電器設(shè)備遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳惠珊，黃干凱，歐巧儒，吳泳琪，崔健學(xué)，周永明，文昊翔

（韶關(guān)學(xué)院 智能工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005）

在科技日益發(fā)展的今天，家電使用越來(lái)越廣泛，家電的安全運(yùn)行越來(lái)越被重視.目前市面上的自動(dòng)家居智能用電監(jiān)控與控制系統(tǒng)不夠完善，不是監(jiān)控不到位，就是報(bào)警不夠及時(shí)，例如電器長(zhǎng)期在低電壓狀態(tài)下工作導(dǎo)致電器燒壞，電器工作所耗功率的變化（變大或變?。┑? 本監(jiān)控系統(tǒng)采用檢測(cè)電路針對(duì)節(jié)點(diǎn)的功率（電壓、電流）進(jìn)行采集，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)向單片機(jī)傳送，STM32F103ZET6 單片機(jī)將數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，比較檢測(cè)電器工作的數(shù)據(jù)值，向控制繼電器發(fā)出信號(hào)，對(duì)電器進(jìn)行運(yùn)行控制，同時(shí)STM32F103ZET6 單片機(jī)和樹莓派進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，攝像頭以每秒60 幀采集電器圖像，并將圖像傳給樹莓派，樹莓派接入互聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)手機(jī)APP 和警報(bào)短信給遠(yuǎn)程端傳遞家里用電情況的信息，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)家電的運(yùn)行，避免電器燒壞和用電引發(fā)的安全事故，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以Raspberry Pi 4B 與STM32F103ZET6［1-2］作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，如圖1 所示.其中Raspberry Pi 4B 采用Linux 操作系統(tǒng)，使用Python 編程，接收或傳送相關(guān)信息指令，處理來(lái)自電器形狀識(shí)別部分、近端操作部分、室內(nèi)定位部分、人機(jī)交互部分以及STM32F103ZET6 的信息和指令；其中STM32F103ZET6 接收并處理來(lái)自用電節(jié)點(diǎn)功率檢測(cè)電路采集來(lái)的信息，并且傳送到近端平臺(tái)或遠(yuǎn)程客戶端［3］，最后將接收到的信息轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，對(duì)繼電器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器設(shè)備用電情況的管理控制.電器形狀識(shí)別部分主要是攝像頭模塊；近端操作部分主要是輸入部件鍵盤和顯示部件LCD 觸摸顯示屏；室內(nèi)定位部分主要是結(jié)合車載設(shè)計(jì)方便識(shí)別到室內(nèi)各個(gè)位置的電器；人機(jī)交互部分包括物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)端、手機(jī)客戶端APP；檢測(cè)與控制部分主要是每個(gè)用電節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)電路、功率傳感器、溫度傳感器和繼電器.采用便攜式的接法將功率傳感器、溫度傳感器和繼電器等傳感器和控制器集中于插座中組成每一個(gè)用電節(jié)點(diǎn).

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電器形狀識(shí)別部分

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用攝像頭模塊OpenMV4 對(duì)電器設(shè)備進(jìn)行顏色識(shí)別與物位識(shí)別，利用物體顏色、形狀與形態(tài)的差異獲取形狀的參數(shù)［4］，結(jié)合車載式設(shè)計(jì)增加攝像頭識(shí)別的區(qū)域和室內(nèi)激光雷達(dá)定位完成基于SLAM［5］構(gòu)建室內(nèi)地圖.電器設(shè)備可以在室內(nèi)任何地方都能精準(zhǔn)定位與識(shí)別；在攝像頭空閑時(shí)作為智能安全管家，對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行巡視.

攝像頭與系統(tǒng)的連接有兩種方式，第一種采用串口連接，其電路連接方式見(jiàn)圖2；第二種采用USB 連接，使用數(shù)據(jù) 線 將OpenMV4 的Micro_USB 接 口 與Raspberry Pi 4B 的USB 接口進(jìn)行連接.

2.2 近端操作部分

本系統(tǒng)采用無(wú)線鍵盤與獨(dú)立供電的7 寸LCD 觸控顯示屏作為近端操作主要部件，鍵盤對(duì)電器設(shè)備的額定功率進(jìn)行標(biāo)記、設(shè)定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度、電壓、電流、功率等參數(shù)的最大允許范圍、系統(tǒng)功能選取等. LCD 屏作為顯示界面，方便數(shù)據(jù)輸入輸出檢查確認(rèn)，并且將周圍環(huán)境的監(jiān)控進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，判斷當(dāng)前環(huán)境是否安全.

無(wú)線鍵盤利用鍵盤配套的USB 藍(lán)牙接收器進(jìn)行通訊，LCD 則使用HDMI 線與Rasberry Pi 4B 上的Micro_HDMI 接口連接.

2.3 檢測(cè)與控制部分

系統(tǒng)采用AG 系列智能型交流功率隔離傳感器作為用電節(jié)點(diǎn)的參數(shù)采集器件，該器件能夠采集每個(gè)用電節(jié)點(diǎn)電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)，并能夠通過(guò)RS-232 接口協(xié)議的RXD、TXD、GND 三線將數(shù)據(jù)傳送到微處理器組成的系統(tǒng).數(shù)據(jù)處理中心將傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)計(jì)算、分析、并將處理結(jié)果反饋傳送到執(zhí)行器，例如繼電器，作為控制開(kāi)關(guān)，接收來(lái)自單片機(jī)的控制信號(hào)，用來(lái)控制節(jié)點(diǎn)用電或停止用電，在隔離傳感器上配備過(guò)流過(guò)壓檢測(cè)傳感器，能有效防止用電事故發(fā)生，節(jié)電的同時(shí)保障用電安全.

2.4 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)端采用機(jī)智云公司的開(kāi)源云服務(wù)端作為遠(yuǎn)程人機(jī)交互的網(wǎng)絡(luò)端.機(jī)智云是一家主要為開(kāi)發(fā)者提供物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的自助開(kāi)發(fā)工具、后臺(tái)技術(shù)支持服務(wù)、設(shè)備遠(yuǎn)程操控管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析、第三方數(shù)據(jù)整合等技術(shù)服務(wù)的公司.智能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控電器設(shè)備的使用情況、家居環(huán)境等的信息，并將這些數(shù)據(jù)信息上傳到云服務(wù)器，用戶可通過(guò)客戶端APP 獲取相關(guān)的信息.用戶也可以通過(guò)客戶端APP 進(jìn)行電器設(shè)備的開(kāi)啟、關(guān)閉預(yù)約服務(wù)等，也可以通過(guò)近端操作界面進(jìn)行直接操作，將產(chǎn)生的信息回傳到云服務(wù)器，從而向智能監(jiān)控系統(tǒng)下達(dá)的相關(guān)控制信息.

圖2 OpenMV 的串口連接

圖3 一個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)控制電路

3 軟件與系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

圖4 用戶端APP 主界面

3.1 APP 功能設(shè)計(jì)

（1）主界面可顯示正運(yùn)行的電器設(shè)備的功率、電壓、電流，因此用戶可以通過(guò)了解這些信息大致了解電器設(shè)備運(yùn)行的基本情況.

（2）可隨時(shí)對(duì)電器設(shè)備進(jìn)行關(guān)閉電源處理或者繼續(xù)運(yùn)行處理，當(dāng)用戶的所處位置距離電器設(shè)備較遠(yuǎn)時(shí)，可通過(guò)APP 更快、簡(jiǎn)單的對(duì)電器設(shè)備進(jìn)行操作.

（3）可隨時(shí)監(jiān)測(cè)電器設(shè)備，當(dāng)用戶收到手機(jī)報(bào)警短信的時(shí)候，可以通過(guò)檢測(cè)電器設(shè)備的攝像頭查看電器設(shè)備現(xiàn)有的狀態(tài).

（4）提供視頻監(jiān)控進(jìn)入端口，供用戶觀看室內(nèi)監(jiān)控［6-7］.

3.2 APP 界面設(shè)計(jì)

用戶端的安卓APP 使用Eclipse 開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)，接入機(jī)智云公司開(kāi)放平臺(tái)GAgent 作為本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心.主要實(shí)現(xiàn)功能：電器設(shè)備的信息的顯示（功率、電壓、電流等）、遠(yuǎn)程控制電源等.用戶端APP 主界面見(jiàn)圖4.

3.3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

（1）進(jìn)行系統(tǒng)初始化.電器形狀識(shí)別部分、近端操作部分、人機(jī)交互部分、檢測(cè)與控制啟動(dòng).

（2）通過(guò)電器形狀識(shí)別部分實(shí)時(shí)獲取電器設(shè)備使用情況.利用攝像頭判別電器設(shè)備種類及使用情況、查找電器設(shè)備的標(biāo)記信息，獲取正常工作的數(shù)據(jù)信息及功率設(shè)定最大值.

（3）通過(guò)云服務(wù)端獲取家居電器數(shù)據(jù)信息，并且可以通過(guò)手機(jī)、平板等設(shè)備的交互APP 以云服務(wù)器為媒介傳遞信息.用戶收到用電異?；虼嬖陔[患的警報(bào)短信的時(shí)候，可以回傳系統(tǒng)控制信息，使節(jié)點(diǎn)斷電和通過(guò)攝像頭查看電器設(shè)備現(xiàn)有的狀態(tài).

（4）通過(guò)近端操作部分標(biāo)記參數(shù)，初始功能設(shè)定，并且將相關(guān)信息上傳給云平臺(tái)［8］，以云平臺(tái)為中間媒介將信息傳送到交互APP.

（5）數(shù)據(jù)處理中心對(duì)攝像信息識(shí)別［9］進(jìn)入視頻監(jiān)控狀態(tài)獲取目標(biāo)參數(shù)，以及結(jié)合系統(tǒng)檢測(cè)獲取到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析計(jì)算，使控制系統(tǒng)進(jìn)入自主安全監(jiān)控模式.

圖5 攝像頭工作過(guò)程示意圖

圖6 系統(tǒng)程序流程框圖

4 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的進(jìn)步和人們生活水平的不斷提升，電器設(shè)備的安全不得忽視，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為此項(xiàng)領(lǐng)域的重要支持.本設(shè)計(jì)對(duì)電器的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制，符合了現(xiàn)代化生活的迫切需求，也能進(jìn)一步減少人們因忘記關(guān)電或電器損壞引發(fā)的火災(zāi)等安全事故，大大提高了家庭生活的舒適度與安全感；配備的攝像頭除了能監(jiān)測(cè)電器外，兼具視頻監(jiān)控功能，使用戶可在異地通過(guò)系統(tǒng)查看室內(nèi)環(huán)境.本設(shè)計(jì)符合國(guó)家鼓勵(lì)的創(chuàng)新要求，比以往的同類系統(tǒng)更具有競(jìng)爭(zhēng)力以及使用便利性，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，未來(lái)也可以在此監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上繼續(xù)完善，使該系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)上更加智能全面，讓使用者離家在外能實(shí)時(shí)監(jiān)控家用電器使用情況的同時(shí)，添加上輔助檢查家電的損壞部分等方便使用的功能，滿足人們對(duì)智能生活的要求.