基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安全用電智能插板

孫 赫 陳 濤 李一帆 曾江林

（重慶交通大學(xué)，重慶400074）

1 概述

隨著物聯(lián)網(wǎng)覆蓋了人類生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域,對各個領(lǐng)域智能化的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用,智能家居也因此逐漸普及[1]。家庭用電的智能化體現(xiàn)在智能家居和智能電器的發(fā)展[2-3]。如今家庭用電不僅朝著“節(jié)約化”、“儲能化”和“智慧化”的方向發(fā)展,“智能電網(wǎng)”與家庭“智慧用電”系統(tǒng)的協(xié)同發(fā)展也將成為家庭用電發(fā)展方向[4]。

目前, 市場上流通的一些關(guān)于智能插座的產(chǎn)品功能較為單一, 且大多數(shù)需要通過昂貴的網(wǎng)關(guān)連接。另外,對于遠(yuǎn)程監(jiān)測、分布式用電安排等方面拓展應(yīng)用較少。絕大多數(shù)插座不能實(shí)時監(jiān)測插座用電口的用電情況, 更不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警及監(jiān)測。此外在現(xiàn)有的配電模式中,絕大多數(shù)相關(guān)消防用電監(jiān)控主要針對單位、場所等大型區(qū)域,對于個體用戶市場暫無相關(guān)產(chǎn)品出現(xiàn)。就“智能電網(wǎng)”來說,主要針對的是城市消防建設(shè)。而以家庭用戶為消費(fèi)單元的發(fā)明暫無普及。

圖1 裝置原理圖

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安全用電智能插板。該裝置包括顯示模塊、電源模塊、控制模塊、檢測模塊、通信模塊、報(bào)警模塊和消患模塊。通過對溫度、電流及煙霧數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測,實(shí)時發(fā)現(xiàn)電氣線路和用電設(shè)備存在的安全隱患, 用戶可通過現(xiàn)場顯示屏和手機(jī)APP 對實(shí)時查看用電器用電情況。數(shù)據(jù)異常時,控制模塊斷開總電閘, 報(bào)警模塊現(xiàn)場立即發(fā)出聲光報(bào)警,同時通過自動撥號和APP 推送實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警。內(nèi)部若起明火則立即啟動消患模塊。該裝置實(shí)現(xiàn)對家庭用電的實(shí)時監(jiān)測與控制, 彌補(bǔ)傳統(tǒng)配電箱的不足,既提高使用安全性, 又滿足智能化時代的安全需求

圖2 硬件原理圖

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安全用電智能插板

本文提到的裝置是以單片機(jī)為核心研制的家庭用電監(jiān)測及報(bào)警裝置。如圖1 所示,以居民家庭為用戶單元, 分為現(xiàn)場監(jiān)測單元和數(shù)據(jù)整合分析平臺。現(xiàn)場監(jiān)測單元主要用于檢測當(dāng)前用電器使用的電量,以及使用過程中環(huán)境溫度和煙霧濃度情況, 并對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時顯示,用戶可在現(xiàn)場進(jìn)行查看。同時,若溫度、煙霧濃度環(huán)境數(shù)據(jù)超出設(shè)置閾值時,大概率出現(xiàn)裝置內(nèi)起明火等情況,此時,利用自動撥號向線上平臺遠(yuǎn)程報(bào)警并啟動單元內(nèi)部滅火器熄滅明火,以此消除火災(zāi)隱患?，F(xiàn)場監(jiān)測單元分布于居民家庭,組成現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),并實(shí)時傳輸數(shù)據(jù)至線上數(shù)據(jù)整合分析平臺。數(shù)據(jù)整合分析平臺則主要是對各個監(jiān)測單元上傳的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲與整合分析。用戶可通過手機(jī)APP 或PC 端登錄平臺遠(yuǎn)程查看各個現(xiàn)場監(jiān)測單元實(shí)時的環(huán)境信息與電力信息, 并查看用電器是否存在異常情況。通過對歷史存儲數(shù)據(jù)的整體分析,用戶可對特定用電器的歷史用電量、用電時段等用電詳細(xì)信息進(jìn)行查看,以此準(zhǔn)確掌握家庭電器的用電情況。

3 裝置硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以STM32F103RCT6 單片機(jī)為核心控制器,如圖2 硬件原理圖所示。由可充電鋰電池供電,用家用電源經(jīng)變壓充電模塊對裝置進(jìn)行充電, 斷電時由鋰電池對控制器等其他模塊進(jìn)行供電。從控制器對煙霧信號、溫度信號、電流信號進(jìn)行實(shí)時采集并由現(xiàn)場0.96 寸OLED 顯示屏模塊顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)以便用戶現(xiàn)場進(jìn)行查看,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析,由Lora 無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂破? 主控制器將所有從控制器的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析、匯總后,通過4G 通信模塊上傳到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)時儲存,數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)對比和異常判決,用戶可通過手機(jī)端與其他終端遠(yuǎn)程查看現(xiàn)場實(shí)時煙霧濃度、溫度環(huán)境信息與電流、電壓、用電量等電力信息。若從控制器檢測的實(shí)時電力數(shù)據(jù)與歷史電力數(shù)據(jù)差別較大時,判決為輕微異常,現(xiàn)場顯示模塊和手機(jī)端突出顯示異常數(shù)據(jù);若電流、電壓、用電量等電力數(shù)據(jù)超出設(shè)置閾值時,判決為一般異常,將啟動現(xiàn)場聲光報(bào)警模塊以提醒用戶,同時服務(wù)器產(chǎn)生異常信號,及時通過手機(jī)通知用戶,同時通過4G 通信模塊傳送到主控制器,主控制器接收到異常信號的同時,輸出信號控制驅(qū)動模塊斷開總電閘。若溫度、煙霧濃度環(huán)境數(shù)據(jù)超出設(shè)置閾值時,大概率出現(xiàn)裝置內(nèi)起明火等情況,則判決為嚴(yán)重異常,除進(jìn)行產(chǎn)生一般異常時的處理外,還將通過裝置中滅火設(shè)備進(jìn)行自動滅火。手機(jī)端在通知用戶異常情況時,會告知用戶具體的現(xiàn)場異常裝置,以便用戶進(jìn)行現(xiàn)場排患,解除異常情況,達(dá)到消除潛在的電氣火災(zāi)危險,實(shí)現(xiàn)安全用電的目的。

4 裝置軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開啟后,首先進(jìn)行程序初始化。然后進(jìn)行電流信號、溫度信號、煙霧信號、無線通訊信號數(shù)據(jù)采集。

通過從機(jī)端監(jiān)測電流信號、溫度信號、煙霧信號是否異常,若沒有異常系統(tǒng)則會將檢測到的數(shù)據(jù)通過顯示器顯示出來, 用戶也可通過手機(jī)APP 查詢數(shù)據(jù)。若檢測到電流信號有異常, 系統(tǒng)就會啟動現(xiàn)場報(bào)警模塊, 此時揚(yáng)聲器會發(fā)出語音警報(bào)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場報(bào)警,并向主機(jī)發(fā)送報(bào)警信號。若插板內(nèi)溫度信號、煙霧信號有異常則啟動現(xiàn)場消患設(shè)備實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場消患同時向主機(jī)傳送異常信號。

通過主機(jī)端進(jìn)行從機(jī)端數(shù)據(jù)匯總及處理監(jiān)測是否有異常信號, 若有異常則控制驅(qū)動模塊關(guān)閉電閘并向手機(jī)端發(fā)送信號實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警。

通過手機(jī)端數(shù)據(jù)處理,可提醒用戶家中用電隱患并進(jìn)行信號解除。

結(jié)束語

本文從用電安全問題出發(fā),闡述了當(dāng)前用電、配電現(xiàn)狀。為從根本上解決此類問題, 本文針對性提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安全用電智能插板應(yīng)用方案。實(shí)時采集用電器用電狀態(tài),該裝置具備網(wǎng)絡(luò)通信功能, 與4G/ 5G 技術(shù)結(jié)合并借助大數(shù)據(jù)分析技術(shù),可實(shí)時將采集到的數(shù)據(jù)上傳到云端,分析用電是否安全,用戶可遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測及查看用電狀態(tài)。用電情況異常時可遠(yuǎn)程報(bào)警并進(jìn)行現(xiàn)場消患處理,從根本上解決了用電安全問題。此裝置拓展家庭智能用電的方向,降低了電器起火發(fā)生率,實(shí)現(xiàn)防范于未然,安全用電的目的。