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一种基于物联网的智能家居插座
Tiago M. Fernaacute;ndez-Carameacute;s(西班牙拉科鲁尼亚大学电子与系统系)
该文章介绍了一种智能电源插座系统，可通过无线方式进行控制，并专门设计用于监测低电流负载。系统的每个电源插座都嵌入了微控制器，2.4GHz的ZigBee接口，RFID（射频识别）读取器，继电器和电流传感器。该系统的主要特点包括电源插座的远程控制，电流消耗的实时监控，电源时间表的定制和编程，待机电流的自动断开以及防止某些类型的电气火灾和触电事故。为了验证其功能，具有这些功能的原型机已经在简单的家庭自动化网络中部署和测试了。测试结果表明，该系统反应迅速，避免电能过度消耗和触电事故，使下一代智能家庭更安全，更智能化。
1 介绍
现代家居通过电力供应链的最后一个器件——电源插座为电气设备提供电力，这些电源插座传统上仅仅被视为是一个连接点。实际上，电源插座并没有像其他日常设备那样快速发展，尽管随着智家居变得越来越流行，它们似乎成为了最佳选择之一。
在过去的几年中，电源插座增加了不同的功能，如无线控制或电流监测，但仍有许多其他功能可以使这些设备变得更加智能。这篇文章解决了与电源插座交互时出现的一些最常见的问题，并展示了其中两种方法的新颖方法：防止电磁干扰和避免电击。
关于电气火灾，它们被描述为由于某种类型的电气疏忽或故障而开始的火灾。全国消防协会（NFPA）[1]的最新报告指出，2011年，仅在美国，就发生47,700由家用电器引起的火灾，导致了418名平民死亡，1,570名平民受伤和14亿美元直接财产损失[2]。在同一份报告中还指出，在可以精确确定原因的电气火灾中，绝大多数是由短路造成的。
类似的情况也发生在触电事故中。根据电气安全基金会[3]，在北美，每天有将近7名儿童在医院急诊室接受因触摸墙壁插座而导致的电击或烧伤治疗。在同一地区，火灾和烧伤是14岁以下儿童意外死亡的第三大原因。
为了解决前面提到的两个问题，本文提出了一种智能电源插座系统，它具有以下特点：
（i）它能够检测到过载，这可能导致低电流系统过热，从而引起电气火灾。
（ii）它可以防止触电，因为它只在识别到有效电器时供电。
（iii）可以使用无线传感器网络技术进行远程控制
（iv）它能够实时监控并将数据提供给外部设备（例如连接到互联网的智能手机和平板电脑）。
（v）当检测到待机电流时，它可以断开电源（待机电流是当电器处于待机模式或自动断开电源时产生的电流）。
本文的接下来的结构如下。第2章回顾了用于学术和商业目的开发的最相关的、最先进的智能电源插座。第3章详细介绍了系统的设计，并概述了通信架构。第4章主要介绍系统的两个主要组成部分：网关和智能电源插座。第5章描述了所实现系统的功能和设置。第6章描述了不同实验的结果，证明了系统的功能。最后，第7节致力于结论。
2 最先进的技术：学术和商业的智能电源插座
2.1 学术上的发展
在过去的几年中，研究人员通过给添加不同的智能功能来增强电源插座。例如，[4]提出了一个可以通过蓝牙和GSM无线接口远程控制的插座系统。该系统可以通过发送SMS（短消息服务）来远程控制每个插座。该系统的改进版本在[5]中介绍，它支持以太网并保函电能消耗测量的能力。此外，在[6,7]中几乎相同的作者[4,5]描述了一个类似PLC（电力线通信）模块的输出系统。在[7]的案例中，该系统旨在远程制UPS（不间断电源系统）。
[8]是描述了应用于电源插座系统的无线传感器网络的第一个例子。该系统建议使用ZigBee来开启和关闭远程插座并测量其电流消耗。
[9]采取了不同的方法：作者利用数据采集系统来控制插座的状态并监视电流消耗。
另一个使用ZigBee的电源插座系统详见[10]。该论文提出了通信架构，该架构允许处于待机模式的设备插入插座的情况下切换插座。
和[6,7]一样，PLC接口同样被嵌入到[11,12]中提出的设计中。两个电源插座系统都可以打开和关闭电源插座并监视电流消耗，但后者特别有趣：它使用了不同的传感器可以监测电器工作模式，然后优化家庭的电能使用。
在[13]中描述的电源插座的作者为智能插座嵌入了一个以太网模块，以便自主控制负载。他们的系统可以打开和关闭电源插座，能够监控电流消耗，并且它已经明确被设计用于在大量电力来自可再生能源的网络中。
最后，[14,15]分别介绍基于ZigBee和PLC的电源插座系统。这样的系统可以控制插座的状态并监视电流消耗，但是[15]中详细描述的系统还包括一个附加功能：它能够发出功率过载的警告。
2.2 商用的智能电源插座
虽然市场上已有智能电源插座（例如[16-22]），但总的来说，它们落后于研究人员开发的智能电源插座。
例如，Belkin的WeMo插座[16]是一种基于WiFi的电源插座，可以打开和关闭插座的电源。MeterPlug[17]也类似，但使用蓝牙，它也可以监视电流消耗。来自Orange的MyPlug[18]具有ZigBee收发器和GSM接口，但它只能控制电源插座的状态。
SafePlug[19]可能是最先进的现成开发产品之一：它可以打开/关闭电源，实时监控电流消耗，识别电器以防止火灾和触电。
最后，值得一提的是其他三种解决方案：PlugWise[20]，Modlet[21]和SmartPlug[22]。它们都具有非常相似的功能（它们可以打开/关闭插座并监控能源消耗），但PlugWise和SmartPlug使用ZigBee时，Modlet似乎使用专用无线技术。
2.3 分析
在分析了前面提到的所有参考文献之后，可以说，增强电源插座主要集中在通过使用有线[6,9,11-13,15]，无线[4,7,8,10,14,16-22]或混合接口[5]。大多数无线电源插座仅使用诸如蓝牙[4,5,7,17]，GSM[4,5,7,18]等技术进行点对点通信（例如，[4,5,7,16,17]）或WiFi[16]。
然而，在过去的几十年中，为了用点对点网络替代传感器网络，提出了不同的替代方案。第一个传感器网络最初用于必须严格控制特定参数（如温度，湿度或存在有毒气体）的环境中。这些网络可以使用独立的有线基础设施（例如KNX[23]或LonWorks[24]）或已有的基础设施（例如X10）。BACnet（楼宇自动化和控制网络）[25]，DALI（数字可寻址照明接口）[26]，EnOcean[27]，Z-Wave[28]、DASH7[29]和无线HART[30]等在市场上取得了一定成功的其他替代通信技术。
目前，ZigBee可以说是最流行的无线传感器网络技术，它已被纳入最新一代无线电源插座[8,10,14,18-22]。
尽管ZigBee是一项成熟的技术，但值得一提的是，ZigBee联盟近期开始开发一种开放的替代方案（ZigBee IP[35]），其中包括通过6LoWPAN（低功耗无线个人区域网络上的IPv6）[36]。有几家制造商已经在销售ZigBee IP兼容平台。这种IP连接似乎是未来物联网（IoT）[37]的关键之一，并且将促成现代家庭中IP设备数量的增加（如智能电视，家庭娱乐设备和遥控设备）。
除了无线传感器网络之外，能源效率可能是智能家居领域研究最多的话题之一，之前引用的一些智能电源网点已经提出了监测能源消耗的目标[17,19-22]。
与家庭能量效率有关的是待机电流的问题。令人惊讶的是，只有几个智能电源插座[10,17]可以自动检测待机电流，并且能够断开他们在一段时间内待机的电器。
关于电力故障和触电，几乎没有专门针对解决这些问题的商业或学术智能电源插座。特例似乎是SafePlug[19]。然而，在分析所有学术和商业设备之后，发现没有一个实现本文提出的系统提供的所有功能
3.系统的设计
传统上已经指出，为了保护电气设备和人员，已经有一系列经过验证并经过测试的硬件技术（例如熔断器和断路器）安全且快速。虽然这些技术在正确配置时实现了他们的目标，但他们通常不会动态适应环境或连接的设备。
本文中介绍的系统涉及使用软件控制，该软件被认为相对较慢且易受软件错误影响。后一种说法可以通过在恶劣条件下进行密集测试来解决，但在实施基于电气安全软件的设备之前需要仔细研究前者。
3.1 防止电气火灾
电气故障可能由于不同的事件而发生，其中两种最常见的是功率过载和短路。在这两种情况下，当它们发生时，释放的能量必须小于传输介质的最大负载容量以避免不可挽回的损坏。
在功率过载情况下，电流必须保持低于传输介质的最大允许负载电流（IZ）。根据IEC/EN60898-1/-2和IEC/EN60947-2，小型断路器（MCB）制造商通常采用以下规则，以确定在过载情况下何时应接通电路：
其中It=30是环境温度为30℃时的监测电流。
在短路的情况下，有必要确定最大短路电流。如果短路释放时间小于100ms，则通常采用下一条规则来防止电子干扰并避免损坏[38]：
其中K是材料介质的系数（As/mm2），S是传输介质的导体的双横截面面积（单位为mm2），IK是通过介质的短路电流的RMS值（单位为A），Icut-off是当前IK的保护设备的释放时间（秒）。
公式（2）表明，如果在过多时间内保持高电流，其流过的导体可能会熔化，甚至会碰到电流。（2）中的这个方程式是由调节绝热过程的热力学方程导出的，设计人员检查用于c.p.c的复合电缆的适用性（电路保护导体，即接地导体和所有等电位连接导体）。公式（2）可以重写以确定损坏电缆所需的最大时间：
其中Icut-off现在可被视为短路电流IK将导体温度升高到最高允许电平（即，在损坏电缆之前）所需的时间。常数K计算为[39]：
其中QC是导体材料的体积热容量（J/℃mm3），B是导体在一定的温度下的电阻率的温度系数（℃）的倒数，Q20是导体材料在20℃时的电阻率（Omega;mm），Qi是导体的初始温度（∘C），Qf是导体的最终温度（∘C）。
通过假设特定类型的导体可以简化方程（4）：
这里C对于特定的材料是定值的：
例如，铜的C是226，铝是148，钢是78，铅是41。
因此，一旦选择了导体材料，K的值将仅取决于绝缘材料材料所能承受的初始和最终温度。例如，对于使用p.v.c绝缘材料的铜制电缆（铜的B值为234.5℃），当theta;i=70°并且theta;f=160°C时，K为115。
图1不同材料、绝缘层和横截面在20ms前提下的最大释放时间
然后，根据（3），图1绘制了一个小型设备（不超过100A），在使用了不同的导体材料，绝缘层和横截面时的t值。图1只显示了20ms以下的曲线部分，其中一个常规的MCB将切断电流。例如，如果在p.v.c材料中由于短路而产生90A的电流，绝缘铜电缆截面积为0.1平方毫米，大约17毫秒，绝缘材料会融化并可能粘连。请注意，横截面与直径不同，但0.1mm2的横截面积对于普通电缆来说太小了。但是，对于PCB线路和电子元器件来说，这并不少见。
因此，在常规MCB阻止电流流动之前，设备可能会造成严重损坏并引发火灾。
最后，值得一提的是，根据（2），假设在短路过程中产生的所有热量都被保留下来，实际上这并不会发生，但它允许获得提供安全余量的保守估计。如果需要更高精度，则必须考虑非绝热加热[40]。
3.2 基于时间限制的软件电流监测设备
对于为防止某些事件而对电流进行主动监视的系统，可能与用户有关的是系统需要反应的时间。这样的数值由下式给出
其中tr（反应时间）是总时间，td（检测时间）是检测事件所需的时间，ts（切换时间）是切换电源所需的时间。
当通过软件算法执行检测时，检测时间可以按以下方式分解：
其中tml（主回路时间）是主控环路到达检测代码所需的时间，tadq（采集时间）是智能插座用于获取当前数据所消耗的时间，tdr（数据读取时间）是当前传感器获取当前数据需要实际的时间，而tcc（控制代码时间）是设备用来验证受控事件是否发生的时间。
关于ts这个参数，定义如下：
其中tsc（切换固定时间）是向交换设备发送命令所花费的时间，trs（继电器切换时间）是硬件实际用于切换电源的时间。因此，可以发现ts有些时候依赖于嵌入式控制器及其代码（tml、tadq、tcc和tsc）和硬件设备的时间（tdr和trs
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