基于深度學(xué)習(xí)的智能家庭電力系統(tǒng)研究與實現(xiàn)①

董明濤 劉蘇欣 董佳偉

(哈爾濱理工大學(xué) 山東威海 264300)

隨著生活水平的提高，人們開始追求生活的品質(zhì)和效率，各種關(guān)于生活起居類的智能產(chǎn)品應(yīng)運而生。用電器作為人類生活中必不可少的東西，也開始踏上智能化的道路。為滿足人們對產(chǎn)品的需求，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了一些智能家居的裝置，但是由于智能控制平臺不統(tǒng)一，給用戶的實際使用帶來了諸多不便。同時，相對于傳統(tǒng)用電器，智能用電器價格昂貴，不能很好地滿足大部分人的消費能力而使得智能家居依然不能普及。本研究提出了一種針對傳統(tǒng)用電器改造，且同樣適用于智能電器開關(guān)控制的系統(tǒng)，能夠檢測用戶電力信息，并將用戶的電力使用信息與用戶行為信息相結(jié)合，運用深度學(xué)習(xí)算法進行學(xué)習(xí)，不僅能夠保證家庭電力的安全性，也實現(xiàn)了傳統(tǒng)用電器的智能化控制，具有很好的發(fā)展前景。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)主要由一個主機和多個從機共同組成。主機采用ST公司的STM32F767作為主控制器，嵌入uC/OSIII實時操作系統(tǒng)，搭載有儲存模塊、觸摸屏、WIFI通信模塊以及云端通信模塊。觸摸屏采用TFTLCD觸摸屏，用戶能夠通過觸摸屏獲取用電器信息，并能夠通過觸摸實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。運用WIFI通信模塊建立數(shù)據(jù)服務(wù)器，用于主機與各個從機之間的通訊和與云端之間的通信，使用戶能夠通過手機APP對用電器進行直接的控制，同時也能夠從云端獲取到用戶操作信息。

系統(tǒng)從機采用STM32F103作為控制核心，同樣嵌入uC/OSIII實時操作系統(tǒng)，搭載有用電器檢測系統(tǒng)、用戶信息采集系統(tǒng)、電力控制系統(tǒng)以及WIFI通信模塊。用電器檢測系統(tǒng)主要包括電壓互感器、電流互感器，采樣電路以及電能計量芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)對用電器電壓、電流、功率等信息的采集。信息采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)采集用戶的位置和時間信息，以作為深度學(xué)習(xí)的支撐數(shù)據(jù)。電力控制系統(tǒng)主要包括繼電器和紅外解碼模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對一些傳統(tǒng)用電器的智能控制。

2 深度學(xué)習(xí)算法

為了能夠讓系統(tǒng)了解用戶行為，針對傳統(tǒng)用電器進行智能控制，對用戶數(shù)據(jù)進行采集，運用線性最小二乘法來識別用電器，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來判斷用戶的行為，以此來對用戶行為事件做出相應(yīng)控制。

2.1 基于最小二乘法的用電器識別算法

我們對用電器的檢測數(shù)據(jù)進行學(xué)習(xí)，通過線性最小二乘法求解用電器的開關(guān)狀態(tài)。運用電器檢測系統(tǒng)采集線路的總電壓，總電流，總功率等信息，由于市電220V波動，對我們意義不大，我們這里采用線路的電流和功率作為學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，對用電器進行判斷。

我們選取常用的用電器m個進行單獨的電流、功率參數(shù)采集，得到用電器學(xué)習(xí)矩陣H2×m。為了識別用電器，我們建立超定矩陣方程，其中，x為線路的實時電流，功率矩陣；θ為矢量參量，表示m個用電器各自的狀態(tài)；v為系統(tǒng)測量噪聲。

為了求得θ以確定用電器的狀態(tài)，我們使得誤差平方和最小，得到θ即為最小二乘解，使得系統(tǒng)測量噪聲v盡可能小。

加之我們采集的用戶位置信息，將用電器的位置進行劃分，能夠準(zhǔn)確地識別用電器并對同種用電器進行劃分。

2.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的用戶事件判斷算法

我們采集到用戶數(shù)據(jù)，并對用電器進行識別之后，對數(shù)據(jù)進行深度學(xué)習(xí)，通過時間分區(qū)將分區(qū)內(nèi)發(fā)生的用戶行為數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)，作為一個時間的判斷樣本，對用戶的電力使用行為進行深度學(xué)習(xí)。

我們將用戶的用電器使用數(shù)據(jù)進行劃分，設(shè)定時間閾值，將用電器之間開啟或關(guān)斷時間在閾值之內(nèi)的用電器變動數(shù)據(jù)劃分為一個事件?？紤]到用戶的習(xí)慣不同，固定的時間閾值對一些特殊情況可能不太理想，存在把兩個時間合并為一個時間的情形。因此，我們需要建立閾值更新以解決用戶的行為差異問題。我們根據(jù)某段時間的用戶數(shù)據(jù)進行了不同閾值的劃分，得到了閾值大小與時間個數(shù)的關(guān)系。在某段時間閾值內(nèi)，下降趨勢較為明顯，說明用戶用電器操作比較集中。之后趨勢較為平緩，說明用戶操作在該時間閾值下開始趨向穩(wěn)定，選取該事件閾值不會過分影響我們對用戶操作時間的劃分。我們選取變化趨于平緩階段的前四個數(shù)據(jù)的平均值作為我們用于深度學(xué)習(xí)時間閾值。

為了進行深度學(xué)習(xí)，我們選取用電器類型、開始工作時間、結(jié)束工作時間、停頓時間、工作次數(shù)、工作總時長作為我們的訓(xùn)練指標(biāo)。

我們選用采集到的深度學(xué)習(xí)指標(biāo)數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別模型，然后根據(jù)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)來識別用戶的時間。我們選取其中時間作為輸出時間，各個事件輸出節(jié)點輸出的值在范圍內(nèi)，如果該值小于0，那么說明該事件沒有發(fā)生，如果該值大于零，那么說明該事件發(fā)生。我們在根據(jù)事件類型對該事件的用電器進行控制，達到智能效果。

3 結(jié)語

基于深度學(xué)習(xí)的智能家庭電力系統(tǒng)，采用智能化控制方式，實現(xiàn)了對傳統(tǒng)用電器的智能化控制。運用STM32作為控制器，同時嵌入uC/OSIII實時操作系統(tǒng)，使得整個系統(tǒng)運行更加流暢。通過采集用戶數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)，可以使得本系統(tǒng)適用于不同家庭的使用，具有實用性強、靈活度高等優(yōu)點。在這個智能家居飛速發(fā)展的時期，本系統(tǒng)為各大公司智能產(chǎn)品平臺不統(tǒng)一給用戶帶來不便以及傳統(tǒng)家電智能控制的控制發(fā)展做出了一定貢獻，具有一定的市場價值。