開源式智能插座設計構想

李源 張麗

摘 要：本構想旨在設計一種開源式的智能插座，我們設計的基于Arduino的智能插頭利用Arduino連接電流傳感器對用電器電量進行分析，對用電器狀態進行科學分析和狀態判斷，然后利用Arduino的Wi-Fi端口與用戶建立聯系。利用Arduino的開源性質，項目在后續研究中還可以繼續進行程序創新和傳感器添加，不斷低成本地增加功能完善使用，有著十分優秀的研究價值與發展意義。

關鍵詞：Arduino；開源；智能；節能；低成本

0 引言

電力不像其他產品，它是看不見的，大多用戶很少看見每個月賬單的詳細信息，很多家庭由于不夠科學的用電方式或者較為淡薄的節電意識導致了由于忘記關閉待機設備，用電器異常漏電未及時察覺而產生電能浪費。這種浪費不僅會積少成多，還會給家庭帶來安全隱患。可見，現在智能家居是實現更加和諧的人機關系的主要方式，也是社會的電子設備的發展方向。因此，我們設計了基于Arduino的智能插頭。該項作品利用Arduino連接電流傳感器對用電器電量進行分析，對用電器狀態進行科學分析和狀態判斷，然后利用Arduino的Wi-Fi端口建立與用戶的聯系。

我們團隊旨在以更廉價、更簡潔的方式實現對電器的監控處理及與用戶的聯系，使智能家居快捷低成本地進入用戶家中。比起市場上單一功能的智能插座，我們還可以將單價從100元縮減至25元左右。根據一些家庭用電耗電的數據估算，使用我們的智能插座平均每個家庭每年可節省至少200度電。這樣算下來，一個小區每年節省下來的電就相當可觀。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程度的保障。綜上所述，本產品的智能化程度高，經濟性和節能性十分顯著，更加多樣化和人性化，推廣前景相當樂觀。

1 設計基本思路

我們設計的與用電器結合的數據收集裝置（即智能插座），加強了與老設備的兼容性。我們設計使用arm—m3為主核心，I/O接低功耗Wi-Fi，電流電壓傳感器，對用電器耗電情況進行監控和分析，并對電路進行控制。

Arduino作為項目核心，我們要對其進行以下操作：首先，將Arduino與電流傳感器結合，使其首先實現對電量數據的實時測控與儲存。之后編寫相關程序，實現對電流數據的分析效果以達到智能插座的預期功能。同時，將其I/O接口連接低功率Wi-Fi，從而可將相關數據及數據分析結果傳至用戶端（手機等移動設備）以及中央數據監測系統（可使用“樹莓派”），這樣可使用戶對家庭用電情況有實時的了解，同時可以實現用戶對家庭用電器的遠程操作。外型上我們只在原插座上進行改進，因此不會影響體積與外形，通過一個小的顯示屏，我們還可以實時地看到有關的數據結果。

2 技術特點及優勢

本作品以Arduino板為核心，結合電流傳感器，實現對用電器數據的實時監控、儲存與分析，從而明確用電器的實時狀況，對于漏電等的不安全現象及時地發現并處理。隨著程序的改進與更多傳感器的配備，則可以實現更多豐富的功能，對于用電器則可以進行更多更加細致的監控。

本項目的技術關鍵就是對于數據的處理。本作品所有功能的實現都與數據的分析結果息息相關，所以說程序的好壞直接決定了對于用電器的監控效果。因此，不同于一般的智能插座，我們的數據分析環節就是我們的技術核心，我們的技術特點也就是將測得的數據進行多方面的分析從而實現對用電器的更為全面的監控。

相比于一般的智能插座，首先，我們的核心元件價格較低，而且結構相對簡單，因此，有著很強的價格優勢。其次，由于我們強調了數據分析的技術特點，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勢。再次，由于Arduino的開源特點，產品的更新換代將會非常的快捷與方便。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系，方便了用戶對家庭用電器的遠程操控。

3 創新點分析

首先，我們選擇以arm—m3為主核心的Arduino 開源的電子原型平臺作為作品的核心，除了具有明顯的價格優勢還有很多方面適應我們產品的開發。開源的電子平臺和適應性強的編程環境使我們開發者可以更方便地編寫相應的數據處理程序，限制較小且不涉及版權問題。此外，它可以在Windows、Macintosh OS X、Linux三大主流操作系統上運行，有較強的適應性。

其次，我們的設計創新地利用Arduino對于數據的處理與監控來實現對用電器狀態的分析判斷。而市面上的一般智能插座有的只能做到數據顯示，有的則利用比較單一的方法來實現單一的功能，延展性較差。我們可以利用較低的成本使智能插頭可以對產品的漏電等問題進行察覺，之后，我們還可以通過數據分析程序的不斷改進，再與不同的傳感器結合，就可以使作品功能不斷完善，適用范圍不斷擴大。

最后，智能插頭可以通過Wi-Fi實現與用戶通信設備連接以及時向家庭用戶提供分析結果。此外，多個智能插座還可以將數據匯總至中央的電腦處理系統（可應用樹莓派）來進行大的數據分析處理，其分析結果可以判斷區域的用電情況，因此可以以此為根據調節供電所的供電電量分配，達到節能減排。

4 結論

具體來說，我們設計的基于Arduino 的智能插座，能夠很好地應對能源消耗，從用電器的源頭發現并解決電能的浪費。通過智能插頭的傳感裝置，我們能實時監控插頭的耗電情況，及時發現部分沒有及時關閉的處于待機狀態的用電器，從而達對到待機電能浪費的控制。

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系，也可將收集數據傳至電腦處理系統（可應用“樹莓派”），從而對用電器的漏電情況進行準確判斷，避免了因漏電導致的電能浪費，同時對電路安全檢測也有很重要的作用，減少意外的災難發生。

智能插頭中Arduino還可以做到用電器的自動斷電與自動開啟，同時通過Wi-Fi，用戶可對用電器的開關進行遠程操控，安全且方便。

當我們產品的受眾到達一定的規模的時候，我們產品收集的數據就可以做到宏觀的大數據處理。這給供電部門也提供了很好的供電參考，可以實現節能減排。

本產品在設計過程中充分考慮了成本問題，因此本設計的一大亮點就是價格較低。因此本產品就可以更加容易地進入用戶家中。此外，Arduino作為一種開源的電子原型平臺，程序設計方便也易于上市，而且，它可以在Windows、Macintosh OS X、Linux三大主流操作系統上運行，適應性較強，增大了產品的受眾，方便了產品的普及。

開源的Arduino可以做到程序的不斷創新與發散，利用數據的監控與程序的進化，我們可以不斷地、低成本地更新與進化我們的產品，不同的程序加上不同的傳感器，我們又可以實現新的功能，因此，低成本的再開發與新功能實現的快捷使得本產品有著非常好的發展前景。

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