集 合 住 宅 智 慧 家 庭 節 能 應 用 案 例 介 紹 國 立 臺 北 科 技 大 學 電 機 工 程 學 系 練 光 祐 教 授 kylian@ntut.edu.tw 02-27712171 轉 2171
Outline 目 前 智 慧 家 庭 節 能 的 觀 念 本 實 驗 室 在 智 慧 家 庭 節 能 的 研 究 方 向 集 合 式 住 宅 節 能 案 例 說 明 本 實 驗 室 在 智 慧 家 庭 的 架 構 本 實 驗 室 研 發 的 智 慧 插 座 本 實 驗 室 發 展 的 智 慧 電 表 結 論
目 前 智 慧 家 庭 節 能 的 觀 念 1. 大 多 以 電 力 系 統 節 能 為 主 要 功 能 2. 通 常 以 ON OFF( 繼 電 器 ) 狀 態 來 進 行 節 能 的 方 法 3. 無 法 全 面 使 用 行 動 裝 置, 例 如 智 慧 型 手 機 平 板 電 腦 等, 進 行 遠 端 節 能 設 定 監 視 與 控 制
本 實 驗 室 在 智 慧 家 庭 節 能 的 研 究 方 向 1. 採 用 人 性 化 的 情 境 控 制 2. 在 控 制 方 面 加 入 了 模 糊 控 制 的 方 法 3. 各 個 感 測 器 的 數 據 採 集 加 入 一 些 演 算 法 加 以 分 析, 例 如 LCS 決 策 樹 4. 使 用 異 質 通 訊 協 定 的 方 式, 將 數 位 資 訊 匯 集 在 研 發 中 的 嵌 入 式 系 統 例 如,Raspberry Pi Beaglebone Black Board 等 5. 將 一 些 家 電 控 制 從 ON OFF 繼 電 器 控 制 方 式, 改 成 PWM 的 可 程 度 調 變 控 制 方 式
集 合 式 住 宅 節 能 案 例 說 明
節 能 案 例 說 明 ( 一 ) 尚 海 社 區 位 於 新 北 市 淡 水 區 1. 為 中 大 型 集 合 式 住 宅 社 區, 住 戶 約 502 戶 2. 改 善 情 形 簡 述 : 契 約 容 量 訂 定 合 理 化 提 高 功 率 因 數 抑 制 用 電 需 量 電 梯 自 動 化 管 理 模 式 (5 分 鐘 無 人 使 用 時, 即 關 閉 電 梯 內 照 明 及 排 風 扇 ) 採 用 高 效 率 LED 燈 具 98~100 年 社 區 用 電 度 數 與 費 用 比 較 圖
節 能 案 例 說 明 ( 二 ) 昇 陽 府 中 棧 社 區 位 於 新 北 市 板 橋 區 1. 中 小 型 集 合 式 住 宅 社 區, 總 戶 數 約 131 戶 2. 改 善 情 形 簡 述 : 契 約 容 量 訂 定 合 理 化 電 梯 自 動 化 管 理 模 式 採 用 高 效 率 LED 燈 具 推 行 電 動 機 車 充 電 站 社 區 空 中 花 園
節 能 案 例 說 明 ( 三 ) 莒 光 新 城 位 於 台 北 市 萬 華 區 1. 為 地 下 1 層 地 上 12 層 10 座 大 樓, 連 棟 之 傳 統 RC 結 構 建 築, 係 國 內 大 型 集 合 式 住 宅 社 區, 共 513 戶 2. 改 善 情 形 簡 述 : 空 調 節 能 管 理 措 施 採 用 高 效 率 LED 型 燈 具 及 燈 管 採 用 高 效 率 LED 型 燈 源 電 梯 自 動 化 及 節 能 管 理 模 式 電 梯 內 部 改 採 LED 燈 源 採 用 環 保 耐 磨 透 水 鋪 面 降 低 建 物 週 邊 溫 度
節 能 案 例 說 明 ( 四 ) 雙 璽 社 區 位 於 新 竹 縣 竹 北 市 1. 為 中 小 型 集 合 式 住 宅 社 區, 總 戶 數 約 117 戶 ( 人 口 約 480 人 ) 2. 改 善 情 形 簡 述 : 契 約 容 量 訂 定 合 理 化 電 梯 自 動 化 管 理 模 式 採 用 高 效 率 LED 日 光 燈 具 及 燈 管 採 用 高 效 率 LED 燈 具 戶 外 造 景 燈 具 採 用 太 陽 能 燈 具 不 透 光 電 梯 間 及 停 車 場 車 位 處 安 裝 照 明 紅 外 線 感 應 器 及 適 當 執 行 燈 具 跳 盞 點 燈 公 設 氣 窗 增 設 及 張 貼 隔 熱 紙 太 陽 能 燈 具 ( 造 景 燈 ) 公 設 氣 窗 增 設 及 張 貼 隔 熱 紙 99~101 年 雙 璽 社 區 公 設 用 電 度 數 與 費 用 比 較 圖
節 能 案 例 說 明 ( 五 ) 擎 天 雙 星 大 廈 社 區 位 於 新 北 市 板 橋 區 1. 為 國 內 中 大 型 集 合 式 住 宅 社 區, 住 戶 約 441 戶, 為 二 棟 32 樓 層 鋼 骨 結 構 建 築 2. 改 善 情 形 簡 述 : 大 廳 自 然 採 光 提 高 功 因 數 縮 短 停 車 場 送 排 風 車 運 轉 時 間 採 用 高 效 率 省 電 燈 具 採 用 高 效 率 省 電 燈 泡 採 用 高 效 率 LED 燈 具 加 強 公 共 區 域 用 電 管 理 停 車 場 送 排 風 機 以 時 間 控 制 器 控 制 運 轉 庭 園 燈 採 省 電 燈 泡 社 區 96 年 度 與 97 年 度 總 電 度 數 比 較 圖
本 實 驗 室 在 智 慧 家 庭 的 架 構
本實驗室在智慧家庭的架構 Mobile phone Mobile device remote monitoring and control Handwriting Recognition Mobile tablet
Network protocols integrated controller
Smart phone real-time monitoring of temperature and humidity ZigBee End device (router) Wi-Fi Base Station Wi-Fi Wi-Fi ZigBee Wi-Fi Temperature 26.6 ₒ C Temperature Sensor and Humidity Sensor Humidity 36.8% ZigBee,Wi-Fi and Bluetooth module integration through the Arduino controller simultaneously Smart Phone
本 實 驗 室 正 在 發 展 中 的 智 慧 家 庭 調 控 架 構 圖 以 數 位 訊 號 匯 流 技 術 為 核 心 之 嵌 入 式 智 慧 調 控 系 統
手 機 APP 即 時 監 控 畫 面 使 用 智 慧 型 手 機 監 控 智 慧 家 庭 的 實 際 情 形
本 實 驗 室 研 發 的 智 慧 插 座
智 慧 插 座 硬 體 架 構 智 慧 插 座 智 慧 電 錶
智 慧 插 座 系 統 流 程 智 慧 插 座 智 慧 電 錶 手 機 智 慧 插 座 智 慧 插 座 系 統 流 程 圖
智 慧 插 座 功 能 介 紹 智 慧 插 座 智 慧 電 錶 配 電 盤 智 慧 插 座 讀 錶 系 統 應 用 示 意 圖
本 實 驗 室 發 展 的 智 慧 電 表
智 慧 電 錶 家 電 負 載 分 析 家 電 負 載 資 料 庫 建 立 家 電 負 載 判 別 智 慧 電 錶 系 統 流 程 圖
智 慧 電 錶 家 電 負 載 分 析 找 出 電 力 特 徵 將 家 電 負 載 分 類 功 率 差 OVERSHOOT 功 率 =1 圖 一 圖 二 圖 三
智 慧 電 錶 家 電 負 載 資 料 庫 建 立 以 有 無 發 生 overshoot 功 率 大 小 功 率 因 數 好 壞 和 類 型 建 立 資 料 庫 功 率 大 小 >700W 高 功 率 700~100W 中 功 率 <100W 低 功 率 功 率 因 數 >0.98 優 0.98~0.9 良 <0.9 差 Overshoot 功 率 大 小 功 率 因 數 好 壞 電 風 扇 A_ 弱 _ON YES 低 良 馬 達 類 電 風 扇 A_ 中 _ON YES 低 優 馬 達 類 電 風 扇 A_ 強 _ON YES 低 優 馬 達 類 冰 箱 _ON YES 中 良 馬 達 類 果 汁 機 瞬 轉 YES 中 優 馬 達 類 果 汁 機 高 速 YES 中 良 馬 達 類 果 汁 機 低 速 YES 中 良 馬 達 類 電 風 扇 B_ 弱 _ON YES 低 優 馬 達 類 電 風 扇 B_ 中 _ON YES 低 良 馬 達 類 電 風 扇 B_ 強 _ON YES 低 良 馬 達 類 吹 風 機 A_ 冷 _ON NO 中 優 加 熱 類 吹 風 機 A_ 弱 熱 _ON NO 中 優 加 熱 類 吹 風 機 A_ 強 熱 _ON NO 高 優 加 熱 類 吹 風 機 B_ 弱 熱 _ON NO 高 優 加 熱 類 吹 風 機 B_ 強 熱 _ON NO 中 優 加 熱 類 電 暖 器 高 溫 _ON NO 中 優 加 熱 類 電 暖 器 中 溫 _ON NO 中 優 加 熱 類 烤 麵 包 機 _ON NO 中 優 加 熱 類 空 氣 清 淨 機 ( 靜 電 式 )_ON NO 中 優 其 他 電 鍋 _ON NO 低 優 加 熱 類 熱 水 壺 _ON NO 中 優 加 熱 類 烤 箱 _ON NO 高 優 加 熱 類 傳 統 燈 泡 檯 燈 _ON NO 低 差 其 他 省 電 燈 泡 檯 燈 _ON NO 低 差 其 他 類 型
智 慧 電 錶 家 電 負 載 判 別 決 策 樹 分 類 負 載 辨 識 搜 尋 決 策 樹 的 分 類 利 用 Gini 索 引 法 決 定 決 策 樹 分 類 方 法, 若 具 有 較 高 同 質 性 類 別 的 節 點, 則 該 分 割 結 果 愈 佳 樣 本 的 類 別 分 佈 愈 平 均,Gini 索 引 值 愈 小 ; 分 佈 愈 不 平 均,Gini 索 引 值 愈 大
智 慧 電 錶 決 策 樹 分 類 馬 逹 加 熱 其 他 利 用 三 個 特 徵 值 :Overshoot 功 率 大 小 功 率 因 數 好 壞, 尋 找 出 最 小 的 Gini index 值 做 分 類 時, 最 佳 的 決 策 點
智 慧 電 錶 決 策 樹 分 類 0.1964 0.4322 0.5567 Gini Overshoot (S) <Gini PF (S)<Gini W (S) 故 選 取 Overshoot 為 第 一 優 先 決 策 之 特 徵 尋 找 第 二 決 策 點 扣 除 第 一 決 策 Overshoot 後, 系 統 目 前 由 功 率 大 小 功 率 因 數 好 壞, 這 兩 項 特 徵 值 中 尋 找 出 第 二 決 策 點
智 慧 電 錶 決 策 樹 分 類 加 熱 其 他 利 用 功 率 大 小 功 率 因 數 好 壞, 尋 找 第 二 決 策 點 0.1308 0.3214 Gini PF (S)<Gini W (S) 故 選 取 功 率 因 數 好 壞
智 慧 電 錶 決 策 樹 分 類
智 慧 電 錶 負 載 辨 識 搜 尋 利 用 鄰 近 搜 尋 法, 經 比 對 該 分 類 別 所 有 資 料 庫 內 之 資 料, 尋 找 與 距 離 最 近 判 定 為 負 載 種 類
智 慧 電 錶 文 獻 比 較 文 獻 年 份 辨 識 方 法 辨 識 平 台 即 時 辨 識 辨 識 狀 態 成 功 率 (%) 本 文 2015 穩 態 + 暫 態 嵌 入 式 系 統 24 91.2 [5] 2013 BP PC 4 88.3 [6] 2013 穩 態 +DR PC 10 89.3 [8] 2013 穩 態 + 暫 態 嵌 入 式 系 統 22 93.1
智 慧 電 錶 成 品 展 示 智 慧 電 錶 X1 智 慧 插 座 X2 智 慧 電 錶 智 慧 插 座 智 慧 插 座
智 慧 電 錶 電 力 量 測 單 元 誤 差 比 較 吹 風 機 _ 冷 風 電 壓 (V) 電 流 (A) 視 在 功 率 (VA) 實 功 率 (W) 功 率 因 數 電 力 計 117.1 0.35 40.98 40.16 0.98 智 慧 電 錶 117.05 0.35 40.96 40.14 0.98 誤 差 (%) 0.04 0 0.05 0.05 0 吹 風 機 _ 強 熱 電 壓 (V) 電 流 (A) 視 在 功 率 (VA) 實 功 率 (W) 功 率 因 數 電 力 計 117.5 0.46 54.05 48.65 0.9 智 慧 電 錶 117.42 0.46 54.01 48.61 0.9 誤 差 (%) 0.06 0 0.07 0.08 0 電 鍋 電 壓 (V) 電 流 (A) 視 在 功 率 (VA) 實 功 率 (W) 功 率 因 數 電 力 計 118.4 0.32 37.88 28.78 0.76 智 慧 電 錶 118.44 0.32 37.9 28.8 0.76 誤 差 (%) 0.03 0 0.05 0.06 0
實 驗 成 果 家 電 辨 識 測 試 檯 燈 監 控 測 試 場 示 意 圖
實 驗 成 果 家 電 辨 識 測 試
實 驗 成 果 家 電 辨 識 測 試 檯 燈 ON 狀 態 手 機 畫 面 檯 燈 OFF 狀 態 手 機 畫 面
發 展 的 技 術 應 用 至 集 合 式 住 宅 社 區 研 發 的 智 慧 家 庭 技 術 很 容 易 拓 展 至 集 合 住 宅, 因 為 有 下 列 幾 點 特 色 : 1. 使 用 web-based 方 法, 建 立 跨 平 台 技 術 也 就 是 行 動 裝 置 可 以 是 Android Apple ios Windows phone 等, 不 受 到 作 業 系 統 的 限 制 2. 非 侵 入 式 電 量 量 測 技 術, 尊 重 家 庭 與 個 人 隱 私 3. 在 情 境 調 控 上, 使 用 新 的 LED 色 溫 調 控 技 術 4. 使 用 數 位 訊 號 匯 流 的 方 式, 撰 寫 韌 體 程 式 碼, 有 效 提 升 整 體 控 制 系 統 的 效 率
結 論 1. 提 升 智 慧 家 庭 節 能 的 觀 念, 強 調 智 慧 控 制 的 核 心 價 值 2. 運 用 嵌 入 式 系 統 的 方 法, 將 電 力 節 能 的 控 制, 升 級 到 真 正 智 慧 控 制 的 理 想 3. 建 立 具 有 決 策 判 斷 情 境 自 動 調 節, 以 及 符 合 人 性 的 智 慧 家 庭 調 變 控 制 系 統 4. 廣 泛 使 用 智 慧 型 手 機 與 平 板 電 腦, 即 時 監 視 與 控 制 社 區 與 居 家 智 慧 節 能 系 統
Q&A