會感應的電器節能遠程監控裝置

◎長沙市開福區國防科技大學附屬小學 趙知恒 杜孟嬌

創意由來：

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

以前，我們出門時經常忘記關電器，不僅浪費了寶貴的電能，還存在火災隱患。現在出門前，我們都會仔仔細細地把家里的電器檢查一遍，一旦發現還有電器在運行，就會立即關掉。但是，家里的電器太多了，每次檢查都要花費很長時間。有幾次因為這個事情，我們上學還遲到了。所以，我們決定發明能遠程監控電器的裝置。

設計過程：

1.初次設計

Arduino電路板是適合小學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。在家長的輔導下，我們學習了編程知識，為設計做準備。

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，感應線圈和LCD顯示模塊在Arduino電路板的同一側，如圖1。

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

2.改進裝置

有的人不太明白LCD顯示屏上的數字表示什么。要不改進電路的顯示方式，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，蜂鳴器，語音播報模塊，如圖2，可增強顯示功能，并實現報警和語音播報功能。其中，紅、黃、綠燈被安裝在Arduino電路板的一側，蜂鳴器、語音播報模塊和LED圖標被安裝在Arduino電路板的另一側。如果測量的電流過大，電器節能遠程監控裝置的紅燈會亮起，并發出警報聲。

3.進一步完善

電器節能遠程監控裝置的功能更強大了，也更方便使用了，于是我們再次給大家演示。有人提出，除了監控電器的狀態，針對電器存在的火災隱患，電器節能遠程監控裝置能不能發揮作用？

這個提議不錯，我們決定試試。我們思索了很久，想到火災發生時電器溫度會升高，產生有害的濃煙，可以利用溫濕度采集模塊和小風扇模塊幫助確認火災和驅散煙霧。于是，我們將溫濕度采集模塊、小風扇模塊與Arduino電路板連接。在科學老師和家長的指導下，我們還安裝了按鍵、點陣顯示模塊和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、電流等信息及時發送到手機上。

試用作品：

科學老師建議我們試用電器節能遠程監控裝置，具體過程可按照編寫的程序進行。

第一步，使用感應線圈采集電器電流。第二步，通過采集的電流判斷能耗，根據能耗小、中、大，分別點亮綠燈、黃燈、紅燈。如果能耗為中，小風扇還會轉動；能耗為大，蜂鳴器會鳴叫報警，語音播報電流值。第三步，按按鍵：按一下按鍵，點陣根據能耗判斷顯示圖形，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送到手機上。

我們接受了建議，將電器節能遠程監控裝置的感應線圈套在電燈、電腦、微波爐和空調等電器的電源線上，測量了它們在工作和待機時的電流，數值見表1。

表1 不同的電器在工作和待機時的電流值

不同的電器的耗電量存在差別。工作時，微波爐和空調的耗電量比較大，臺燈和手機的耗電量比較小。在待機時，有一些家用電器尤其是電視機的耗電量也很大。為了預防火災、節約能源，大家要記得及時關閉電器。

創新點：

在不損壞電器的前提下，電器節能遠程監控裝置能方便快捷地測量家用電器的電流，同時將測量數據通過Wi-Fi通信模塊上傳到手機上，實現電器遠程監控，避免電能浪費，防止火災發生。

這個作品的設計為各種環境下監控電器用電提供了一種簡便、易行、靈活和易擴充的實現方案。作品方案雖然是針對家用電器來設計和測試的，但也適用于監控其他電器。

進一步完善的設想：

目前，電路系統是用積木搭建的，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。將所有的電器聯網，通過手機App進行遠程監控并同步所有信息。

老師推薦：

作者從生活細節入手，發現家用電器待機時的耗電量不容小覷，而且容易引發火災，進而思考遠程監控的必要性和可行性，并用積木搭建了完整的監控電路，通過無線網絡連接手機進行監控，表現出很強的探究能力和動手能力。作品的靈感來源于生活，反過來服務生活，具有推廣價值。