开源式智能插座设计构想

    李源 张丽

    摘 要：本构想旨在设计一种开源式的智能插座，我们设计的基于Arduino的智能插头利用Arduino连接电流传感器对用电器电量进行分析，对用电器状态进行科学分析和状态判断，然后利用Arduino的Wi-Fi端口与用户建立联系。利用Arduino的开源性质，项目在后续研究中还可以继续进行程序创新和传感器添加，不断低成本地增加功能完善使用，有着十分优秀的研究价值与发展意义。

    关键词：Arduino；开源；智能；节能；低成本

    0 引言

    电力不像其他产品，它是看不见的，大多用户很少看见每个月账单的详细信息，很多家庭由于不够科学的用电方式或者较为淡薄的节电意识导致了由于忘记关闭待机设备，用电器异常漏电未及时察觉而产生电能浪费。这种浪费不仅会积少成多，还会给家庭带来安全隐患。可见，现在智能家居是实现更加和谐的人机关系的主要方式，也是社会的电子设备的发展方向。因此，我们设计了基于Arduino的智能插头。该项作品利用Arduino连接电流传感器对用电器电量进行分析，对用电器状态进行科学分析和状态判断，然后利用Arduino的Wi-Fi端口建立与用户的联系。

    我们团队旨在以更廉价、更简洁的方式实现对电器的监控处理及与用户的联系，使智能家居快捷低成本地进入用户家中。比起市场上单一功能的智能插座，我们还可以将单价从100元缩减至25元左右。根据一些家庭用电耗电的数据估算，使用我们的智能插座平均每个家庭每年可节省至少200度电。这样算下来，一个小区每年节省下来的电就相当可观。除了更加智能便捷的操作之外，居民的用电安全也将得到相当程度的保障。综上所述，本产品的智能化程度高，经济性和节能性十分显著，更加多样化和人性化，推广前景相当乐观。

    1 设计基本思路

    我们设计的与用电器结合的数据收集装置（即智能插座），加强了与老设备的兼容性。我们设计使用arm—m3为主核心，I/O接低功耗Wi-Fi，电流电压传感器，对用电器耗电情况进行监控和分析，并对电路进行控制。

    Arduino作为项目核心，我们要对其进行以下操作：首先，将Arduino与电流传感器结合，使其首先实现对电量数据的实时测控与储存。之后编写相关程序，实现对电流数据的分析效果以达到智能插座的预期功能。同时，将其I/O接口连接低功率Wi-Fi，从而可将相关数据及数据分析结果传至用户端（手机等移动设备）以及中央数据监测系统（可使用“树莓派”），这样可使用户对家庭用电情况有实时的了解，同时可以实现用户对家庭用电器的远程操作。外型上我们只在原插座上进行改进，因此不会影响体积与外形，通过一个小的显示屏，我们还可以实时地看到有关的数据结果。

    2 技术特点及优势

    本作品以Arduino板为核心，结合电流传感器，实现对用电器数据的实时监控、储存与分析，从而明确用电器的实时状况，对于漏电等的不安全现象及时地发现并处理。随着程序的改进与更多传感器的配备，则可以实现更多丰富的功能，对于用电器则可以进行更多更加细致的监控。

    本项目的技术关键就是对于数据的处理。本作品所有功能的实现都与数据的分析结果息息相关，所以说程序的好坏直接决定了对于用电器的监控效果。因此，不同于一般的智能插座，我们的数据分析环节就是我们的技术核心，我们的技术特点也就是将测得的数据进行多方面的分析从而实现对用电器的更为全面的监控。

    相比于一般的智能插座，首先，我们的核心元件价格较低，而且结构相对简单，因此，有着很强的价格优势。其次，由于我们强调了数据分析的技术特点，因此我们就拥有功能较为丰富、可以低成本满足客户的不同需求的优势。再次，由于Arduino的开源特点，产品的更新换代将会非常的快捷与方便。最后，由于Arduino自带Wi-Fi通信模块，因此可以较为方便地与用户端建立联系，方便了用户对家庭用电器的远程操控。

    3 创新点分析

    首先，我们选择以arm—m3为主核心的Arduino 开源的电子原型平台作为作品的核心，除了具有明显的价格优势还有很多方面适应我们产品的开发。开源的电子平台和适应性强的编程环境使我们开发者可以更方便地编写相应的数据处理程序，限制较小且不涉及版权问题。此外，它可以在Windows、Macintosh OS X、Linux三大主流操作系统上运行，有较强的适应性。

    其次，我们的设计创新地利用Arduino对于数据的处理与监控来实现对用电器状态的分析判断。而市面上的一般智能插座有的只能做到数据显示，有的则利用比较单一的方法来实现单一的功能，延展性较差。我们可以利用较低的成本使智能插头可以对产品的漏电等问题进行察觉，之后，我们还可以通过数据分析程序的不断改进，再与不同的传感器结合，就可以使作品功能不断完善，适用范围不断扩大。

    最后，智能插头可以通过Wi-Fi实现与用户通信设备连接以及时向家庭用户提供分析结果。此外，多个智能插座还可以将数据汇总至中央的电脑处理系统（可应用树莓派）来进行大的数据分析处理，其分析结果可以判断区域的用电情况，因此可以以此为根据调节供电所的供电电量分配，达到节能减排。

    4 结论

    具体来说，我们设计的基于Arduino 的智能插座，能够很好地应对能源消耗，从用电器的源头发现并解决电能的浪费。通过智能插头的传感装置，我们能实时监控插头的耗电情况，及时发现部分没有及时关闭的处于待机状态的用电器，从而达对到待机电能浪费的控制。

    智能插头中Arduino的I/O接口连接低功率Wi-Fi，这不仅可以和用户端建立联系，也可将收集数据传至电脑处理系统（可应用“树莓派”），从而对用电器的漏电情况进行准确判断，避免了因漏电导致的电能浪费，同时对电路安全检测也有很重要的作用，减少意外的灾难发生。

    智能插头中Arduino还可以做到用电器的自动断电与自动开启，同时通过Wi-Fi，用户可对用电器的开关进行远程操控，安全且方便。

    当我们产品的受众到达一定的规模的时候，我们产品收集的数据就可以做到宏观的大数据处理。这给供电部门也提供了很好的供电参考，可以实现节能减排。

    本产品在设计过程中充分考虑了成本问题，因此本设计的一大亮点就是价格较低。因此本产品就可以更加容易地进入用户家中。此外，Arduino作为一种开源的电子原型平台，程序设计方便也易于上市，而且，它可以在Windows、Macintosh OS X、Linux三大主流操作系统上运行，适应性较强，增大了产品的受众，方便了产品的普及。

    开源的Arduino可以做到程序的不断创新与发散，利用数据的监控与程序的进化，我们可以不断地、低成本地更新与进化我们的产品，不同的程序加上不同的传感器，我们又可以实现新的功能，因此，低成本的再开发与新功能实现的快捷使得本产品有着非常好的发展前景。

    参考文献：

    [1]李文彬.基于WiFi的智能插座系统设计[J].物联网技术，2018，8（05）：70-71+74.

    [2]梁志勋，覃有燎，闭吕庆.基于物联网技术的智能插座设计与实现[J].河池学院学报，2018，38（02）：64-69.

    [3]燕慶明.电路分析教程[M].北京：高等教育出版社，2007.