電器設備遠程智能監控系統設計

陳惠珊，黃干凱，歐巧儒，吳泳琪，崔健學，周永明，文昊翔

（韶關學院 智能工程學院，廣東 韶關 512005）

在科技日益發展的今天，家電使用越來越廣泛，家電的安全運行越來越被重視.目前市面上的自動家居智能用電監控與控制系統不夠完善，不是監控不到位，就是報警不夠及時，例如電器長期在低電壓狀態下工作導致電器燒壞，電器工作所耗功率的變化（變大或變小）等. 本監控系統采用檢測電路針對節點的功率（電壓、電流）進行采集，將檢測到的數據實時向單片機傳送，STM32F103ZET6 單片機將數據統計分析，比較檢測電器工作的數據值，向控制繼電器發出信號，對電器進行運行控制，同時STM32F103ZET6 單片機和樹莓派進行數據交互，攝像頭以每秒60 幀采集電器圖像，并將圖像傳給樹莓派，樹莓派接入互聯網，通過手機APP 和警報短信給遠程端傳遞家里用電情況的信息，實現隨時隨地監測家電的運行，避免電器燒壞和用電引發的安全事故，達到遠程監控的目的.

1 系統結構整體設計

系統以Raspberry Pi 4B 與STM32F103ZET6［1-2］作為系統的數據處理中心，如圖1 所示.其中Raspberry Pi 4B 采用Linux 操作系統，使用Python 編程，接收或傳送相關信息指令，處理來自電器形狀識別部分、近端操作部分、室內定位部分、人機交互部分以及STM32F103ZET6 的信息和指令；其中STM32F103ZET6 接收并處理來自用電節點功率檢測電路采集來的信息，并且傳送到近端平臺或遠程客戶端［3］，最后將接收到的信息轉換為控制信號，對繼電器進行控制，實現對家用電器設備用電情況的管理控制.電器形狀識別部分主要是攝像頭模塊；近端操作部分主要是輸入部件鍵盤和顯示部件LCD 觸摸顯示屏；室內定位部分主要是結合車載設計方便識別到室內各個位置的電器；人機交互部分包括物聯網服務端、手機客戶端APP；檢測與控制部分主要是每個用電節點的檢測電路、功率傳感器、溫度傳感器和繼電器.采用便攜式的接法將功率傳感器、溫度傳感器和繼電器等傳感器和控制器集中于插座中組成每一個用電節點.

圖1 系統結構框圖

2 系統硬件設計

2.1 電器形狀識別部分

系統設計采用攝像頭模塊OpenMV4 對電器設備進行顏色識別與物位識別，利用物體顏色、形狀與形態的差異獲取形狀的參數［4］，結合車載式設計增加攝像頭識別的區域和室內激光雷達定位完成基于SLAM［5］構建室內地圖.電器設備可以在室內任何地方都能精準定位與識別；在攝像頭空閑時作為智能安全管家，對室內環境進行巡視.

攝像頭與系統的連接有兩種方式，第一種采用串口連接，其電路連接方式見圖2；第二種采用USB 連接，使用數據 線 將OpenMV4 的Micro_USB 接 口 與Raspberry Pi 4B 的USB 接口進行連接.

2.2 近端操作部分

本系統采用無線鍵盤與獨立供電的7 寸LCD 觸控顯示屏作為近端操作主要部件，鍵盤對電器設備的額定功率進行標記、設定每個節點的溫度、電壓、電流、功率等參數的最大允許范圍、系統功能選取等. LCD 屏作為顯示界面，方便數據輸入輸出檢查確認，并且將周圍環境的監控進行實時追蹤，判斷當前環境是否安全.

無線鍵盤利用鍵盤配套的USB 藍牙接收器進行通訊，LCD 則使用HDMI 線與Rasberry Pi 4B 上的Micro_HDMI 接口連接.

2.3 檢測與控制部分

系統采用AG 系列智能型交流功率隔離傳感器作為用電節點的參數采集器件，該器件能夠采集每個用電節點電壓、電流、功率等數據，并能夠通過RS-232 接口協議的RXD、TXD、GND 三線將數據傳送到微處理器組成的系統.數據處理中心將傳感器傳來的數據計算、分析、并將處理結果反饋傳送到執行器，例如繼電器，作為控制開關，接收來自單片機的控制信號，用來控制節點用電或停止用電，在隔離傳感器上配備過流過壓檢測傳感器，能有效防止用電事故發生，節電的同時保障用電安全.

2.4 物聯網設計

物聯網服務端采用機智云公司的開源云服務端作為遠程人機交互的網絡端.機智云是一家主要為開發者提供物聯網設備的自助開發工具、后臺技術支持服務、設備遠程操控管理、數據存儲分析、第三方數據整合等技術服務的公司.智能監控系統實時監控電器設備的使用情況、家居環境等的信息，并將這些數據信息上傳到云服務器，用戶可通過客戶端APP 獲取相關的信息.用戶也可以通過客戶端APP 進行電器設備的開啟、關閉預約服務等，也可以通過近端操作界面進行直接操作，將產生的信息回傳到云服務器，從而向智能監控系統下達的相關控制信息.

圖2 OpenMV 的串口連接

圖3 一個節點的檢測控制電路

3 軟件與系統程序設計

圖4 用戶端APP 主界面

3.1 APP 功能設計

（1）主界面可顯示正運行的電器設備的功率、電壓、電流，因此用戶可以通過了解這些信息大致了解電器設備運行的基本情況.

（2）可隨時對電器設備進行關閉電源處理或者繼續運行處理，當用戶的所處位置距離電器設備較遠時，可通過APP 更快、簡單的對電器設備進行操作.

（3）可隨時監測電器設備，當用戶收到手機報警短信的時候，可以通過檢測電器設備的攝像頭查看電器設備現有的狀態.

（4）提供視頻監控進入端口，供用戶觀看室內監控［6-7］.

3.2 APP 界面設計

用戶端的安卓APP 使用Eclipse 開發環境進行開發，接入機智云公司開放平臺GAgent 作為本系統的網絡數據中心.主要實現功能：電器設備的信息的顯示（功率、電壓、電流等）、遠程控制電源等.用戶端APP 主界面見圖4.

3.3 系統程序設計

（1）進行系統初始化.電器形狀識別部分、近端操作部分、人機交互部分、檢測與控制啟動.

（2）通過電器形狀識別部分實時獲取電器設備使用情況.利用攝像頭判別電器設備種類及使用情況、查找電器設備的標記信息，獲取正常工作的數據信息及功率設定最大值.

（3）通過云服務端獲取家居電器數據信息，并且可以通過手機、平板等設備的交互APP 以云服務器為媒介傳遞信息.用戶收到用電異?；虼嬖陔[患的警報短信的時候，可以回傳系統控制信息，使節點斷電和通過攝像頭查看電器設備現有的狀態.

（4）通過近端操作部分標記參數，初始功能設定，并且將相關信息上傳給云平臺［8］，以云平臺為中間媒介將信息傳送到交互APP.

（5）數據處理中心對攝像信息識別［9］進入視頻監控狀態獲取目標參數，以及結合系統檢測獲取到的數據信息進行分析計算，使控制系統進入自主安全監控模式.

圖5 攝像頭工作過程示意圖

圖6 系統程序流程框圖

4 結語

隨著社會的進步和人們生活水平的不斷提升，電器設備的安全不得忽視，物聯網技術成為此項領域的重要支持.本設計對電器的遠程監測與控制，符合了現代化生活的迫切需求，也能進一步減少人們因忘記關電或電器損壞引發的火災等安全事故，大大提高了家庭生活的舒適度與安全感；配備的攝像頭除了能監測電器外，兼具視頻監控功能，使用戶可在異地通過系統查看室內環境.本設計符合國家鼓勵的創新要求，比以往的同類系統更具有競爭力以及使用便利性，具有較強的實用性，未來也可以在此監控系統的基礎上繼續完善，使該系統在開發上更加智能全面，讓使用者離家在外能實時監控家用電器使用情況的同時，添加上輔助檢查家電的損壞部分等方便使用的功能，滿足人們對智能生活的要求.