基于物聯網技術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，重慶400074）

1 概述

隨著物聯網覆蓋了人類生產生活的各個領域,對各個領域智能化的發展起到了至關重要的作用,智能家居也因此逐漸普及[1]。家庭用電的智能化體現在智能家居和智能電器的發展[2-3]。如今家庭用電不僅朝著“節約化”、“儲能化”和“智慧化”的方向發展,“智能電網”與家庭“智慧用電”系統的協同發展也將成為家庭用電發展方向[4]。

目前, 市場上流通的一些關于智能插座的產品功能較為單一, 且大多數需要通過昂貴的網關連接。另外,對于遠程監測、分布式用電安排等方面拓展應用較少。絕大多數插座不能實時監測插座用電口的用電情況, 更不能實現遠程報警及監測。此外在現有的配電模式中,絕大多數相關消防用電監控主要針對單位、場所等大型區域,對于個體用戶市場暫無相關產品出現。就“智能電網”來說,主要針對的是城市消防建設。而以家庭用戶為消費單元的發明暫無普及。

圖1 裝置原理圖

本文設計了一種基于物聯網技術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、報警模塊和消患模塊。通過對溫度、電流及煙霧數據進行監測,實時發現電氣線路和用電設備存在的安全隱患, 用戶可通過現場顯示屏和手機APP 對實時查看用電器用電情況。數據異常時,控制模塊斷開總電閘, 報警模塊現場立即發出聲光報警,同時通過自動撥號和APP 推送實現遠程報警。內部若起明火則立即啟動消患模塊。該裝置實現對家庭用電的實時監測與控制, 彌補傳統配電箱的不足,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 基于物聯網技術的安全用電智能插板

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

3 裝置硬件設計

本設計以STM32F103RCT6 單片機為核心控制器,如圖2 硬件原理圖所示。由可充電鋰電池供電,用家用電源經變壓充電模塊對裝置進行充電, 斷電時由鋰電池對控制器等其他模塊進行供電。從控制器對煙霧信號、溫度信號、電流信號進行實時采集并由現場0.96 寸OLED 顯示屏模塊顯示當前數據以便用戶現場進行查看,并對數據進行整合分析,由Lora 無線通信技術將數據傳輸到主控制器, 主控制器將所有從控制器的檢測數據進行整合分析、匯總后,通過4G 通信模塊上傳到服務器數據庫進行實時儲存,數據庫進行數據對比和異常判決,用戶可通過手機端與其他終端遠程查看現場實時煙霧濃度、溫度環境信息與電流、電壓、用電量等電力信息。若從控制器檢測的實時電力數據與歷史電力數據差別較大時,判決為輕微異常,現場顯示模塊和手機端突出顯示異常數據;若電流、電壓、用電量等電力數據超出設置閾值時,判決為一般異常,將啟動現場聲光報警模塊以提醒用戶,同時服務器產生異常信號,及時通過手機通知用戶,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,輸出信號控制驅動模塊斷開總電閘。若溫度、煙霧濃度環境數據超出設置閾值時,大概率出現裝置內起明火等情況,則判決為嚴重異常,除進行產生一般異常時的處理外,還將通過裝置中滅火設備進行自動滅火。手機端在通知用戶異常情況時,會告知用戶具體的現場異常裝置,以便用戶進行現場排患,解除異常情況,達到消除潛在的電氣火災危險,實現安全用電的目的。

4 裝置軟件設計

系統開啟后,首先進行程序初始化。然后進行電流信號、溫度信號、煙霧信號、無線通訊信號數據采集。

通過從機端監測電流信號、溫度信號、煙霧信號是否異常,若沒有異常系統則會將檢測到的數據通過顯示器顯示出來, 用戶也可通過手機APP 查詢數據。若檢測到電流信號有異常, 系統就會啟動現場報警模塊, 此時揚聲器會發出語音警報實現現場報警,并向主機發送報警信號。若插板內溫度信號、煙霧信號有異常則啟動現場消患設備實現現場消患同時向主機傳送異常信號。

通過主機端進行從機端數據匯總及處理監測是否有異常信號, 若有異常則控制驅動模塊關閉電閘并向手機端發送信號實現遠程報警。

通過手機端數據處理,可提醒用戶家中用電隱患并進行信號解除。

結束語

本文從用電安全問題出發,闡述了當前用電、配電現狀。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網技術的安全用電智能插板應用方案。實時采集用電器用電狀態,該裝置具備網絡通信功能, 與4G/ 5G 技術結合并借助大數據分析技術,可實時將采集到的數據上傳到云端,分析用電是否安全,用戶可遠程實現實時監測及查看用電狀態。用電情況異常時可遠程報警并進行現場消患處理,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,降低了電器起火發生率,實現防范于未然,安全用電的目的。