一種網(wǎng)絡(luò)化的家用智能化配電箱設(shè)計(jì)分析

□ 韋紅美 韋湛蘭 丁 玲

在智能家居背景下，家居內(nèi)部環(huán)境的控制與應(yīng)用成為研究的熱點(diǎn)。在智能家居中，家用智能化配電箱是實(shí)現(xiàn)智能家居控制的重要載體，是智能家居控制的系統(tǒng)。隨著網(wǎng)絡(luò)以及新媒體的迅速發(fā)展，為了提升智能家居控制系統(tǒng)性能，如何實(shí)現(xiàn)家用智能化配電箱的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)是現(xiàn)階段應(yīng)重點(diǎn)研究的內(nèi)容，而這也是智能家居后期發(fā)展中需要關(guān)注與研究的部分。

1 家用智能化配電箱概述

家用智能配電箱主要以移動(dòng)互聯(lián)和數(shù)字?jǐn)嗦返燃夹g(shù)為基礎(chǔ)的一種智能化配電系統(tǒng)類型，對(duì)用電和配電等領(lǐng)域是一項(xiàng)重大改革，其核心技術(shù)主要表現(xiàn)出安全、節(jié)能和智慧等特點(diǎn)。

在家用智能配電箱中具有諸多功能：通過引入移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)，能夠遠(yuǎn)程借助手機(jī)、電腦和平板等對(duì)家里各種用電線路實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理，如遠(yuǎn)程控制空調(diào)、飲水機(jī)和電飯煲等，為用戶提供一種全新的智能化和便捷化的生活體驗(yàn)；它能夠?qū)Ω饔秒娋€路內(nèi)電氣的故障，如過流、漏電、過載和過溫等，實(shí)現(xiàn)及時(shí)和準(zhǔn)確檢測(cè)，且還能夠把故障的信息實(shí)時(shí)和遠(yuǎn)程向業(yè)主手機(jī)或電腦終端發(fā)送，從而便于業(yè)主掌握與處理家庭電路的故障情況；對(duì)偶然性發(fā)生的誤操作所造成線路跳閘情況，在故障消除后3s，該配電箱能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)合閘，實(shí)現(xiàn)正?；謴?fù)供電，為用戶用電控制提供便利；該配電箱具備定時(shí)功能，如可以對(duì)魚缸進(jìn)行送氧功能的合理和自動(dòng)開啟，為用戶生活管理提供便捷服務(wù)；該配電箱具備遠(yuǎn)程同步和監(jiān)控功能，增加無線網(wǎng)絡(luò)化攝像頭，在對(duì)配電箱管理的同時(shí)能夠?qū)彝?nèi)部情況實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，基于傳統(tǒng)空氣的漏電開關(guān)，新增了過壓、過溫、過流和浪涌式防雷等保護(hù)性功能；同時(shí)電子式智能模塊的運(yùn)用，有效提升對(duì)過載、漏電和過流等跳閘保護(hù)的響應(yīng)速度，命令執(zhí)行更加準(zhǔn)確；另外，還能夠按照各線路使用的不同環(huán)境情況，對(duì)各線路的用電功率自由、靈活地限定，防止因?yàn)榫€路過載而導(dǎo)致電氣火災(zāi)的發(fā)生[1]。

2 網(wǎng)絡(luò)化的家用智能化配電箱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 ARM微處理器技術(shù)

核心處理器選型是硬件設(shè)計(jì)關(guān)鍵部分，對(duì)處理器性能參數(shù)實(shí)施對(duì)比，在本文設(shè)計(jì)中選取嵌入式系統(tǒng)來對(duì)智能化配電箱進(jìn)行開發(fā)。在設(shè)計(jì)中按照功能的需求對(duì)內(nèi)核結(jié)構(gòu)合理選擇，首先要考慮處理器性能，然后進(jìn)行外圍電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)功能延伸的效果?；诠姆矫婵紤]選擇合適的核心芯片，以ARM為基礎(chǔ)選擇相應(yīng)的存儲(chǔ)器，選用具備自校準(zhǔn)的振蕩器，要求其支持多種外設(shè)，I/O的端口十分豐富。

2.2 智能控制技術(shù)

智能控制技術(shù)是在控制理論逐漸發(fā)展中而產(chǎn)生的控制技術(shù)類型，一般用于對(duì)傳統(tǒng)控制方式很難處理的問題中，能夠有效適應(yīng)較強(qiáng)不確定性以及非線性系統(tǒng)和設(shè)備?；谥悄芸刂萍夹g(shù)的特點(diǎn)，其在電子的自動(dòng)設(shè)備內(nèi)得到廣泛運(yùn)用，在智能配電的終端數(shù)量不斷增加的前提下，對(duì)控制要求也更為復(fù)雜。傳統(tǒng)人工控制法已不能滿足智能控制的設(shè)備要求，如對(duì)故障隱患未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，因此推動(dòng)了智能控制的技術(shù)發(fā)展[2]。

2.3 以太網(wǎng)傳輸技術(shù)

以太網(wǎng)傳輸技術(shù)在電子領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛運(yùn)用，各類智能的終端設(shè)備均設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)的接口，用于電子設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相互數(shù)據(jù)的傳輸與通信。以太網(wǎng)呈現(xiàn)出傳輸快、易組網(wǎng)、延時(shí)小和誤碼率低等特點(diǎn)，因此在很多場(chǎng)合得到普遍應(yīng)用。以太網(wǎng)卡在設(shè)備的主板內(nèi)直接集成，能夠與交換機(jī)連接構(gòu)建局域網(wǎng)，可以對(duì)設(shè)備間數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)快速的傳輸。

2.4 電磁兼容技術(shù)

如電子設(shè)備于復(fù)雜性電磁環(huán)境內(nèi)安裝或者設(shè)置，則電磁兼容技術(shù)處理以及防護(hù)就顯得十分重要。在對(duì)智能終端的設(shè)備研發(fā)中，要對(duì)元器件選型、布局布線和PCB板疊層的設(shè)計(jì)等綜合考慮；對(duì)智能的元器件要盡量選擇較大電壓的范圍、較低功耗和耐壓與耐高溫的性能；對(duì)PCB疊層的設(shè)計(jì)不要選擇過多，防止存在較大布線的密度而增加電磁的干擾。電源信號(hào)可以采取電容、電感實(shí)施濾波的處理，來獲取純凈輸出的電壓；對(duì)雷擊以及過電壓等條件，要采取磁珠、電感把地層和金屬的外殼連接，實(shí)現(xiàn)泄放勢(shì)能的效果。

3 一種網(wǎng)絡(luò)化的家用智能化配電箱設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)的方案

在該系統(tǒng)內(nèi)，最小的系統(tǒng)是核心處理的芯片，通過時(shí)鐘復(fù)位的電路實(shí)現(xiàn)Flash的存儲(chǔ)器集成。該設(shè)備供電主要通過開關(guān)電源對(duì)電壓轉(zhuǎn)換達(dá)到對(duì)各支路用電的需求提供。在箱內(nèi)設(shè)備的長(zhǎng)期工作中，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部溫度提升，通過溫度的傳感器對(duì)溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)。在一定溫度的閾值設(shè)定前提下，若溫度大于閾值，則核心板的驅(qū)動(dòng)電扇會(huì)散熱，對(duì)電路內(nèi)各單元的模塊進(jìn)行保護(hù)。通過電參數(shù)的采集單元對(duì)各支路電壓電流的值實(shí)時(shí)檢測(cè)，并向后臺(tái)及時(shí)反饋實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理。通過通信單元對(duì)程序完成燒錄調(diào)試、數(shù)據(jù)發(fā)送和傳輸?shù)取Ｍㄟ^標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)和外部的傳感器連接，為設(shè)備的后期功能擴(kuò)展提供支持[2]。

3.2 硬件電路的設(shè)計(jì)

3.2.1 電參數(shù)的采集單元

設(shè)計(jì)中主要采取4路12V和24V電壓電流采集法，對(duì)不同電壓采集的電路具有一致原理。選擇雙運(yùn)算放大器，輸入的電壓借助線性的穩(wěn)壓器來保證，將輸出端的接口分別和主控板內(nèi)的相應(yīng)引腳連接，而輸出端則分別和主控板內(nèi)的相應(yīng)引腳連接。在主控板完成對(duì)電壓電流的信息采集后，向后臺(tái)監(jiān)控平臺(tái)實(shí)時(shí)發(fā)送，若存在異常，維護(hù)人員可以及時(shí)處理。

3.2.2 溫度控制的單元

在該電路的設(shè)計(jì)中，借助溫度傳感器對(duì)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，按照當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行一定溫度閾值的設(shè)定，驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇對(duì)箱體實(shí)施散熱，確保電路能夠正常和安全地運(yùn)行。設(shè)計(jì)中使用光電的耦合器對(duì)數(shù)模間信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)高頻信號(hào)與低頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)隔離，防止出現(xiàn)相互的電磁干擾；電路內(nèi)LTV-357T的引腳分別和主控板內(nèi)相應(yīng)的引腳分別連接，便于實(shí)現(xiàn)智能化控制；在VCC5V電壓上進(jìn)行一個(gè)上拉電阻的連接，以此實(shí)現(xiàn)限流效果，而其他電阻發(fā)揮分流效果；電路內(nèi)二極管是小型化開關(guān)，將其在電源上反向連接，達(dá)到溫度對(duì)風(fēng)扇聯(lián)動(dòng)控制的效果[3]。

3.2.3 以太網(wǎng)的傳輸單元

智能化配電箱所采集數(shù)據(jù)都是借助以太網(wǎng)向后臺(tái)的監(jiān)控中心傳輸，后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理，這需要做好對(duì)網(wǎng)絡(luò)芯片的合理選擇。通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)芯片各項(xiàng)參數(shù)比較，并和功能設(shè)計(jì)需求結(jié)合，合理選擇相應(yīng)的芯片對(duì)以太網(wǎng)的模塊電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。在以太網(wǎng)的傳輸單元中，SPI接口和核心控制板連接，其中核心控制板是主設(shè)備，而芯片是從設(shè)備，且核心的控制板進(jìn)行通信時(shí)鐘提供。在網(wǎng)絡(luò)芯片中，其接口分別和主控板內(nèi)相應(yīng)I0口進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集與交換。

3.2.4 通信單元

在終端中，通訊模塊為重要端口，其主要和上位機(jī)進(jìn)行通訊、對(duì)程序調(diào)試和下載、對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。在終端中選擇相應(yīng)的接口實(shí)現(xiàn)通訊傳輸，對(duì)通訊規(guī)則使用常用型通信協(xié)議類型[4]。

在一個(gè)串口電路中，對(duì)該電路合理選擇芯片，并和主控板連接，其引腳分別和主控板內(nèi)相應(yīng)I0口連接，芯片的管腳直接和相應(yīng)的串口連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸。在另一個(gè)串口電路內(nèi)，合理選擇芯片，并和主控板連接，電路主控板內(nèi)接口和相應(yīng)引腳分別連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)總線數(shù)據(jù)信號(hào)的接收和發(fā)送。

3.2.5 供電單元

按照監(jiān)控?cái)z像頭配電實(shí)際需求，設(shè)計(jì)4路12V和24V電壓。在對(duì)比分析后，對(duì)各開關(guān)的電壓電流參數(shù)與功耗指標(biāo)選取合理型號(hào)開關(guān)的電源，實(shí)現(xiàn)12V與24V的穩(wěn)定提供。為確保攝像頭多路穩(wěn)定供電，設(shè)計(jì)瞬變抑制性二極管、自動(dòng)恢復(fù)的保險(xiǎn)絲對(duì)輸出電壓實(shí)施鉗位保護(hù)。在12V電壓的輸出端，分別采取相應(yīng)措施對(duì)輸出4路電壓分別實(shí)施過流與短路保護(hù)，若電路發(fā)生故障，則自恢復(fù)保險(xiǎn)絲會(huì)迅速斷開，防止設(shè)備受到損壞。若電路恢復(fù)正常狀態(tài)，則保險(xiǎn)絲自動(dòng)閉合[5]。

3.3 軟件的設(shè)計(jì)

3.3.1 軟件的平臺(tái)選擇

在設(shè)計(jì)中合理選擇相應(yīng)軟件，若某軟件沒有對(duì)具體器件文件集成，可以按照項(xiàng)目需求對(duì)文件包安裝，對(duì)軟件運(yùn)行的速度實(shí)現(xiàn)釋放，且可提供多種協(xié)議以及應(yīng)用的支持。

3.3.2 軟件的功能模塊

在智能化配電箱監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以ARM嵌入式軟件為基礎(chǔ)進(jìn)行開發(fā)，其軟件采取匯編語言以及C語言的混編法，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算和I/O等諸多任務(wù)。在軟件功能的應(yīng)用板塊中，主要發(fā)揮集中性管理、系統(tǒng)設(shè)備的遠(yuǎn)程化監(jiān)控、對(duì)故障的統(tǒng)計(jì)和分析、對(duì)數(shù)據(jù)采集、操作日志的詳細(xì)記錄、設(shè)備定期的維護(hù)等作用。

其功能的實(shí)現(xiàn)借助各個(gè)模塊來完成。在狀態(tài)顯示模塊中，通過ARM核心板對(duì)每支路電壓、溫度和電流的參數(shù)實(shí)時(shí)采集，以便后臺(tái)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)在線查看，便于維護(hù)人員對(duì)故障進(jìn)行巡檢。在事件記錄模塊中，軟件和主控板連接時(shí)，能夠從配電終端對(duì)遠(yuǎn)程遙控的開關(guān)記錄、配電線路遙信SOE相關(guān)記錄、故障異常記錄獲取與顯示。在設(shè)備管理模塊中，通過集中管理平臺(tái)能夠?qū)ε潆娤渲性O(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并借助軟件程序向核心板加載實(shí)現(xiàn)控制，若設(shè)備發(fā)現(xiàn)異常，則核心板會(huì)觸發(fā)報(bào)警信號(hào)，并把報(bào)警信號(hào)向后臺(tái)管理中心發(fā)送。在運(yùn)行維護(hù)模塊中，軟件和核心板連接時(shí)能夠?qū)嵤?fù)位的設(shè)置，還能夠向后臺(tái)管理中心發(fā)送遙控指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)遙控操作的運(yùn)行和維護(hù)[6]。

4 智能配電箱的仿真測(cè)試

4.1 硬件的功能調(diào)試

在對(duì)硬件功能的驗(yàn)證中，先把程序燒錄在核心板內(nèi)，才可以對(duì)外圍的電路實(shí)現(xiàn)控制。本文在設(shè)計(jì)中選擇相應(yīng)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)硬件功能進(jìn)行調(diào)試。先下載調(diào)試程序，再對(duì)印制電路板進(jìn)行調(diào)試，按照各個(gè)模塊分別實(shí)施驗(yàn)證，最后對(duì)主控板實(shí)施通電測(cè)試。

4.2 設(shè)備的功能測(cè)試

對(duì)設(shè)備的測(cè)試主要是對(duì)集中性管理、系統(tǒng)設(shè)備的遠(yuǎn)程化監(jiān)控、對(duì)故障的統(tǒng)計(jì)和分析、對(duì)數(shù)據(jù)采集、操作日志的詳細(xì)記錄、設(shè)備定期的維護(hù)等實(shí)施功能的驗(yàn)證，看其是否滿足功能預(yù)期要求。

5 結(jié)語

綜上所述，智能家居的發(fā)展有效改變?nèi)藗兗揖由罘绞?，基于該背景下，設(shè)計(jì)一種網(wǎng)絡(luò)化的家用智能化配電箱控制系統(tǒng)，利于人們的智能生活。而想要使該技術(shù)發(fā)揮更好的作用，還需要對(duì)其深入研究，從而推動(dòng)行業(yè)不斷發(fā)展。