电器设备远程智能监控系统设计

陈惠珊，黄干凯，欧巧儒，吴泳琪，崔健学，周永明，文昊翔

（韶关学院 智能工程学院，广东 韶关 512005）

在科技日益发展的今天，家电使用越来越广泛，家电的安全运行越来越被重视.目前市面上的自动家居智能用电监控与控制系统不够完善，不是监控不到位，就是报警不够及时，例如电器长期在低电压状态下工作导致电器烧坏，电器工作所耗功率的变化（变大或变小）等. 本监控系统采用检测电路针对节点的功率（电压、电流）进行采集，将检测到的数据实时向单片机传送，STM32F103ZET6 单片机将数据统计分析，比较检测电器工作的数据值，向控制继电器发出信号，对电器进行运行控制，同时STM32F103ZET6 单片机和树莓派进行数据交互，摄像头以每秒60 帧采集电器图像，并将图像传给树莓派，树莓派接入互联网，通过手机APP 和警报短信给远程端传递家里用电情况的信息，实现随时随地监测家电的运行，避免电器烧坏和用电引发的安全事故，达到远程监控的目的.

1 系统结构整体设计

系统以Raspberry Pi 4B 与STM32F103ZET6［1-2］作为系统的数据处理中心，如图1 所示.其中Raspberry Pi 4B 采用Linux 操作系统，使用Python 编程，接收或传送相关信息指令，处理来自电器形状识别部分、近端操作部分、室内定位部分、人机交互部分以及STM32F103ZET6 的信息和指令；其中STM32F103ZET6 接收并处理来自用电节点功率检测电路采集来的信息，并且传送到近端平台或远程客户端［3］，最后将接收到的信息转换为控制信号，对继电器进行控制，实现对家用电器设备用电情况的管理控制.电器形状识别部分主要是摄像头模块；近端操作部分主要是输入部件键盘和显示部件LCD 触摸显示屏；室内定位部分主要是结合车载设计方便识别到室内各个位置的电器；人机交互部分包括物联网服务端、手机客户端APP；检测与控制部分主要是每个用电节点的检测电路、功率传感器、温度传感器和继电器.采用便携式的接法将功率传感器、温度传感器和继电器等传感器和控制器集中于插座中组成每一个用电节点.

图1 系统结构框图

2 系统硬件设计

2.1 电器形状识别部分

系统设计采用摄像头模块OpenMV4 对电器设备进行颜色识别与物位识别，利用物体颜色、形状与形态的差异获取形状的参数［4］，结合车载式设计增加摄像头识别的区域和室内激光雷达定位完成基于SLAM［5］构建室内地图.电器设备可以在室内任何地方都能精准定位与识别；在摄像头空闲时作为智能安全管家，对室内环境进行巡视.

摄像头与系统的连接有两种方式，第一种采用串口连接，其电路连接方式见图2；第二种采用USB 连接，使用数据 线 将OpenMV4 的Micro_USB 接 口 与Raspberry Pi 4B 的USB 接口进行连接.

2.2 近端操作部分

本系统采用无线键盘与独立供电的7 寸LCD 触控显示屏作为近端操作主要部件，键盘对电器设备的额定功率进行标记、设定每个节点的温度、电压、电流、功率等参数的最大允许范围、系统功能选取等. LCD 屏作为显示界面，方便数据输入输出检查确认，并且将周围环境的监控进行实时追踪，判断当前环境是否安全.

无线键盘利用键盘配套的USB 蓝牙接收器进行通讯，LCD 则使用HDMI 线与Rasberry Pi 4B 上的Micro_HDMI 接口连接.

2.3 检测与控制部分

系统采用AG 系列智能型交流功率隔离传感器作为用电节点的参数采集器件，该器件能够采集每个用电节点电压、电流、功率等数据，并能够通过RS-232 接口协议的RXD、TXD、GND 三线将数据传送到微处理器组成的系统.数据处理中心将传感器传来的数据计算、分析、并将处理结果反馈传送到执行器，例如继电器，作为控制开关，接收来自单片机的控制信号，用来控制节点用电或停止用电，在隔离传感器上配备过流过压检测传感器，能有效防止用电事故发生，节电的同时保障用电安全.

2.4 物联网设计

物联网服务端采用机智云公司的开源云服务端作为远程人机交互的网络端.机智云是一家主要为开发者提供物联网设备的自助开发工具、后台技术支持服务、设备远程操控管理、数据存储分析、第三方数据整合等技术服务的公司.智能监控系统实时监控电器设备的使用情况、家居环境等的信息，并将这些数据信息上传到云服务器，用户可通过客户端APP 获取相关的信息.用户也可以通过客户端APP 进行电器设备的开启、关闭预约服务等，也可以通过近端操作界面进行直接操作，将产生的信息回传到云服务器，从而向智能监控系统下达的相关控制信息.

图2 OpenMV 的串口连接

图3 一个节点的检测控制电路

3 软件与系统程序设计

图4 用户端APP 主界面

3.1 APP 功能设计

（1）主界面可显示正运行的电器设备的功率、电压、电流，因此用户可以通过了解这些信息大致了解电器设备运行的基本情况.

（2）可随时对电器设备进行关闭电源处理或者继续运行处理，当用户的所处位置距离电器设备较远时，可通过APP 更快、简单的对电器设备进行操作.

（3）可随时监测电器设备，当用户收到手机报警短信的时候，可以通过检测电器设备的摄像头查看电器设备现有的状态.

（4）提供视频监控进入端口，供用户观看室内监控［6-7］.

3.2 APP 界面设计

用户端的安卓APP 使用Eclipse 开发环境进行开发，接入机智云公司开放平台GAgent 作为本系统的网络数据中心.主要实现功能：电器设备的信息的显示（功率、电压、电流等）、远程控制电源等.用户端APP 主界面见图4.

3.3 系统程序设计

（1）进行系统初始化.电器形状识别部分、近端操作部分、人机交互部分、检测与控制启动.

（2）通过电器形状识别部分实时获取电器设备使用情况.利用摄像头判别电器设备种类及使用情况、查找电器设备的标记信息，获取正常工作的数据信息及功率设定最大值.

（3）通过云服务端获取家居电器数据信息，并且可以通过手机、平板等设备的交互APP 以云服务器为媒介传递信息.用户收到用电异常或存在隐患的警报短信的时候，可以回传系统控制信息，使节点断电和通过摄像头查看电器设备现有的状态.

（4）通过近端操作部分标记参数，初始功能设定，并且将相关信息上传给云平台［8］，以云平台为中间媒介将信息传送到交互APP.

（5）数据处理中心对摄像信息识别［9］进入视频监控状态获取目标参数，以及结合系统检测获取到的数据信息进行分析计算，使控制系统进入自主安全监控模式.

图5 摄像头工作过程示意图

图6 系统程序流程框图

4 结语

随着社会的进步和人们生活水平的不断提升，电器设备的安全不得忽视，物联网技术成为此项领域的重要支持.本设计对电器的远程监测与控制，符合了现代化生活的迫切需求，也能进一步减少人们因忘记关电或电器损坏引发的火灾等安全事故，大大提高了家庭生活的舒适度与安全感；配备的摄像头除了能监测电器外，兼具视频监控功能，使用户可在异地通过系统查看室内环境.本设计符合国家鼓励的创新要求，比以往的同类系统更具有竞争力以及使用便利性，具有较强的实用性，未来也可以在此监控系统的基础上继续完善，使该系统在开发上更加智能全面，让使用者离家在外能实时监控家用电器使用情况的同时，添加上辅助检查家电的损坏部分等方便使用的功能，满足人们对智能生活的要求.