一种网络化的家用智能化配电箱设计分析

2021-03-31韦红美韦湛兰

广西城镇建设 2021年3期

□ 韦红美韦湛兰丁玲

在智能家居背景下，家居内部环境的控制与应用成为研究的热点。在智能家居中，家用智能化配电箱是实现智能家居控制的重要载体，是智能家居控制的系统。随着网络以及新媒体的迅速发展，为了提升智能家居控制系统性能，如何实现家用智能化配电箱的网络化设计是现阶段应重点研究的内容，而这也是智能家居后期发展中需要关注与研究的部分。

1 家用智能化配电箱概述

家用智能配电箱主要以移动互联和数字断路等技术为基础的一种智能化配电系统类型，对用电和配电等领域是一项重大改革，其核心技术主要表现出安全、节能和智慧等特点。

在家用智能配电箱中具有诸多功能：通过引入移动互联技术，能够远程借助手机、电脑和平板等对家里各种用电线路实时监控与管理，如远程控制空调、饮水机和电饭煲等，为用户提供一种全新的智能化和便捷化的生活体验；它能够对各用电线路内电气的故障，如过流、漏电、过载和过温等，实现及时和准确检测，且还能够把故障的信息实时和远程向业主手机或电脑终端发送，从而便于业主掌握与处理家庭电路的故障情况；对偶然性发生的误操作所造成线路跳闸情况，在故障消除后3s，该配电箱能够实现自动合闸，实现正常恢复供电，为用户用电控制提供便利；该配电箱具备定时功能，如可以对鱼缸进行送氧功能的合理和自动开启，为用户生活管理提供便捷服务；该配电箱具备远程同步和监控功能，增加无线网络化摄像头，在对配电箱管理的同时能够对家庭内部情况实现远程监控，基于传统空气的漏电开关，新增了过压、过温、过流和浪涌式防雷等保护性功能；同时电子式智能模块的运用，有效提升对过载、漏电和过流等跳闸保护的响应速度，命令执行更加准确；另外，还能够按照各线路使用的不同环境情况，对各线路的用电功率自由、灵活地限定，防止因为线路过载而导致电气火灾的发生[1]。

2 网络化的家用智能化配电箱设计的关键技术

2.1 ARM微处理器技术

核心处理器选型是硬件设计关键部分，对处理器性能参数实施对比，在本文设计中选取嵌入式系统来对智能化配电箱进行开发。在设计中按照功能的需求对内核结构合理选择，首先要考虑处理器性能，然后进行外围电路设计，实现功能延伸的效果。基于功耗方面考虑选择合适的核心芯片，以ARM为基础选择相应的存储器，选用具备自校准的振荡器，要求其支持多种外设，I/O的端口十分丰富。

2.2 智能控制技术

智能控制技术是在控制理论逐渐发展中而产生的控制技术类型，一般用于对传统控制方式很难处理的问题中，能够有效适应较强不确定性以及非线性系统和设备。基于智能控制技术的特点，其在电子的自动设备内得到广泛运用，在智能配电的终端数量不断增加的前提下，对控制要求也更为复杂。传统人工控制法已不能满足智能控制的设备要求，如对故障隐患未能及时发现，因此推动了智能控制的技术发展[2]。

2.3 以太网传输技术

以太网传输技术在电子领域内得到广泛运用，各类智能的终端设备均设计标准化网络的接口，用于电子设备和网络设备相互数据的传输与通信。以太网呈现出传输快、易组网、延时小和误码率低等特点，因此在很多场合得到普遍应用。以太网卡在设备的主板内直接集成，能够与交换机连接构建局域网，可以对设备间数据实现快速的传输。

2.4 电磁兼容技术

如电子设备于复杂性电磁环境内安装或者设置，则电磁兼容技术处理以及防护就显得十分重要。在对智能终端的设备研发中，要对元器件选型、布局布线和PCB板叠层的设计等综合考虑；对智能的元器件要尽量选择较大电压的范围、较低功耗和耐压与耐高温的性能；对PCB叠层的设计不要选择过多，防止存在较大布线的密度而增加电磁的干扰。电源信号可以采取电容、电感实施滤波的处理，来获取纯净输出的电压；对雷击以及过电压等条件，要采取磁珠、电感把地层和金属的外壳连接，实现泄放势能的效果。

3 一种网络化的家用智能化配电箱设计

3.1 总体设计的方案

在该系统内，最小的系统是核心处理的芯片，通过时钟复位的电路实现Flash的存储器集成。该设备供电主要通过开关电源对电压转换达到对各支路用电的需求提供。在箱内设备的长期工作中，会导致内部温度提升，通过温度的传感器对温度实时检测。在一定温度的阈值设定前提下，若温度大于阈值，则核心板的驱动电扇会散热，对电路内各单元的模块进行保护。通过电参数的采集单元对各支路电压电流的值实时检测，并向后台及时反馈实现数据的管理。通过通信单元对程序完成烧录调试、数据发送和传输等。通过标准接口实现和外部的传感器连接，为设备的后期功能扩展提供支持[2]。

3.2 硬件电路的设计

3.2.1 电参数的采集单元

设计中主要采取4路12V和24V电压电流采集法，对不同电压采集的电路具有一致原理。选择双运算放大器，输入的电压借助线性的稳压器来保证，将输出端的接口分别和主控板内的相应引脚连接，而输出端则分别和主控板内的相应引脚连接。在主控板完成对电压电流的信息采集后，向后台监控平台实时发送，若存在异常，维护人员可以及时处理。

3.2.2 温度控制的单元

在该电路的设计中，借助温度传感器对温度实时监测，按照当前的状态进行一定温度阈值的设定，驱动风扇对箱体实施散热，确保电路能够正常和安全地运行。设计中使用光电的耦合器对数模间信号进行转换，对高频信号与低频信号实现隔离，防止出现相互的电磁干扰；电路内LTV-357T的引脚分别和主控板内相应的引脚分别连接，便于实现智能化控制；在VCC5V电压上进行一个上拉电阻的连接，以此实现限流效果，而其他电阻发挥分流效果；电路内二极管是小型化开关，将其在电源上反向连接，达到温度对风扇联动控制的效果[3]。

3.2.3 以太网的传输单元

智能化配电箱所采集数据都是借助以太网向后台的监控中心传输，后实现数据存储与处理，这需要做好对网络芯片的合理选择。通过对网络芯片各项参数比较，并和功能设计需求结合，合理选择相应的芯片对以太网的模块电路进行设计。在以太网的传输单元中，SPI接口和核心控制板连接，其中核心控制板是主设备，而芯片是从设备，且核心的控制板进行通信时钟提供。在网络芯片中，其接口分别和主控板内相应I0口进行连接，实现对网络数据的采集与交换。

3.2.4 通信单元

在终端中，通讯模块为重要端口，其主要和上位机进行通讯、对程序调试和下载、对数据传输等。在终端中选择相应的接口实现通讯传输，对通讯规则使用常用型通信协议类型[4]。

在一个串口电路中，对该电路合理选择芯片，并和主控板连接，其引脚分别和主控板内相应I0口连接，芯片的管脚直接和相应的串口连接，实现对数据的传输。在另一个串口电路内，合理选择芯片，并和主控板连接，电路主控板内接口和相应引脚分别连接，实现对总线数据信号的接收和发送。

3.2.5 供电单元

按照监控摄像头配电实际需求，设计4路12V和24V电压。在对比分析后，对各开关的电压电流参数与功耗指标选取合理型号开关的电源，实现12V与24V的稳定提供。为确保摄像头多路稳定供电，设计瞬变抑制性二极管、自动恢复的保险丝对输出电压实施钳位保护。在12V电压的输出端，分别采取相应措施对输出4路电压分别实施过流与短路保护，若电路发生故障，则自恢复保险丝会迅速断开，防止设备受到损坏。若电路恢复正常状态，则保险丝自动闭合[5]。

3.3 软件的设计

3.3.1 软件的平台选择

在设计中合理选择相应软件，若某软件没有对具体器件文件集成，可以按照项目需求对文件包安装，对软件运行的速度实现释放，且可提供多种协议以及应用的支持。

3.3.2 软件的功能模块

在智能化配电箱监管系统设计中，以ARM嵌入式软件为基础进行开发，其软件采取汇编语言以及C语言的混编法，主要实现数据的采集、计算和I/O等诸多任务。在软件功能的应用板块中，主要发挥集中性管理、系统设备的远程化监控、对故障的统计和分析、对数据采集、操作日志的详细记录、设备定期的维护等作用。

其功能的实现借助各个模块来完成。在状态显示模块中，通过ARM核心板对每支路电压、温度和电流的参数实时采集，以便后台服务器实现在线查看，便于维护人员对故障进行巡检。在事件记录模块中，软件和主控板连接时，能够从配电终端对远程遥控的开关记录、配电线路遥信SOE相关记录、故障异常记录获取与显示。在设备管理模块中，通过集中管理平台能够对配电箱中设备运行的状态实时监控，并借助软件程序向核心板加载实现控制，若设备发现异常，则核心板会触发报警信号，并把报警信号向后台管理中心发送。在运行维护模块中，软件和核心板连接时能够实施复位的设置，还能够向后台管理中心发送遥控指令，实现对遥控操作的运行和维护[6]。