會感應(yīng)的電器節(jié)能遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置

◎長沙市開福區(qū)國防科技大學(xué)附屬小學(xué) 趙知恒 杜孟嬌

創(chuàng)意由來：

一天，我們在上學(xué)路上看到幾輛消防車奔馳而過。后來，聽說是某個小區(qū)電器起火，發(fā)生了火災(zāi)。回想起在電視上看到的火災(zāi)發(fā)生時的慘烈場面，我們都感到害怕。

以前，我們出門時經(jīng)常忘記關(guān)電器，不僅浪費(fèi)了寶貴的電能，還存在火災(zāi)隱患?，F(xiàn)在出門前，我們都會仔仔細(xì)細(xì)地把家里的電器檢查一遍，一旦發(fā)現(xiàn)還有電器在運(yùn)行，就會立即關(guān)掉。但是，家里的電器太多了，每次檢查都要花費(fèi)很長時間。有幾次因?yàn)檫@個事情，我們上學(xué)還遲到了。所以，我們決定發(fā)明能遠(yuǎn)程監(jiān)控電器的裝置。

設(shè)計(jì)過程：

1.初次設(shè)計(jì)

Arduino電路板是適合小學(xué)生編程的開源電子平臺，它就像一臺小型電腦，與不同的模塊連接，通過程序控制可以完成各種任務(wù)。在家長的輔導(dǎo)下，我們學(xué)習(xí)了編程知識，為設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。

電流大小表示電器用電的多少。我們選取一個測量電路電流的感應(yīng)線圈和一個顯示電流值的LCD顯示模塊，將它們與Arduino電路板連接，其中，Arduino電路板在裝置的中央，感應(yīng)線圈和LCD顯示模塊在Arduino電路板的同一側(cè)，如圖1。

接下來，我們驗(yàn)證利用電磁感應(yīng)原理測量電器電流是否可行。我們將感應(yīng)線圈套在電器電線上，打開電路開關(guān)，LCD顯示屏上卻沒有讀數(shù)。這是怎么回事呢？我們請教科學(xué)老師，科學(xué)老師給我們講解了電磁感應(yīng)的基本原理。原來是連接方式不對，電纜里有兩根或者三根電線，不同電線產(chǎn)生的磁場會相互抵消。之后，我們將感應(yīng)線圈套在其中一根電線上，LCD顯示屏上出現(xiàn)了正確的數(shù)值。初步試驗(yàn)取得了成功，我們感覺很不錯，興奮地給大家演示。

2.改進(jìn)裝置

有的人不太明白LCD顯示屏上的數(shù)字表示什么。要不改進(jìn)電路的顯示方式，使其更直觀，方便更多人理解？于是，我們在裝置中安裝了紅、黃、綠燈，LED圖標(biāo)，蜂鳴器，語音播報(bào)模塊，如圖2，可增強(qiáng)顯示功能，并實(shí)現(xiàn)報(bào)警和語音播報(bào)功能。其中，紅、黃、綠燈被安裝在Arduino電路板的一側(cè)，蜂鳴器、語音播報(bào)模塊和LED圖標(biāo)被安裝在Arduino電路板的另一側(cè)。如果測量的電流過大，電器節(jié)能遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置的紅燈會亮起，并發(fā)出警報(bào)聲。

3.進(jìn)一步完善

電器節(jié)能遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置的功能更強(qiáng)大了，也更方便使用了，于是我們再次給大家演示。有人提出，除了監(jiān)控電器的狀態(tài)，針對電器存在的火災(zāi)隱患，電器節(jié)能遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置能不能發(fā)揮作用？

這個提議不錯，我們決定試試。我們思索了很久，想到火災(zāi)發(fā)生時電器溫度會升高，產(chǎn)生有害的濃煙，可以利用溫濕度采集模塊和小風(fēng)扇模塊幫助確認(rèn)火災(zāi)和驅(qū)散煙霧。于是，我們將溫濕度采集模塊、小風(fēng)扇模塊與Arduino電路板連接。在科學(xué)老師和家長的指導(dǎo)下，我們還安裝了按鍵、點(diǎn)陣顯示模塊和Wi-Fi通信模塊等，并給Wi-Fi通信模塊編寫了程序，可以將溫度、濕度、電流等信息及時發(fā)送到手機(jī)上。

試用作品：

科學(xué)老師建議我們試用電器節(jié)能遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置，具體過程可按照編寫的程序進(jìn)行。

第一步，使用感應(yīng)線圈采集電器電流。第二步，通過采集的電流判斷能耗，根據(jù)能耗小、中、大，分別點(diǎn)亮綠燈、黃燈、紅燈。如果能耗為中，小風(fēng)扇還會轉(zhuǎn)動；能耗為大，蜂鳴器會鳴叫報(bào)警，語音播報(bào)電流值。第三步，按按鍵：按一下按鍵，點(diǎn)陣根據(jù)能耗判斷顯示圖形，LCD顯示屏顯示電流值；按兩下按鍵，Wi-Fi通信模塊會將所有信息發(fā)送到手機(jī)上。

我們接受了建議，將電器節(jié)能遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置的感應(yīng)線圈套在電燈、電腦、微波爐和空調(diào)等電器的電源線上，測量了它們在工作和待機(jī)時的電流，數(shù)值見表1。

表1 不同的電器在工作和待機(jī)時的電流值

不同的電器的耗電量存在差別。工作時，微波爐和空調(diào)的耗電量比較大，臺燈和手機(jī)的耗電量比較小。在待機(jī)時，有一些家用電器尤其是電視機(jī)的耗電量也很大。為了預(yù)防火災(zāi)、節(jié)約能源，大家要記得及時關(guān)閉電器。

創(chuàng)新點(diǎn)：

在不損壞電器的前提下，電器節(jié)能遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置能方便快捷地測量家用電器的電流，同時將測量數(shù)據(jù)通過Wi-Fi通信模塊上傳到手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)電器遠(yuǎn)程監(jiān)控，避免電能浪費(fèi)，防止火災(zāi)發(fā)生。

這個作品的設(shè)計(jì)為各種環(huán)境下監(jiān)控電器用電提供了一種簡便、易行、靈活和易擴(kuò)充的實(shí)現(xiàn)方案。作品方案雖然是針對家用電器來設(shè)計(jì)和測試的，但也適用于監(jiān)控其他電器。

進(jìn)一步完善的設(shè)想：

目前，電路系統(tǒng)是用積木搭建的，之后我們會考慮將它做成小型化電路，配備在所有電器的電路中。將所有的電器聯(lián)網(wǎng)，通過手機(jī)App進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控并同步所有信息。

老師推薦：

作者從生活細(xì)節(jié)入手，發(fā)現(xiàn)家用電器待機(jī)時的耗電量不容小覷，而且容易引發(fā)火災(zāi)，進(jìn)而思考遠(yuǎn)程監(jiān)控的必要性和可行性，并用積木搭建了完整的監(jiān)控電路，通過無線網(wǎng)絡(luò)連接手機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，表現(xiàn)出很強(qiáng)的探究能力和動手能力。作品的靈感來源于生活，反過來服務(wù)生活，具有推廣價(jià)值。