教學(xué)樓照明設(shè)備故障智能報警系統(tǒng)設(shè)計

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，由于無人及時通知后勤維修部門，導(dǎo)致維修不及時，影響正常教學(xué)。針對上述情況，設(shè)計一款檢測教學(xué)樓內(nèi)照明設(shè)備故障報警系統(tǒng)，采用集散控制系統(tǒng)，從機分布在各個教室、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別，主機接收從機信息并上傳云平臺。主機與從機之間采用LoRa無線通信，系統(tǒng)可以實現(xiàn)照明設(shè)備故障可視化，數(shù)據(jù)實時上傳，報警等功能。

關(guān)鍵詞：照明設(shè)備故障;自動檢測;LoRa通信;云平臺

中圖分類號：TP277? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：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)備長期使用會造成內(nèi)部器件故障和損壞，如果不及時維修或更換，就會影響正常教學(xué)使用，更有甚者引發(fā)火災(zāi)、爆炸、觸電等危險，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。本文提出一種教學(xué)樓照明設(shè)備故障智能報警系統(tǒng)的設(shè)計方案，以較低的成本實現(xiàn)照明設(shè)備故障報警和維修自動化和智能化。系統(tǒng)以STM32單片機為中心控制單元，將各個教室，走廊等區(qū)域劃分成獨立的檢測單元點，對照明設(shè)備的用電參數(shù)進行采集與處理[1，2]。主機與從機之間通過無線通信模塊進行通信，主機可以通過Wi-Fi實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳云平臺功能，解決照明設(shè)備故障可視化低，維修不及時等問題，實現(xiàn)用戶在線查看，遠程提醒等功能[3]。

1? 系統(tǒng)整體設(shè)計

教學(xué)樓照明設(shè)備故障智能報警系統(tǒng)整體設(shè)計框架如圖1所示。系統(tǒng)是由一臺主機，多臺數(shù)據(jù)采集從機組成。根據(jù)使用環(huán)境及成本考慮，數(shù)據(jù)采集從機采用非侵入式負載檢測方法。從機安放在教室或者走廊的照明設(shè)備配電柜處，從機定時讀取電能檢測傳感器采集的照明設(shè)備用電數(shù)據(jù)，對采集到的用電信息與外置數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)比對，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]。

當從機檢測到照明設(shè)備出現(xiàn)故障時，從機將照明設(shè)備的故障信息和位置信息通過編碼后發(fā)送到主機，主機接收各從機檢測信息并進行數(shù)據(jù)解碼，同時上傳至云平臺，通過云平臺實現(xiàn)故障位置、故障數(shù)量可視化[5]。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1? 從機硬件設(shè)計

從機硬件包含電源電路、數(shù)據(jù)采集電路及無線數(shù)據(jù)通信電路。根據(jù)從機使用的環(huán)境，采用三級電壓轉(zhuǎn)換電路，其中第一級使用AC-DC降壓模塊，將輸入的220 V交流電轉(zhuǎn)換為5V直流電，第二級使用D0505隔離型電源器件隔離系統(tǒng)中的第一級電壓轉(zhuǎn)換電路與其他電源，防止第一級出現(xiàn)故障時導(dǎo)致整體故障，減少前級干擾[6]，第三級使用低壓差線性穩(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，為給單片機和無線通信電路供電。從機主控芯片采用STM32F103C8T6單片機作為中心控制單元。由于教學(xué)樓內(nèi)教室數(shù)量多，照明線路復(fù)雜，無線信號衰減嚴重等問題，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、抗干擾性強、功耗低、可靠性高等優(yōu)點，非常適用于教學(xué)樓這類復(fù)雜的場合。從機具備外置FLASH存儲單元，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，以便后續(xù)從機進行故障判斷和數(shù)據(jù)比對等功能。

2.2? 主機硬件設(shè)計

系統(tǒng)主機硬件由電源電路和Wi-Fi通信電路組成，其中主機的電源電路類似于從機，由于主機僅具有與從機通信和設(shè)備故障信息上傳功能，所以電源電路可分為兩級電壓轉(zhuǎn)換電路，第一級通過AC-DC降壓模塊，實現(xiàn)220 V交流電轉(zhuǎn)換成5 V直流電，第二級采用LDO低壓差線性穩(wěn)壓器，將第一級輸出的5 V電壓轉(zhuǎn)換為單片機芯片所需的3.3 V電壓。主機系統(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，可實現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)上傳云平臺功能[7]。云平臺設(shè)備狀態(tài)顯示如圖2所示，柱狀圖表示不同時間段照明設(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號房間分別擁有27個燈管，每個燈管功率為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量強電，電路板會帶有強電，所以有一定的安全風險;而互感器采樣能有效避免這個問題，同時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。電能采集檢測電路由HLW8110電能計量芯片及其外圍電路組成，電能采集檢測電路如圖3所示，HLW8110芯片可測量有功功率、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通道和一路電流檢測通道，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設(shè)備用電電流進行隔離，通過采樣電阻采樣和低通濾波實現(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現(xiàn)隔離電壓采樣。從機通過串口讀寫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

3.1? 從機程序設(shè)計

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

3.2? 主機程序設(shè)計

主機主要完成接收從機故障信息和數(shù)據(jù)上傳功能，主機程序設(shè)計流程如圖5所示。主機通過AT指令配置ESP-12F Wi-Fi模塊接入到OneNET云平臺，主機等待接收故障信息，期間通過發(fā)送心跳包，時刻保持云平臺在線。對故障信息數(shù)據(jù)解碼，將需要上傳的數(shù)據(jù)編寫到特定格式的報文中，通過Wi-Fi模塊發(fā)送至云平臺存儲與顯示。

4? 實驗測試

通過使用USB-TTL模塊連接主機的測試串口端子，進行本系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)上傳云平臺測試，數(shù)據(jù)上傳云平臺測試如圖6所示。在PC上使用串口調(diào)試助手窗口模擬云平臺接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。串口調(diào)試助手模擬云平臺下發(fā)送連接成功標識“Ready-HOST”，主機進入接收模式，等待從機發(fā)送故障信息，對接收到的故障信息進行編碼后發(fā)送至云平臺。經(jīng)過測試，主從機數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)上傳及時，在測試過程中未出現(xiàn)接收數(shù)據(jù)亂碼和數(shù)據(jù)上傳錯誤。

5? 結(jié)? 論

教學(xué)樓照明設(shè)備故障智能報警系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)，通過使用無線通信技術(shù)實現(xiàn)主機與從機數(shù)據(jù)通信，從機主要完成故障檢測和識別，主機主要完成故障信息接收和上傳云平臺功能。經(jīng)過測試，系統(tǒng)運行效果良好，數(shù)據(jù)采集和上傳穩(wěn)定，云平臺顯示數(shù)據(jù)準確，可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能?；緷M足教學(xué)樓照明設(shè)備故障報警功能。

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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)。