一種網絡化的家用智能化配電箱設計分析

□ 韋紅美 韋湛蘭 丁 玲

在智能家居背景下，家居內部環境的控制與應用成為研究的熱點。在智能家居中，家用智能化配電箱是實現智能家居控制的重要載體，是智能家居控制的系統。隨著網絡以及新媒體的迅速發展，為了提升智能家居控制系統性能，如何實現家用智能化配電箱的網絡化設計是現階段應重點研究的內容，而這也是智能家居后期發展中需要關注與研究的部分。

1 家用智能化配電箱概述

家用智能配電箱主要以移動互聯和數字斷路等技術為基礎的一種智能化配電系統類型，對用電和配電等領域是一項重大改革，其核心技術主要表現出安全、節能和智慧等特點。

在家用智能配電箱中具有諸多功能：通過引入移動互聯技術，能夠遠程借助手機、電腦和平板等對家里各種用電線路實時監控與管理，如遠程控制空調、飲水機和電飯煲等，為用戶提供一種全新的智能化和便捷化的生活體驗；它能夠對各用電線路內電氣的故障，如過流、漏電、過載和過溫等，實現及時和準確檢測，且還能夠把故障的信息實時和遠程向業主手機或電腦終端發送，從而便于業主掌握與處理家庭電路的故障情況；對偶然性發生的誤操作所造成線路跳閘情況，在故障消除后3s，該配電箱能夠實現自動合閘，實現正常恢復供電，為用戶用電控制提供便利；該配電箱具備定時功能，如可以對魚缸進行送氧功能的合理和自動開啟，為用戶生活管理提供便捷服務；該配電箱具備遠程同步和監控功能，增加無線網絡化攝像頭，在對配電箱管理的同時能夠對家庭內部情況實現遠程監控，基于傳統空氣的漏電開關，新增了過壓、過溫、過流和浪涌式防雷等保護性功能；同時電子式智能模塊的運用，有效提升對過載、漏電和過流等跳閘保護的響應速度，命令執行更加準確；另外，還能夠按照各線路使用的不同環境情況，對各線路的用電功率自由、靈活地限定，防止因為線路過載而導致電氣火災的發生[1]。

2 網絡化的家用智能化配電箱設計的關鍵技術

2.1 ARM微處理器技術

核心處理器選型是硬件設計關鍵部分，對處理器性能參數實施對比，在本文設計中選取嵌入式系統來對智能化配電箱進行開發。在設計中按照功能的需求對內核結構合理選擇，首先要考慮處理器性能，然后進行外圍電路設計，實現功能延伸的效果。基于功耗方面考慮選擇合適的核心芯片，以ARM為基礎選擇相應的存儲器，選用具備自校準的振蕩器，要求其支持多種外設，I/O的端口十分豐富。

2.2 智能控制技術

智能控制技術是在控制理論逐漸發展中而產生的控制技術類型，一般用于對傳統控制方式很難處理的問題中，能夠有效適應較強不確定性以及非線性系統和設備。基于智能控制技術的特點，其在電子的自動設備內得到廣泛運用，在智能配電的終端數量不斷增加的前提下，對控制要求也更為復雜。傳統人工控制法已不能滿足智能控制的設備要求，如對故障隱患未能及時發現，因此推動了智能控制的技術發展[2]。

2.3 以太網傳輸技術

以太網傳輸技術在電子領域內得到廣泛運用，各類智能的終端設備均設計標準化網絡的接口，用于電子設備和網絡設備相互數據的傳輸與通信。以太網呈現出傳輸快、易組網、延時小和誤碼率低等特點，因此在很多場合得到普遍應用。以太網卡在設備的主板內直接集成，能夠與交換機連接構建局域網，可以對設備間數據實現快速的傳輸。

2.4 電磁兼容技術

如電子設備于復雜性電磁環境內安裝或者設置，則電磁兼容技術處理以及防護就顯得十分重要。在對智能終端的設備研發中，要對元器件選型、布局布線和PCB板疊層的設計等綜合考慮；對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PCB疊層的設計不要選擇過多，防止存在較大布線的密度而增加電磁的干擾。電源信號可以采取電容、電感實施濾波的處理，來獲取純凈輸出的電壓；對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，實現泄放勢能的效果。

3 一種網絡化的家用智能化配電箱設計

3.1 總體設計的方案

在該系統內，最小的系統是核心處理的芯片，通過時鐘復位的電路實現Flash的存儲器集成。該設備供電主要通過開關電源對電壓轉換達到對各支路用電的需求提供。在箱內設備的長期工作中，會導致內部溫度提升，通過溫度的傳感器對溫度實時檢測。在一定溫度的閾值設定前提下，若溫度大于閾值，則核心板的驅動電扇會散熱，對電路內各單元的模塊進行保護。通過電參數的采集單元對各支路電壓電流的值實時檢測，并向后臺及時反饋實現數據的管理。通過通信單元對程序完成燒錄調試、數據發送和傳輸等。通過標準接口實現和外部的傳感器連接，為設備的后期功能擴展提供支持[2]。

3.2 硬件電路的設計

3.2.1 電參數的采集單元

設計中主要采取4路12V和24V電壓電流采集法，對不同電壓采集的電路具有一致原理。選擇雙運算放大器，輸入的電壓借助線性的穩壓器來保證，將輸出端的接口分別和主控板內的相應引腳連接，而輸出端則分別和主控板內的相應引腳連接。在主控板完成對電壓電流的信息采集后，向后臺監控平臺實時發送，若存在異常，維護人員可以及時處理。

3.2.2 溫度控制的單元

在該電路的設計中，借助溫度傳感器對溫度實時監測，按照當前的狀態進行一定溫度閾值的設定，驅動風扇對箱體實施散熱，確保電路能夠正常和安全地運行。設計中使用光電的耦合器對數模間信號進行轉換，對高頻信號與低頻信號實現隔離，防止出現相互的電磁干擾；電路內LTV-357T的引腳分別和主控板內相應的引腳分別連接，便于實現智能化控制；在VCC5V電壓上進行一個上拉電阻的連接，以此實現限流效果，而其他電阻發揮分流效果；電路內二極管是小型化開關，將其在電源上反向連接，達到溫度對風扇聯動控制的效果[3]。

3.2.3 以太網的傳輸單元

智能化配電箱所采集數據都是借助以太網向后臺的監控中心傳輸，后實現數據存儲與處理，這需要做好對網絡芯片的合理選擇。通過對網絡芯片各項參數比較，并和功能設計需求結合，合理選擇相應的芯片對以太網的模塊電路進行設計。在以太網的傳輸單元中，SPI接口和核心控制板連接，其中核心控制板是主設備，而芯片是從設備，且核心的控制板進行通信時鐘提供。在網絡芯片中，其接口分別和主控板內相應I0口進行連接，實現對網絡數據的采集與交換。

3.2.4 通信單元

在終端中，通訊模塊為重要端口，其主要和上位機進行通訊、對程序調試和下載、對數據傳輸等。在終端中選擇相應的接口實現通訊傳輸，對通訊規則使用常用型通信協議類型[4]。

在一個串口電路中，對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相應I0口連接，芯片的管腳直接和相應的串口連接，實現對數據的傳輸。在另一個串口電路內，合理選擇芯片，并和主控板連接，電路主控板內接口和相應引腳分別連接，實現對總線數據信號的接收和發送。

3.2.5 供電單元

按照監控攝像頭配電實際需求，設計4路12V和24V電壓。在對比分析后，對各開關的電壓電流參數與功耗指標選取合理型號開關的電源，實現12V與24V的穩定提供。為確保攝像頭多路穩定供電，設計瞬變抑制性二極管、自動恢復的保險絲對輸出電壓實施鉗位保護。在12V電壓的輸出端，分別采取相應措施對輸出4路電壓分別實施過流與短路保護，若電路發生故障，則自恢復保險絲會迅速斷開，防止設備受到損壞。若電路恢復正常狀態，則保險絲自動閉合[5]。

3.3 軟件的設計

3.3.1 軟件的平臺選擇

在設計中合理選擇相應軟件，若某軟件沒有對具體器件文件集成，可以按照項目需求對文件包安裝，對軟件運行的速度實現釋放，且可提供多種協議以及應用的支持。

3.3.2 軟件的功能模塊

在智能化配電箱監管系統設計中，以ARM嵌入式軟件為基礎進行開發，其軟件采取匯編語言以及C語言的混編法，主要實現數據的采集、計算和I/O等諸多任務。在軟件功能的應用板塊中，主要發揮集中性管理、系統設備的遠程化監控、對故障的統計和分析、對數據采集、操作日志的詳細記錄、設備定期的維護等作用。

其功能的實現借助各個模塊來完成。在狀態顯示模塊中，通過ARM核心板對每支路電壓、溫度和電流的參數實時采集，以便后臺服務器實現在線查看，便于維護人員對故障進行巡檢。在事件記錄模塊中，軟件和主控板連接時，能夠從配電終端對遠程遙控的開關記錄、配電線路遙信SOE相關記錄、故障異常記錄獲取與顯示。在設備管理模塊中，通過集中管理平臺能夠對配電箱中設備運行的狀態實時監控，并借助軟件程序向核心板加載實現控制，若設備發現異常，則核心板會觸發報警信號，并把報警信號向后臺管理中心發送。在運行維護模塊中，軟件和核心板連接時能夠實施復位的設置，還能夠向后臺管理中心發送遙控指令，實現對遙控操作的運行和維護[6]。

4 智能配電箱的仿真測試

4.1 硬件的功能調試

在對硬件功能的驗證中，先把程序燒錄在核心板內，才可以對外圍的電路實現控制。本文在設計中選擇相應測試平臺，對硬件功能進行調試。先下載調試程序，再對印制電路板進行調試，按照各個模塊分別實施驗證，最后對主控板實施通電測試。

4.2 設備的功能測試

對設備的測試主要是對集中性管理、系統設備的遠程化監控、對故障的統計和分析、對數據采集、操作日志的詳細記錄、設備定期的維護等實施功能的驗證，看其是否滿足功能預期要求。

5 結語

綜上所述，智能家居的發展有效改變人們家居生活方式，基于該背景下，設計一種網絡化的家用智能化配電箱控制系統，利于人們的智能生活。而想要使該技術發揮更好的作用，還需要對其深入研究，從而推動行業不斷發展。