走势，并加以分析得到家电设备电功率特征的方法来实现模式识别的功能，也可以采用其它的一些方法来实现此功能。然而，无论采用哪一种方法，其实质都是通过家电设备电功率的特征提取与对比分析得到家电设备当前的运行状态。

在模式识别这一步骤中，对智能家居的使用者而言，更为重要的是将一台家电设备从一个插座转移到另一个插座之后，用户不需要手动将此家电设备与转移后对应的插座进行匹配，这将为使用者带来非常大的便利。从此功能的实现来看，只需要在发现某一插座中家电设备的电功率特征值出现明显的异常时，提取其它插座中家电设备的电功率特征值并加以分析和对比，便可以得到之前在这一插座中的家电设备被转移到了另外哪一个插座。即实现了自动感知家电设备空间移动的功能。

为使上述实施过程更加具体和清晰，接下来以电功率特征较为复杂，且较为常见的便携式计算机作为实例进行解释说明，而其它家电设备的运行状态监测方法与此相同或相似。

首先进行第一个步骤——电功率数据采集：设置电功率采样周期为0.5秒，每一组采集10次便携式计算机的电功率值，如此进行5组电功率采集(方便进行不同运行状态时电功率特征值对比)。如下为5组电功率采集所得的数列：

第一组：

0.8

0.8

0.8

0.8

0.8

0.8

0.8

0.8

0.8

0.8

第二组：

32.9

32.9

32.9

32.9

32.9

32.9

32.8

32.8

32.8

32.8

第三组：

第四组：

36.3

36.2

36.1

36.9

35.8

35.7

35.4

35.7

35.5

43.4

第五组：

接下来进行第二个步骤——电功率数据预处理：在第三组电功率数据采集得到的电功率数列中，第7项为32，根据电功率数据预处理中判断异常大项数据的标准，此数值已经远大于正常数据范围，因此从电功率数列Q₀中剔除此项。除此之外，在第五组电功率数据采集得到的电功率数列中，第6项为零，而前一项和后一项均不为零，因此此项为异常项，将其从电功率数列中剔除。

接下来进行第三个步骤——电功率数据特征值提取：通过以上两个步骤，已经得到了有效的电功率数列，下面通过计算提取出每一组电功率数据的特征值，如表1所示。

表1

从以上各组电功率数据特征值可以看出，第五组数据的平均值明显大于其它组，而且波动频率高，因此便携式计算机此时的工作状态是一边充电一边使用；第二组数据平均值明显小于第五组，而明显大于第一组和第三组，同时波动频率为0，且波动范围极小，所以此时的便携式计算机的工作状态是充电状态；第四组数据平均值明显小于第五组，而明显大于第一组和第三组，同时波动频率较高，所以此时的便携式计算机工作状态是满电使用状态；余下的第一组和第三组的特征值相似度极高，波动频率和标准差均为0，只有平均值和波动范围不同，但是可以断定的是这两组数据中，其中一组是电源适配器空载状态，另一组是便携式计算机充满电后关机且持续连接电源适配器的状态。因此只要通过记录此便携式计算机的充电结束时的电功率值，则可以辨别第一组和第二组中的哪一组是充满电后关机的状态，则另一组可由排除法得出是电源适配器空载状态。经过以上的电功率数据采集、电功率数据预处理、电功率数据特征值提取和模式识别四个步骤之后，智能家居控制系统便得到了此便携式计算机的当前运行状态。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的便携式计算机的实施实例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种智能家居的家电设备运行状态监测方法，其特征在于：在市电接入线路处安装一台电功率采集器，电功率采集器的电源零线端与市电零线相连，电功率采集器的电源火线端与市电火线相连，电功率采集器的各电源输出端口的火线端和零线端分别连接智能家居中所有插座的火线端和零线端，电功率采集器的数据传输端通过数据传输线路连接智能家居控制系统；通过采集家电设备电功率数据、对电功率数据进行预处理、提取电功率数据特征值、对运行状态进行识别四个步骤，可监测家庭电路中所有家电设备任意时刻的运行状态。

2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于：所述的电功率采集器的每一个电源输出端口还连接一个模拟量采集器，模拟量采集器用于获取对应的电源输出端口的电压和线路中电流，模拟量采集器的输入端与插座的火线端相连，电功率采集器的电源火线端与模拟量采集器的输入端之间连接有定值电阻器。

3.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：电功率采集器采集家电设备电功率数据；

S2：对家电设备电功率数据进行预处理；

S3：提取家电设备电功率数据特征值；

S4：模式识别：根据家电设备电功率的特征提取值，参照家电设备工作模式固有功耗特征，对家电设备当前运行状态进行识别；

S5：根据步骤S4中的识别结果，得到此家电设备当前的运行状态。

4.根据权利要求3所述的监测方法，其特征在于：所述的步骤S1包括以下子步骤：

S11：设置本次电功率数据采集的总次数n；

S12：判断n是否为0，若n为0则结束电功率采集；

S13：获取家电设备当前电源电压；

S14：获取家电设备当前工作电流；

S15：根据电功率计算公式P＝U*I，计算得到此家电设备当前的电功率；

S16：记录本次得到的家电设备电功率；

S17：等待一个采样周期T；

S18：使n减去1之后返回步骤S12继续采集，直至n为0则结束采集，使n等于初始的数据采集总次数，得到一个具有n项的家电设备电功率数列Q₀。

5.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于：所述的步骤S14中获取家电设备当前工作电流时获取的是插座火线电缆中的电流值。

6.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于：所述的步骤S2包括以下子步骤：

S21：设置n为家电设备电功率数列Q₀的项数；

S22：计算家电设备电功率数列Q₀的平均值A；

S23：计算家电设备电功率数列Q₀的标准差α；

S24：设置一个初值为0的计数器m；

S25：使m加1，并判断n与m是否相等，若相等则进行步骤S210的操作；

S26：判断家电设备电功率数列Q₀的第m项Q₀(m)是否为0，若Q₀(m)不为0则进行步骤S28；

S27：判断家电设备电功率数列Q₀的第m-1项Q₀(m-1)和第m+1项Q₀(m+1)是否均不为0，若Q₀(m-1)≠0且Q₀(m+1)≠0则进行步骤S29；

S28：计算家电设备电功率数列Q₀(m)与A的差值的绝对值，记为X₀，计算A与α的乘积，记为X₁，比较X₀与X₁的大小，若X₀大于X₁，则令m减1，否则返回步骤S25；

S29：从家电设备电功率数列Q₀中剔除Q₀(m)，并使n减1后返回步骤S25；

S210：结束家电设备功率数据预处理，得到一个有效的电功率数列Q₁。

7.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于：所述的步骤S3包括以下子步骤：

S31：计算电功率数列Q₁的平均值；

S32：确定电功率数的波动范围；

S33：计算电功率数波动频率；

S34：计算电功率数列Q₁的标准差。