張壯 張素君 聞波 吳龍 鄧文平

摘? 要：在日常教學(xué)中，教學(xué)樓內(nèi)的教室或者走廊以及其他公共區(qū)域的照明裝置出現(xiàn)故障時(shí)，由于無人及時(shí)通知后勤維修部門，導(dǎo)致維修不及時(shí)，影響正常教學(xué)。針對(duì)上述情況，設(shè)計(jì)一款檢測(cè)教學(xué)樓內(nèi)照明設(shè)備故障報(bào)警系統(tǒng)，采用集散控制系統(tǒng)，從機(jī)分布在各個(gè)教室、走廊或者其他區(qū)域用來采集照明電器用電信息以及故障識(shí)別，主機(jī)接收從機(jī)信息并上傳云平臺(tái)。主機(jī)與從機(jī)之間采用LoRa無線通信，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備故障可視化，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，報(bào)警等功能。

關(guān)鍵詞：照明設(shè)備故障;自動(dòng)檢測(cè);LoRa通信;云平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP277? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）03-0177-04

Design of Intelligent Alarm System for Lighting Equipment Failure in Teaching Buildings

ZHANG Zhuang， ZHANG Sujun， WEN Bo， WU Long， DENG Wenping

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Henan Institute of Science and Technology， Xinxiang? 453003， China）

Abstract： In daily teaching， there are lighting equipment failures in classrooms or corridors and other public areas in the teaching buildings， since no one notifies the logistics maintenance department in time， and it causes that the maintenance is not timely and the normal teaching is affected. In view of the above situation， a fault alarm system is designed for detecting lighting equipment failure of the teaching buildings. It uses the distributed control system， and the slaves are installed in each classroom， corridor or other areas to collect the power consumption information and fault identification of lighting electrical appliances. The master receives the information from slaves and uploads it to the cloud platform. The LoRa wireless communication is used between the master and slaves. The system can realize the visualization of lighting equipment failure， real-time data upload， alarm and other functions.

Keywords： lighting equipment failure; automatic detection; LoRa communication; cloud platform

0? 引? 言

教學(xué)樓照明設(shè)備數(shù)量眾多，各種照明電器設(shè)備長期使用會(huì)造成內(nèi)部器件故障和損壞，如果不及時(shí)維修或更換，就會(huì)影響正常教學(xué)使用，更有甚者引發(fā)火災(zāi)、爆炸、觸電等危險(xiǎn)，然而教學(xué)樓人流量大，不便管理，照明設(shè)備出現(xiàn)故障發(fā)現(xiàn)不及時(shí)。本文提出一種教學(xué)樓照明設(shè)備故障智能報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，以較低的成本實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備故障報(bào)警和維修自動(dòng)化和智能化。系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為中心控制單元，將各個(gè)教室，走廊等區(qū)域劃分成獨(dú)立的檢測(cè)單元點(diǎn)，對(duì)照明設(shè)備的用電參數(shù)進(jìn)行采集與處理[1，2]。主機(jī)與從機(jī)之間通過無線通信模塊進(jìn)行通信，主機(jī)可以通過Wi-Fi實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)功能，解決照明設(shè)備故障可視化低，維修不及時(shí)等問題，實(shí)現(xiàn)用戶在線查看，遠(yuǎn)程提醒等功能[3]。

1? 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

教學(xué)樓照明設(shè)備故障智能報(bào)警系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。系統(tǒng)是由一臺(tái)主機(jī)，多臺(tái)數(shù)據(jù)采集從機(jī)組成。根據(jù)使用環(huán)境及成本考慮，數(shù)據(jù)采集從機(jī)采用非侵入式負(fù)載檢測(cè)方法。從機(jī)安放在教室或者走廊的照明設(shè)備配電柜處，從機(jī)定時(shí)讀取電能檢測(cè)傳感器采集的照明設(shè)備用電數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的用電信息與外置數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，并根據(jù)近期采集的數(shù)據(jù)信息綜合判斷照明設(shè)備是否發(fā)生故障[4]。

當(dāng)從機(jī)檢測(cè)到照明設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，從機(jī)將照明設(shè)備的故障信息和位置信息通過編碼后發(fā)送到主機(jī)，主機(jī)接收各從機(jī)檢測(cè)信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼，同時(shí)上傳至云平臺(tái)，通過云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)故障位置、故障數(shù)量可視化[5]。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1? 從機(jī)硬件設(shè)計(jì)

從機(jī)硬件包含電源電路、數(shù)據(jù)采集電路及無線數(shù)據(jù)通信電路。根據(jù)從機(jī)使用的環(huán)境，采用三級(jí)電壓轉(zhuǎn)換電路，其中第一級(jí)使用AC-DC降壓模塊，將輸入的220 V交流電轉(zhuǎn)換為5V直流電，第二級(jí)使用D0505隔離型電源器件隔離系統(tǒng)中的第一級(jí)電壓轉(zhuǎn)換電路與其他電源，防止第一級(jí)出現(xiàn)故障時(shí)導(dǎo)致整體故障，減少前級(jí)干擾[6]，第三級(jí)使用低壓差線性穩(wěn)壓器AMS1117-3.3 V降壓芯片，用于將隔離后的5 V電源線性穩(wěn)壓成3.3 V電源，為給單片機(jī)和無線通信電路供電。從機(jī)主控芯片采用STM32F103C8T6單片機(jī)作為中心控制單元。由于教學(xué)樓內(nèi)教室數(shù)量多，照明線路復(fù)雜，無線信號(hào)衰減嚴(yán)重等問題，因此無線數(shù)據(jù)通信電路采用基于SX1278芯片的Ra-01 LoRa無線模塊，該模塊具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾性強(qiáng)、功耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于教學(xué)樓這類復(fù)雜的場(chǎng)合。從機(jī)具備外置FLASH存儲(chǔ)單元，防止掉電丟失數(shù)據(jù)，通過將系統(tǒng)第一次上電采集到的照明設(shè)備用電參數(shù)信息存儲(chǔ)，以便后續(xù)從機(jī)進(jìn)行故障判斷和數(shù)據(jù)比對(duì)等功能。

2.2? 主機(jī)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主機(jī)硬件由電源電路和Wi-Fi通信電路組成，其中主機(jī)的電源電路類似于從機(jī)，由于主機(jī)僅具有與從機(jī)通信和設(shè)備故障信息上傳功能，所以電源電路可分為兩級(jí)電壓轉(zhuǎn)換電路，第一級(jí)通過AC-DC降壓模塊，實(shí)現(xiàn)220 V交流電轉(zhuǎn)換成5 V直流電，第二級(jí)采用LDO低壓差線性穩(wěn)壓器，將第一級(jí)輸出的5 V電壓轉(zhuǎn)換為單片機(jī)芯片所需的3.3 V電壓。主機(jī)系統(tǒng)和Wi-Fi通信電路均采用AMS1117-3.3 V電源芯片提供3.3 V電源。通過Wi-Fi模塊，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)功能[7]。云平臺(tái)設(shè)備狀態(tài)顯示如圖2所示，柱狀圖表示不同時(shí)間段照明設(shè)備的最大功率，儀表盤表示照明設(shè)備的故障數(shù)量。1～4號(hào)房間分別擁有27個(gè)燈管，每個(gè)燈管功率為40瓦，無故障房間的設(shè)備最大功率為1 080瓦左右，對(duì)于出現(xiàn)故障的房間，其設(shè)備最大功率為1 080瓦減去故障數(shù)量的瓦數(shù)。

2.3? 電能采集檢測(cè)電路

電能采集方式可分為非隔離采樣和互感器采樣，非隔離采樣的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單、成本低、體積小，由于非隔離采樣是通過電阻分壓后測(cè)量強(qiáng)電，電路板會(huì)帶有強(qiáng)電，所以有一定的安全風(fēng)險(xiǎn);而互感器采樣能有效避免這個(gè)問題，同時(shí)互感器采樣不易受溫度的影響，綜合考慮，選取互感器采樣作為該系統(tǒng)電能采集方式。電能采集檢測(cè)電路由HLW8110電能計(jì)量芯片及其外圍電路組成，電能采集檢測(cè)電路如圖3所示，HLW8110芯片可測(cè)量有功功率、視在功率、電壓、電流有效值等用電設(shè)備的用電參數(shù)，芯片內(nèi)部提供一路電壓檢測(cè)通道和一路電流檢測(cè)通道，可以與不同量程的互感器連接[8]。芯片電流采樣使用變比為1 000：1精密型電流互感器與被測(cè)設(shè)備用電電流進(jìn)行隔離，通過采樣電阻采樣和低通濾波實(shí)現(xiàn)隔離電流采樣，電壓采樣部分采用變比為1 000：1 000精密電流型電壓互感器，通過分壓電阻實(shí)現(xiàn)降壓限流，由電壓互感器隔離后經(jīng)采樣電阻與低通濾波實(shí)現(xiàn)隔離電壓采樣。從機(jī)通過串口讀寫HLW8110芯片內(nèi)部功率寄存器和電壓/電流寄存器，根據(jù)下面公式計(jì)算功率。

上式中：P指有功功率，PowerPA指通道A有功功率有效值，PowerPAC指通道A有功功率轉(zhuǎn)換系數(shù)，K1指電流系數(shù)，K2指電壓系數(shù)。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1? 從機(jī)程序設(shè)計(jì)

從機(jī)程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示，從機(jī)首先初始化各部分外設(shè)，分時(shí)讀取電能傳感器內(nèi)部功率寄存器并計(jì)算照明設(shè)備用電功率，當(dāng)照明設(shè)備出現(xiàn)故障后，從機(jī)通過無線傳輸模塊將故障信息發(fā)送給主機(jī)，等待主機(jī)響應(yīng)。

3.2? 主機(jī)程序設(shè)計(jì)

主機(jī)主要完成接收從機(jī)故障信息和數(shù)據(jù)上傳功能，主機(jī)程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示。主機(jī)通過AT指令配置ESP-12F Wi-Fi模塊接入到OneNET云平臺(tái)，主機(jī)等待接收故障信息，期間通過發(fā)送心跳包，時(shí)刻保持云平臺(tái)在線。對(duì)故障信息數(shù)據(jù)解碼，將需要上傳的數(shù)據(jù)編寫到特定格式的報(bào)文中，通過Wi-Fi模塊發(fā)送至云平臺(tái)存儲(chǔ)與顯示。

4? 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

通過使用USB-TTL模塊連接主機(jī)的測(cè)試串口端子，進(jìn)行本系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)測(cè)試，數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)測(cè)試如圖6所示。在PC上使用串口調(diào)試助手窗口模擬云平臺(tái)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。串口調(diào)試助手模擬云平臺(tái)下發(fā)送連接成功標(biāo)識(shí)“Ready-HOST”，主機(jī)進(jìn)入接收模式，等待從機(jī)發(fā)送故障信息，對(duì)接收到的故障信息進(jìn)行編碼后發(fā)送至云平臺(tái)。經(jīng)過測(cè)試，主從機(jī)數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)上傳及時(shí)，在測(cè)試過程中未出現(xiàn)接收數(shù)據(jù)亂碼和數(shù)據(jù)上傳錯(cuò)誤。

5? 結(jié)? 論

教學(xué)樓照明設(shè)備故障智能報(bào)警系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)，通過使用無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)數(shù)據(jù)通信，從機(jī)主要完成故障檢測(cè)和識(shí)別，主機(jī)主要完成故障信息接收和上傳云平臺(tái)功能。經(jīng)過測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，數(shù)據(jù)采集和上傳穩(wěn)定，云平臺(tái)顯示數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。基本滿足教學(xué)樓照明設(shè)備故障報(bào)警功能。

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作者簡介：張壯（1998.06—），男，漢族，河南駐馬店人，本科在讀，研究方向：應(yīng)用電子技術(shù);通訊作者：張素君（1978.04—），女，漢族，河南安陽人，講師，碩士，研究方向：智能優(yōu)化算法、生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度;聞波（2000.04—），男，漢族，河南駐馬店人，本科在讀，研究方向：應(yīng)用電子技術(shù);吳龍（2000.10—），男，漢族，河南駐馬店人，本科在讀，研究方向：應(yīng)用電子技術(shù);鄧文平（2001.04—），男，漢族，河南安陽人，本科在讀，研究方向：應(yīng)用電子技術(shù)。