孙 赫 陈 涛 李一帆 曾江林

（重庆交通大学，重庆400074）

1 概述

随着物联网覆盖了人类生产生活的各个领域,对各个领域智能化的发展起到了至关重要的作用,智能家居也因此逐渐普及[1]。家庭用电的智能化体现在智能家居和智能电器的发展[2-3]。如今家庭用电不仅朝着“节约化”、“储能化”和“智慧化”的方向发展,“智能电网”与家庭“智慧用电”系统的协同发展也将成为家庭用电发展方向[4]。

目前, 市场上流通的一些关于智能插座的产品功能较为单一, 且大多数需要通过昂贵的网关连接。另外,对于远程监测、分布式用电安排等方面拓展应用较少。绝大多数插座不能实时监测插座用电口的用电情况, 更不能实现远程报警及监测。此外在现有的配电模式中,绝大多数相关消防用电监控主要针对单位、场所等大型区域,对于个体用户市场暂无相关产品出现。就“智能电网”来说,主要针对的是城市消防建设。而以家庭用户为消费单元的发明暂无普及。

图1 装置原理图

本文设计了一种基于物联网技术的安全用电智能插板。该装置包括显示模块、电源模块、控制模块、检测模块、通信模块、报警模块和消患模块。通过对温度、电流及烟雾数据进行监测,实时发现电气线路和用电设备存在的安全隐患, 用户可通过现场显示屏和手机APP 对实时查看用电器用电情况。数据异常时,控制模块断开总电闸, 报警模块现场立即发出声光报警,同时通过自动拨号和APP 推送实现远程报警。内部若起明火则立即启动消患模块。该装置实现对家庭用电的实时监测与控制, 弥补传统配电箱的不足,既提高使用安全性, 又满足智能化时代的安全需求

图2 硬件原理图

2 基于物联网技术的安全用电智能插板

本文提到的装置是以单片机为核心研制的家庭用电监测及报警装置。如图1 所示,以居民家庭为用户单元, 分为现场监测单元和数据整合分析平台。现场监测单元主要用于检测当前用电器使用的电量,以及使用过程中环境温度和烟雾浓度情况, 并对以上数据进行实时显示,用户可在现场进行查看。同时,若温度、烟雾浓度环境数据超出设置阈值时,大概率出现装置内起明火等情况,此时,利用自动拨号向线上平台远程报警并启动单元内部灭火器熄灭明火,以此消除火灾隐患。现场监测单元分布于居民家庭,组成现场监测网络,并实时传输数据至线上数据整合分析平台。数据整合分析平台则主要是对各个监测单元上传的原始数据进行存储与整合分析。用户可通过手机APP 或PC 端登录平台远程查看各个现场监测单元实时的环境信息与电力信息, 并查看用电器是否存在异常情况。通过对历史存储数据的整体分析,用户可对特定用电器的历史用电量、用电时段等用电详细信息进行查看,以此准确掌握家庭电器的用电情况。

3 装置硬件设计

本设计以STM32F103RCT6 单片机为核心控制器,如图2 硬件原理图所示。由可充电锂电池供电,用家用电源经变压充电模块对装置进行充电, 断电时由锂电池对控制器等其他模块进行供电。从控制器对烟雾信号、温度信号、电流信号进行实时采集并由现场0.96 寸OLED 显示屏模块显示当前数据以便用户现场进行查看,并对数据进行整合分析,由Lora 无线通信技术将数据传输到主控制器, 主控制器将所有从控制器的检测数据进行整合分析、汇总后,通过4G 通信模块上传到服务器数据库进行实时储存,数据库进行数据对比和异常判决,用户可通过手机端与其他终端远程查看现场实时烟雾浓度、温度环境信息与电流、电压、用电量等电力信息。若从控制器检测的实时电力数据与历史电力数据差别较大时,判决为轻微异常,现场显示模块和手机端突出显示异常数据;若电流、电压、用电量等电力数据超出设置阈值时,判决为一般异常,将启动现场声光报警模块以提醒用户,同时服务器产生异常信号,及时通过手机通知用户,同时通过4G 通信模块传送到主控制器,主控制器接收到异常信号的同时,输出信号控制驱动模块断开总电闸。若温度、烟雾浓度环境数据超出设置阈值时,大概率出现装置内起明火等情况,则判决为严重异常,除进行产生一般异常时的处理外,还将通过装置中灭火设备进行自动灭火。手机端在通知用户异常情况时,会告知用户具体的现场异常装置,以便用户进行现场排患,解除异常情况,达到消除潜在的电气火灾危险,实现安全用电的目的。

4 装置软件设计

系统开启后,首先进行程序初始化。然后进行电流信号、温度信号、烟雾信号、无线通讯信号数据采集。

通过从机端监测电流信号、温度信号、烟雾信号是否异常,若没有异常系统则会将检测到的数据通过显示器显示出来, 用户也可通过手机APP 查询数据。若检测到电流信号有异常, 系统就会启动现场报警模块, 此时扬声器会发出语音警报实现现场报警,并向主机发送报警信号。若插板内温度信号、烟雾信号有异常则启动现场消患设备实现现场消患同时向主机传送异常信号。

通过主机端进行从机端数据汇总及处理监测是否有异常信号, 若有异常则控制驱动模块关闭电闸并向手机端发送信号实现远程报警。

通过手机端数据处理,可提醒用户家中用电隐患并进行信号解除。

结束语

本文从用电安全问题出发,阐述了当前用电、配电现状。为从根本上解决此类问题, 本文针对性提出了一种基于物联网技术的安全用电智能插板应用方案。实时采集用电器用电状态,该装置具备网络通信功能, 与4G/ 5G 技术结合并借助大数据分析技术,可实时将采集到的数据上传到云端,分析用电是否安全,用户可远程实现实时监测及查看用电状态。用电情况异常时可远程报警并进行现场消患处理,从根本上解决了用电安全问题。此装置拓展家庭智能用电的方向,降低了电器起火发生率,实现防范于未然,安全用电的目的。