開源式智能插座設(shè)計(jì)構(gòu)想

李源 張麗

摘 要：本構(gòu)想旨在設(shè)計(jì)一種開源式的智能插座，我們?cè)O(shè)計(jì)的基于Arduino的智能插頭利用Arduino連接電流傳感器對(duì)用電器電量進(jìn)行分析，對(duì)用電器狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)分析和狀態(tài)判斷，然后利用Arduino的Wi-Fi端口與用戶建立聯(lián)系。利用Arduino的開源性質(zhì)，項(xiàng)目在后續(xù)研究中還可以繼續(xù)進(jìn)行程序創(chuàng)新和傳感器添加，不斷低成本地增加功能完善使用，有著十分優(yōu)秀的研究?jī)r(jià)值與發(fā)展意義。

關(guān)鍵詞：Arduino；開源；智能；節(jié)能；低成本

0 引言

電力不像其他產(chǎn)品，它是看不見的，大多用戶很少看見每個(gè)月賬單的詳細(xì)信息，很多家庭由于不夠科學(xué)的用電方式或者較為淡薄的節(jié)電意識(shí)導(dǎo)致了由于忘記關(guān)閉待機(jī)設(shè)備，用電器異常漏電未及時(shí)察覺而產(chǎn)生電能浪費(fèi)。這種浪費(fèi)不僅會(huì)積少成多，還會(huì)給家庭帶來安全隱患。可見，現(xiàn)在智能家居是實(shí)現(xiàn)更加和諧的人機(jī)關(guān)系的主要方式，也是社會(huì)的電子設(shè)備的發(fā)展方向。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于Arduino的智能插頭。該項(xiàng)作品利用Arduino連接電流傳感器對(duì)用電器電量進(jìn)行分析，對(duì)用電器狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)分析和狀態(tài)判斷，然后利用Arduino的Wi-Fi端口建立與用戶的聯(lián)系。

我們團(tuán)隊(duì)旨在以更廉價(jià)、更簡(jiǎn)潔的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電器的監(jiān)控處理及與用戶的聯(lián)系，使智能家居快捷低成本地進(jìn)入用戶家中。比起市場(chǎng)上單一功能的智能插座，我們還可以將單價(jià)從100元縮減至25元左右。根據(jù)一些家庭用電耗電的數(shù)據(jù)估算，使用我們的智能插座平均每個(gè)家庭每年可節(jié)省至少200度電。這樣算下來，一個(gè)小區(qū)每年節(jié)省下來的電就相當(dāng)可觀。除了更加智能便捷的操作之外，居民的用電安全也將得到相當(dāng)程度的保障。綜上所述，本產(chǎn)品的智能化程度高，經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性十分顯著，更加多樣化和人性化，推廣前景相當(dāng)樂觀。

1 設(shè)計(jì)基本思路

我們?cè)O(shè)計(jì)的與用電器結(jié)合的數(shù)據(jù)收集裝置（即智能插座），加強(qiáng)了與老設(shè)備的兼容性。我們?cè)O(shè)計(jì)使用arm—m3為主核心，I/O接低功耗Wi-Fi，電流電壓傳感器，對(duì)用電器耗電情況進(jìn)行監(jiān)控和分析，并對(duì)電路進(jìn)行控制。

Arduino作為項(xiàng)目核心，我們要對(duì)其進(jìn)行以下操作：首先，將Arduino與電流傳感器結(jié)合，使其首先實(shí)現(xiàn)對(duì)電量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測(cè)控與儲(chǔ)存。之后編寫相關(guān)程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流數(shù)據(jù)的分析效果以達(dá)到智能插座的預(yù)期功能。同時(shí)，將其I/O接口連接低功率Wi-Fi，從而可將相關(guān)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析結(jié)果傳至用戶端（手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備）以及中央數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（可使用“樹莓派”），這樣可使用戶對(duì)家庭用電情況有實(shí)時(shí)的了解，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)家庭用電器的遠(yuǎn)程操作。外型上我們只在原插座上進(jìn)行改進(jìn)，因此不會(huì)影響體積與外形，通過一個(gè)小的顯示屏，我們還可以實(shí)時(shí)地看到有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)果。

2 技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

本作品以Arduino板為核心，結(jié)合電流傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)用電器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、儲(chǔ)存與分析，從而明確用電器的實(shí)時(shí)狀況，對(duì)于漏電等的不安全現(xiàn)象及時(shí)地發(fā)現(xiàn)并處理。隨著程序的改進(jìn)與更多傳感器的配備，則可以實(shí)現(xiàn)更多豐富的功能，對(duì)于用電器則可以進(jìn)行更多更加細(xì)致的監(jiān)控。

本項(xiàng)目的技術(shù)關(guān)鍵就是對(duì)于數(shù)據(jù)的處理。本作品所有功能的實(shí)現(xiàn)都與數(shù)據(jù)的分析結(jié)果息息相關(guān)，所以說程序的好壞直接決定了對(duì)于用電器的監(jiān)控效果。因此，不同于一般的智能插座，我們的數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)就是我們的技術(shù)核心，我們的技術(shù)特點(diǎn)也就是將測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行多方面的分析從而實(shí)現(xiàn)對(duì)用電器的更為全面的監(jiān)控。

相比于一般的智能插座，首先，我們的核心元件價(jià)格較低，而且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此，有著很強(qiáng)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。其次，由于我們強(qiáng)調(diào)了數(shù)據(jù)分析的技術(shù)特點(diǎn)，因此我們就擁有功能較為豐富、可以低成本滿足客戶的不同需求的優(yōu)勢(shì)。再次，由于Arduino的開源特點(diǎn)，產(chǎn)品的更新?lián)Q代將會(huì)非常的快捷與方便。最后，由于Arduino自帶Wi-Fi通信模塊，因此可以較為方便地與用戶端建立聯(lián)系，方便了用戶對(duì)家庭用電器的遠(yuǎn)程操控。

3 創(chuàng)新點(diǎn)分析

首先，我們選擇以arm—m3為主核心的Arduino 開源的電子原型平臺(tái)作為作品的核心，除了具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)還有很多方面適應(yīng)我們產(chǎn)品的開發(fā)。開源的電子平臺(tái)和適應(yīng)性強(qiáng)的編程環(huán)境使我們開發(fā)者可以更方便地編寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序，限制較小且不涉及版權(quán)問題。此外，它可以在Windows、Macintosh OS X、Linux三大主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行，有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

其次，我們的設(shè)計(jì)創(chuàng)新地利用Arduino對(duì)于數(shù)據(jù)的處理與監(jiān)控來實(shí)現(xiàn)對(duì)用電器狀態(tài)的分析判斷。而市面上的一般智能插座有的只能做到數(shù)據(jù)顯示，有的則利用比較單一的方法來實(shí)現(xiàn)單一的功能，延展性較差。我們可以利用較低的成本使智能插頭可以對(duì)產(chǎn)品的漏電等問題進(jìn)行察覺，之后，我們還可以通過數(shù)據(jù)分析程序的不斷改進(jìn)，再與不同的傳感器結(jié)合，就可以使作品功能不斷完善，適用范圍不斷擴(kuò)大。

最后，智能插頭可以通過Wi-Fi實(shí)現(xiàn)與用戶通信設(shè)備連接以及時(shí)向家庭用戶提供分析結(jié)果。此外，多個(gè)智能插座還可以將數(shù)據(jù)匯總至中央的電腦處理系統(tǒng)（可應(yīng)用樹莓派）來進(jìn)行大的數(shù)據(jù)分析處理，其分析結(jié)果可以判斷區(qū)域的用電情況，因此可以以此為根據(jù)調(diào)節(jié)供電所的供電電量分配，達(dá)到節(jié)能減排。

4 結(jié)論

具體來說，我們?cè)O(shè)計(jì)的基于Arduino 的智能插座，能夠很好地應(yīng)對(duì)能源消耗，從用電器的源頭發(fā)現(xiàn)并解決電能的浪費(fèi)。通過智能插頭的傳感裝置，我們能實(shí)時(shí)監(jiān)控插頭的耗電情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)部分沒有及時(shí)關(guān)閉的處于待機(jī)狀態(tài)的用電器，從而達(dá)對(duì)到待機(jī)電能浪費(fèi)的控制。

智能插頭中Arduino的I/O接口連接低功率Wi-Fi，這不僅可以和用戶端建立聯(lián)系，也可將收集數(shù)據(jù)傳至電腦處理系統(tǒng)（可應(yīng)用“樹莓派”），從而對(duì)用電器的漏電情況進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，避免了因漏電導(dǎo)致的電能浪費(fèi)，同時(shí)對(duì)電路安全檢測(cè)也有很重要的作用，減少意外的災(zāi)難發(fā)生。

智能插頭中Arduino還可以做到用電器的自動(dòng)斷電與自動(dòng)開啟，同時(shí)通過Wi-Fi，用戶可對(duì)用電器的開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，安全且方便。

當(dāng)我們產(chǎn)品的受眾到達(dá)一定的規(guī)模的時(shí)候，我們產(chǎn)品收集的數(shù)據(jù)就可以做到宏觀的大數(shù)據(jù)處理。這給供電部門也提供了很好的供電參考，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

本產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程中充分考慮了成本問題，因此本設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)就是價(jià)格較低。因此本產(chǎn)品就可以更加容易地進(jìn)入用戶家中。此外，Arduino作為一種開源的電子原型平臺(tái)，程序設(shè)計(jì)方便也易于上市，而且，它可以在Windows、Macintosh OS X、Linux三大主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行，適應(yīng)性較強(qiáng)，增大了產(chǎn)品的受眾，方便了產(chǎn)品的普及。

開源的Arduino可以做到程序的不斷創(chuàng)新與發(fā)散，利用數(shù)據(jù)的監(jiān)控與程序的進(jìn)化，我們可以不斷地、低成本地更新與進(jìn)化我們的產(chǎn)品，不同的程序加上不同的傳感器，我們又可以實(shí)現(xiàn)新的功能，因此，低成本的再開發(fā)與新功能實(shí)現(xiàn)的快捷使得本產(chǎn)品有著非常好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]李文彬.基于WiFi的智能插座系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2018，8（05）：70-71+74.

[2]梁志勛，覃有燎，閉呂慶.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能插座設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].河池學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，38（02）：64-69.

[3]燕慶明.電路分析教程[M].北京：高等教育出版社，2007.