TWI590011B - Can automatically adjust the time control device - Google Patents

Description

可自動調整之時間控制裝置

本發明係有關於一種可自動調整之時間控制裝置；特別是有關於一種利用感應模組收集使用環境的條件，藉以計算出被控制設備的最佳運作時間，進而節約能源的可自動調整之時間控制裝置。

習用的時間控制裝置係可供用戶自行手動調整。例如公告第M493690號專利，其揭露一種數位式時間控制器裝置，其中包括：一交換式電源供應單元，係與一市電電氣連接，並轉換該市電同時提供預設之一交流電壓及一直流電壓；一控制單元，係與該交換式電源供應單元電氣連接，該控制單元具有運算、計時及資料暫存之能力，並依使用者操作選擇性的暫存至少一組時間資料及輸出至少一顯示訊號與一供電訊號；一人機介面，係與該控制單元電氣連接，具有至少一顯示器及多數個按壓開關，該顯示器依該顯示訊號作動，以產生相對應之數字，而各該按壓開關係提供使用者操作而觸發該控制單元，以設定該時間資料或輸出該顯示訊號與該供電訊號；一繼電器，係與該控制單元及該交換式電源供應單元電氣連接，並依該供電訊號作動；以及一電源插座，係與該交換式電源供 應單元及該繼電器電氣連接，藉由該繼電器之作動，而令該電源插座與該交換式電源供應單元之電氣連接，選擇性的形成開路或閉。

然而上述的數位式時間控制器裝置沒有自動調整時間的功能，還是會與一般的區域型紅外線人體熱感應模組控制裝置一樣，仍然有關燈延遲時間過長或過短之時間設定不適當問題。如採定時排程控制，也有設定時段訂定與實際需求不符情形，常造成燈光該關閉不關閉，不該關閉卻關閉情形發生。從而無法滿足控制與節能需求間最佳化的效益。

除了上述的照明燈具以外，還有空調設備、通風設備或馬達等設備也會有運作時間太長或太短所造成的問題。

發明人有鑑於此，乃苦思細索，積極研究，加以多年從事相關產品研究之經驗，並經不斷試驗及改良，終於發展出本發明。

本發明的目的在於提供一種利用感應模組收集使用環境的條件，藉以算出被控制設備的最佳運作時間，進而節約能源的可自動調整之時間控制裝置。

本發明達成上述目的之結構包括：一感應模組；該感應模組在一預定感應時間內獲取一感應數值；及一計算模組，與該感應模組連接；該計算模組以該感應數值為依據而計算出一計算後之運作時間；以及一控制輸出模組，與該計算模組連接，並與一被控制設備連接；該控 制輸出模組在獲取該計算後之運作時間後，就使該被控制設備啟動，並在經過該計算後之運作時間後，關閉該被控制設備。

較佳者，該計算模組係以模糊理論之歸屬函數來計算該計算後之運作時間，可藉由專家知識或經驗規則來計算出被控制設備的最佳運作時間，藉以節約能源。

較佳者，該模糊理論之歸屬函數的輸入輸出變數包括：輸入a，代表第一輸入變數，即為該感應數值；輸入b，代表第二輸入變數，即為剩餘次數；輸出c，代表第一輸出變數，即為該計算後之運作時間；該模糊理論之歸屬函數包括：A1代表第一輸入變數[少的]之模糊集合，以Z型圖形表示；A2代表第一輸入變數[中的]之模糊集合，以三角形圖形表示；A3代表第一輸入變數[多的]之模糊集合，以S型圖形表示；B1代表第二輸入變數[少的]之模糊集合，以Z型圖形表示；B2代表第二輸入變數[中的]之模糊集合，以三角形圖形表示；B3代表第二輸入變數[多的]之模糊集合，以S型圖形表示；C1代表第一輸出變數[短的]之模糊集合，以三角型圖形表示；C2代表第一輸出變數[中的]之模糊集合，以三角形圖形表示；C3代表第一輸出變數[長的]之模糊集合，以三角型圖形表示；藉由輸入a與輸入b之配合，可更為精確的計算出被控制設備的最佳運作時間。

較佳者，該輸入b為一剩餘次數，意即，先設定一該感應數值的預定感應數值上限，將該預定感應數值上限減去該感應數值就等於該剩餘次數，可因應使用需求 而計算出被控制設備的最佳運作時間。

較佳者，該輸入b為一預定值，可因應使用需求而計算出被控制設備的最佳運作時間。

較佳者，該計算模組連接設有一通信模組；該通信模組連接一電腦；該電腦用於控制該輸入a、輸入b、輸出c或預定感應時間的值；藉此結構，可方便使用者控制被控制設備。

較佳者，該計算模組連接設有一顯示模組；該顯示模組是以圖形、文字、符號、燈號或將之綜合為顯示訊息之裝置，可顯示開機訊息、故障訊息、預定感應時間、預定感應數值上限、感應數值、計算後之運作時間、通信內容等訊息中之一者或二者以上；藉此結構，可方便使用者獲得設備的訊息。

較佳者，被控制設備連接一電源；該控制輸出模組連接於被控制設備及該電源之間。

較佳者，被控制設備為燈具、空調設備、通風設備或馬達。

本發明為達到上述及其他目的，其所採取之技術手段、元件及其功效，茲採一較佳實施例配合圖示說明如下。

S11‧‧‧取得感應數值

S12‧‧‧計算出計算後之運作時間

S13‧‧‧始被控制設備啟動，並在經過該計算後之運作時間後，關閉該被控制設備

100‧‧‧可自動調整之時間控制裝置

101‧‧‧被控制設備連接

102‧‧‧電源

103‧‧‧設備開關

1‧‧‧感應模組

2‧‧‧計算模組

21‧‧‧第一輸入/輸出埠

22‧‧‧微處理器

23‧‧‧震盪模組

24‧‧‧第二輸入/輸出埠

25‧‧‧電源輸入埠

26‧‧‧通信模組

27‧‧‧模式選擇開關

28‧‧‧電位計

29‧‧‧全壓式電源變壓器

30‧‧‧裝置開關

31‧‧‧故障旁通開關

4‧‧‧控制輸出模組

5‧‧‧電腦

圖1為本發明的可自動調整之時間控制方法的流程圖。

圖2為本發明的可自動調整之時間控制裝置的架構示意圖。

圖3為模糊理論架構示意圖。

如圖1~3所示，本發明提供一種可自動調整之時間控制方法，其中包括下列步驟：S11：利用一感應模組取得一感應數值；S12：利用一計算模組，以該感應數值為依據而計算出一計算後之運作時間；S13：利用一控制輸出模組與一被控制設備連接；藉該控制輸出模組使該被控制設備啟動，並在經過該計算後之運作時間後，關閉該被控制設備；藉此方法，可利用感應模組收集使用環境的條件，然後利用計算模組分析、歸納感應數值，計算出被控制設備的最佳運作時間，藉以達到節約能源的目的。

如圖2所示，依據上述的可自動調整之時間控制方法，本發明具體提供一種可自動調整之時間控制裝置100，其中包括：一感應模組1；感應模組在一預定感應時間內獲取一感應數值；及一計算模組2，與感應模組連接；計算模組以感應數值為依據而計算出一計算後之運作時間；以及一控制輸出模組4，與計算模組連接，並與一被控制設備連接101；控制輸出模組在獲取計算後之運作時間後，就使被控制設備啟動，並在經過計算後之運作時間後，關閉被控制設備；藉此結構，可利用感應模組收集使用環境的條件，然後利用計算模組分析、歸納感應數值，計算出被控制設備的最佳運作時間，藉以達到節約能源的目的。下文將詳予說明。

在圖2中係放大顯示各個零組件，藉以方便說明。感應模組1可收集使用環境的條件，例如在一預定感應時間內獲取一感應數值。舉例來說，感應模組可以採用 紅外線人體熱感應模組，並可設置在例如樓梯口等預定空間，藉以在例如一分鐘的預定感應時間內感應經過樓梯口的人數，進而獲得感應數值。

計算模組2與感應模組連接；計算模組2以感應數值為依據而計算出一計算後之運作時間。計算模組係能以各種計算方式來計算出計算後之運作時間。例如以模糊理論(Fuzzy Theory)之歸屬函數(membership function)來計算出計算後之運作時間，以期藉由專家知識或經驗規則來計算出被控制設備的最佳運作時間，藉以達到節約能源的目的。

計算模組2可採用習用模組，例如Arduino UNO R3開發板模組，藉以方便設定專家知識或經驗規則，其中可包括：一第一輸入/輸出埠21、一微處理器22、一震盪模組23、一第二輸入/輸出埠24、一電源輸入埠25及一通信模組26；可連接感應模組1及控制輸出模組4，此外還可連接一模式選擇開關27、一電位計28、一全壓式電源變壓器29、一裝置開關30及一故障旁通開關31。

控制輸出模組4在獲取計算後之運作時間後，就會啟動被控制設備，並在經過計算後之運作時間後，關閉被控制設備；藉此結構，可分析、歸納感應數值，找出適當的模糊規則，再應用模糊理論之模糊化、模糊法則、模糊推論引擎、解模糊化等方法，計算出被控制設備的最佳運作時間，藉以達到節約能源的目的。

上述的計算模組係依感應模組所取得的感應數值為依據而計算出計算後之運作時間；其能以模糊理論 (Fuzzy Theory)之歸屬函數(membership function)來計算計算後之運作時間。常見的模糊理論之歸屬函數有好幾種，例如：標準歸屬函數：S型(S-type)、Z型(Z-type)、三角(lambda)型(Λ-type)、梯(pi)型(Π-type)、鐘形(Bell-type)、不規則(Non-Symmetric)……等，茲以採用S型、Z型、三角型等歸屬函數之實施例說明如下。

如圖3所示，模糊理論架構包括：1.模糊化(fuzzifier)；2.模糊規則庫(fuzzy rules)；3.模糊推論引擎(inference engine)；4.解模糊化(defuzzifier)；可藉以計算出計算後之運作時間，以期達到系統有智慧化的判斷，如人類一般具有思考性，可依據感應數值之多寡，而自動控制運作時間之長短，進而達到節約能源的目的。茲進一步說明如下。

在進行模糊化時，需要進行下列步驟：S21：定義輸入輸出變數；S22：設定輸入輸出變數的變數數量(如高、中、低3個變數之數量)；S23：設定輸入輸出變數的圖形型態數量(如三角形1個、Z型1個、S型1個等之數量)；S24：設定輸入輸出變數的圖形型態(如三角形、Z型、S型等圖形樣式)。

S21為定義輸入輸出變數。本發明之目的是希望控制例如燈具、空調設備、通風設備或馬達等間歇性運作的被控制設備，以期望能節約能源；因此輸出c代表第一輸出變數，即為計算後之運作時間。

在定義完輸出變數以後，就要開始定義輸入變數。輸入a代表第一輸入變數，即為感應數值；第一輸入 變數應與輸出變數息息相關；因此，例如當可自動調整之時間控制裝置100用於控制樓梯口的燈具時，感應模組可用於感應在預定感應時間內經過樓梯口的人數，藉以獲取感應數值。

此外，若只有輸入a，恐會有判斷不足的情況，所以本發明再以輸入b代表第二輸入變數，藉以更為精確的計算出被控制設備的最佳運作時間；第二輸入變數，可為一預定值。另外亦可將第二輸入變數設定為一剩餘次數，意即，透過先設定一前述的感應數值的預定感應數值上限，將預定感應數值上限減去感應數值就等於剩餘次數；換言之，感應數值最多等於預定感應數值上限，而此時的剩餘次數即為零；藉此設定，可因應各種使用需求而計算出被控制設備的最佳運作時間。

S22為設定輸入輸出變數的變數數量(如高、中、低3個變數之數量)。在此，要先定義篩選條件。篩選條件係可將此輸入輸出變數轉換成所代表的模糊現象，例如人類自然語意表達上之描述如很少、適中、很多等語意。

S23為設定輸入輸出變數的圖形型態數量(如三角形1個、Z型1個、S型1個等之數量)。在此的圖形型態數量應對應在S22中所設定的變數數量；因此，輸入a、輸入b及輸出c可分別定義3個圖形。

S24為設定輸入輸出變數的圖形型態(如三角形、Z型、S型等圖形樣式)。如表1~2所示，輸入輸出變數的圖形型態是可對應使用環境而選用的，例如選用Z型、三角型、S型。

輸入a代表第一輸入變數，即為感應數值，其以連續化歸屬函數圖形方法表達，共建立三個歸屬函數圖形，分別以：A1代表第一輸入變數[少的]之模糊集合，以Z型圖形表示；A2代表第一輸入變數[中的]之模糊集合，以三角形圖形表示；A3代表第一輸入變數[多的]之模糊集合，以S型圖形表示。

輸入b代表第二輸入變數，例如設定為剩餘次數，意即，先設定一預定感應數值上限，將預定感應數值上限減去感應數值就等於剩餘次數；剩餘次數以連續化歸屬函數圖形方法來表達，也建立三個歸屬函數圖形，分別以：B1代表第二輸入變數[少的]之模糊集合，以Z型圖形表示；B2代表第二輸入變數[中的]之模糊集合，以三角形圖形表示；B3代表第二輸入變數[多的]之模糊集合，以S型圖形表示。

輸出c代表第一輸出變數，即為計算後之運作時間，其以連續化歸屬函數圖形方法表達，此時亦建立三個歸屬函數圖形，分別以：C1代表第一輸出變數[短的]之模糊集合，以三角型圖形表示；C2代表第一輸出變數[中的]之模糊集合，以三角形圖形表示；C3代表第一輸出變數[長的]之模糊集合，以三角型圖形表示。

在完成模糊化以後，開始建立模糊規則庫。模糊規則庫亦可稱為fuzzy知識庫(fuzzy knowledge base)。主要是由規則庫(rule base)和資料庫(data base)所組成。其中，規則庫是許多模糊規則組合，而資料庫則是描述所要應用之領域知識或經驗的模糊語意變數組合。模糊規則的建立至為重要，是模糊理論推論的依據，也是系統智慧化的根本。因為整個系統推論，都會依照此專家知識或經驗規則做運算，算是傳承了人類的智慧，模糊規則的建立攸關經驗或知識，除自身經驗應用外，亦可請教專家指點，再輔以制定規則前，如能妥善運用模擬工具先假設各種考量條件後，再據以不斷觀察、請教諮詢、測試修正後，才建置系統，就會節省很多系統開發除錯時間。

在本實施例中，模糊理論規則建立的形式為：If輸入a is A3and輸入b is B1 then輸出c is C3。其中，A3、 B1及C3為分別代表輸入a、輸入b及輸出c的歸屬函數圖形之模糊集合。意思是表示輸入a在模糊集合A中之各個圖形歸屬度的模糊集合，如在模糊化中，輸入a得到模糊集合A1、A2、A3的模糊集合。輸入b得到模糊集合B1、B2、B3的模糊集合。輸出c則是依照輸出需求，所定義之三個圖形C1、C2、C3模糊集合，作為後續推論時，等待合成的模糊集合。在上述規則中，〝if〞後面敘述稱為前件部(antecedent)，〝then〞後面則稱之為後件部(consequence)。

依照上述的模糊理論規則建立形式，本發明可因應各種使用環境而訂定適當的規則；此外，模糊規則庫還可對應輸入變數的數量而設定。如表3所示，由於輸入a及輸入b分別定義3個數量，所以在模糊規則庫中可設有9條(3*3=9)規則。

在建立模糊規則庫以後，開始設定模糊推論引擎。模糊推論引擎是以模糊規則庫為基礎，可進行自動判別，藉以算出計算後之運作時間的長短；其有點像人類決策過程，這就是模糊推論引擎的主要工作。

模糊推論引擎有各式各樣的推論引擎(也稱合成法)，如Mamdani推論引擎、乘積推論引擎、最小值推論引擎、Lukasiewicz推論引擎、Zadeh推論引擎、Dienes-Rescher推論引擎……等等。本實施例係採用在模糊推理技術中最常使用的Mamdani推論引擎，也就是俗稱的邏輯積(Min.)、邏輯積(Min.)、邏輯和(Max.)的推論法。

Mamdani推論引擎主要為依據模糊規則所訂各種規則內之前件部內所描述之語意〝and〞先做比較，即是Mamdani推論引擎所稱之第一個Min法，也稱之為交集運算(intersection)，會得到屬於前件部的最小值歸屬度。目的是要依模糊法則(專家經驗)先找出主要符合條件，然後亦再跟後件部語意〝and〞做比較，也是Mamdani推論引擎所稱之第二個Min法，此時便會得到跟原始定義輸出c(C1、C2、C3)的模糊集合，產生關聯後第一條新的輸出集合C1、C2、C3，以作為輸入與輸出的對應。依序將模糊規則逐條推論後，便會得到相對模糊規則數量的新輸出模糊集合C1，C2，C3。此時，再將剛剛推論出來之各個規則，總和一次依Mamdani推論引擎所稱之Max比較後，也稱之為聯集(union)，便會得到真正想要合成後的輸出集合c。

經過模糊推論引擎推論出來後，便會得到一個輸出模糊歸屬函數集合，此集合因包含多組歸屬度元素， 故需再經解模糊化，才能得到一個明確有意義的數值，供計算模組真正輸出使用。解模糊化的方法很多，例如中心平均值法、最大歸屬度法、高度法、面積法……等等。本實施例採用具有簡單計算及直覺合理性，普遍也較精確的中心平均值法。其計算後得到之精確數值y*，方程式表示為：

在上述方程式中，是第i個模糊集合的中心，而w _i 是其高度(歸屬度)。

故依上述方程式含意，只要將推論後之輸出集合c的每一個y軸上之歸屬度乘以x軸上i值，然後累加當分子，再累加輸出集合C的每一個歸屬度當分母，最後將分子除以分母後即得到明確的計算後之運作時間了。

一般而言，計算模組中已經依據專家知識或經驗規則來設定各項計算條件，因此可計算出被控制設備的最佳運作時間。此外，前述的通信模組26可連接一電腦5；電腦5用於控制輸入a、輸入b、輸出c或預定感應時間的值；藉此結構，可方便使用者控制被控制設備，例如使被控制設備長時間啟動或關閉。

計算模組可再進一步連接設有一顯示模組；顯示模組是以圖形、文字、符號、燈號或將之綜合為顯示訊息之裝置，可顯示開機訊息、故障訊息、預定感應時間、 預定感應數值上限、感應數值、計算後之運作時間、通信內容等訊息中之一者或二者以上；藉此結構，可方便使用者獲得設備的訊息。

本發明可自動調整之時間控制裝置100可直接內建於被控制設備中，藉以控制被控制設備，進而達到節約能源的目的。此外，本發明可自動調整之時間控制裝置100亦可與現有的設備組立。例如，以樓梯的照明燈為被控制設備101，本發明的控制輸出模組可串聯(串接)於樓梯的照明燈及其電源102、設備開關103之間，藉以控制樓梯的照明燈，不但可達到節約能源的目的，還可節省更換被控制設備的成本。

以上為本案所舉之實施例，僅為便於說明而設，當不能以此限制本案之意義，即大凡依所列申請專利範圍所為之各種變換設計，均應包含在本案之專利範圍中。

100‧‧‧可自動調整之時間控制裝置

101‧‧‧被控制設備連接

102‧‧‧電源

103‧‧‧設備開關

1‧‧‧感應模組

2‧‧‧計算模組

21‧‧‧第一輸入/輸出埠

22‧‧‧微處理器

23‧‧‧震盪模組

24‧‧‧第二輸入/輸出埠

25‧‧‧電源輸入埠

26‧‧‧通信模組

27‧‧‧模式選擇開關

28‧‧‧電位計

29‧‧‧全壓式電源變壓器

30‧‧‧裝置開關

31‧‧‧故障旁通開關

4‧‧‧控制輸出模組

5‧‧‧電腦

Claims (8)

1. 一種可自動調整之時間控制裝置，其中包括：一感應模組；該感應模組啟動後，係在第一次被觸發感應後，在一預定感應時間內獲取被觸發感應的計數值，進而整理成一感應數值；及一計算模組，與該感應模組連接；該計算模組以該感應數值為依據而計算出一計算後之運作時間；該計算模組係以模糊理論(Fuzzy Theory)之歸屬函數(membership function)來計算該計算後之運作時間；該計算後之運作時間與該感應數值成正斜率關係；以及一控制輸出模組，與該計算模組連接，並與一被控制設備連接；該控制輸出模組在獲取該計算後之運作時間後，就使該被控制設備啟動，並在經過該計算後之運作時間後，關閉該被控制設備。
2. 如請求項1所述之可自動調整之時間控制裝置，其中該模糊理論之歸屬函數的輸入輸出變數包括：輸入a，代表第一輸入變數，即為該感應數值；輸入b，代表第二輸入變數；輸出c，代表第一輸出變數，即為該計算後之運作時間；該模糊理論之歸屬函數包括：A1代表第一輸入變數[少的]之模糊集合，以Z型圖形表示；A2代表第一輸入變數[中的]之模糊集合，以三角形圖形表示；A3代表第一輸入變數[多的]之模糊集合，以S型圖形表示；B1代表第二輸入變數[少的]之模糊集合，以Z型圖形表示；B2代表第二輸入變數[中的]之模糊集合，以三 角形圖形表示；B3代表第二輸入變數[多的]之模糊集合，以S型圖形表示；C1代表第一輸出變數[短的]之模糊集合，以三角型圖形表示；C2代表第一輸出變數[中的]之模糊集合，以三角形圖形表示；C3代表第一輸出變數[長的]之模糊集合，以三角型圖形表示。
3. 如請求項2所述之可自動調整之時間控制裝置，其中該輸入b為一剩餘次數，意即，先設定一該感應數值的預定感應數值上限，將該預定感應數值上限減去該感應數值就等於該剩餘次數。
4. 如請求項2所述之可自動調整之時間控制裝置，其中該輸入b為一預定值。
5. 如請求項2所述之可自動調整之時間控制裝置，其中該計算模組連接設有一通信模組；該通信模組連接一電腦；該電腦用於控制該輸入a、輸入b、輸出c及/或預定感應時間的值。
6. 如請求項1所述之可自動調整之時間控制裝置，其中該計算模組連接設有一顯示模組；該顯示模組是以圖形、文字、符號、燈號或將之綜合為顯示訊息之裝置，可顯示開機訊息、故障訊息、預定感應時間、預定感應數值上限、感應數值、計算後之運作時間、通信內容等訊息中之一者或二者以上。
7. 如請求項1所述之可自動調整之時間控制裝置，其中被控制設備連接一電源；該控制輸出模組連接於被控制設備及該電源之間。
8. 如請求項7所述之可自動調整之時間控制裝置，其中被控制設備為燈具、空調設備、通風設備或馬達。