基于STM32單片機的多功能防盜電電表箱的設(shè)計

劉思宇 周穎琦 王嘉浩 李冬潔

摘要：在如今科技日新月異的時代，越來越多的科技產(chǎn)品走進人們的日常生活。但隨之而來的是用電量的大幅增長。有些別有用心的人為了逃避電費，會進行盜電行為。盜電行為不僅會導(dǎo)致供電公司的收入減少，更嚴(yán)重的是會帶來一系列的安全隱患。因此，本文介紹了一款采用STM32單片機設(shè)計的多功能防盜電電表箱。這款電表箱不僅可以有效地避免盜電問題的發(fā)生，還能檢測電表內(nèi)設(shè)備的運行狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：防盜電；STM32；安全隱患；狀態(tài)監(jiān)測

本文旨在介紹一種多功能防盜電表箱的設(shè)計，以解決盜電問題并保護電網(wǎng)末端安全。同時，本設(shè)計的元件成本相對較低，不會給供電公司帶來過大負擔(dān)，也不會成為推廣的障礙。此外，本設(shè)計還可以與智能抄表系統(tǒng)結(jié)合使用，降低通信成本。但是，本設(shè)計仍存在一些不足之處，例如需要增加攝像頭拍照功能和遠程開門功能，以提供更好的用戶體驗和更便捷的運維工作。這些不足之處將在今后的工作中得以完善。

一、功能與概述

（一）概述

本次設(shè)計的多功能防盜電電表箱，外殼依舊采用現(xiàn)在所使用的電表箱。在其內(nèi)部通過加入門磁開關(guān)模塊、紅外對射模塊、蜂鳴器、電流互感線圈模塊、NB-IOT模塊來實現(xiàn)具體功能。電流互感線圈模塊安裝在整個電表箱內(nèi)，監(jiān)測電流的變化。門磁開關(guān)安裝在電表箱的箱門與箱體之間，當(dāng)電表箱開門時，電平信號會改變；紅外對射模塊安裝在箱門中間位置和對面箱體的位置，保持相對的狀態(tài)。當(dāng)箱門被打開或箱門被破壞時，對射狀態(tài)會改變。當(dāng)上述兩種狀態(tài)任意一種發(fā)生改變時，MCU接收信號后根據(jù)預(yù)設(shè)的通信協(xié)議編譯通信信息，利用NB-IOT模塊將通信信息發(fā)送到服務(wù)，并觸發(fā)蜂鳴器發(fā)出警報音。服務(wù)端根據(jù)接收到的信息進行對應(yīng)操作。如接收到門磁開關(guān)電平信號改變，將出現(xiàn)這種情況的電表箱編號發(fā)送給對應(yīng)的維護人員。本系統(tǒng)主要解決了分散的電表箱難以巡查和維護的問題，大大降低了維護人員的工作難度。

（二）功能

1.日常監(jiān)測

通過使用電流互感線圈模塊監(jiān)測整個電表箱內(nèi)的電流，定時將采集結(jié)果發(fā)送到服務(wù)端。在服務(wù)端設(shè)定電流閾值或預(yù)計用電與實際用電差距較大時，可以觸發(fā)監(jiān)控報警并反饋信息給維護人員進行排查。

2.防盜報警

通過使用門磁開關(guān)模塊判斷電表箱的箱門是否被打開，通過紅外對射模塊確保箱體在正常狀態(tài)下。當(dāng)出現(xiàn)異常開門或箱體被破壞時，會通過蜂鳴器發(fā)出警報音并將信息發(fā)送到服務(wù)端。

3.服務(wù)后臺

電表箱采集到的各種信息可以利用NB-IOT模塊發(fā)送到服務(wù)后臺，后臺可根據(jù)預(yù)設(shè)的管理規(guī)則將對應(yīng)的信息發(fā)送給指定維護人員。

二、設(shè)計方案

（一）STM32F103C8T6主控單片機

本次設(shè)計采用ST公司開發(fā)的STM32F103C8T6單片機為主控單片機。該單片機基于ARM Cortex-M 3開發(fā)，采用LQFP48封裝，并具有37個GPIO引腳。本次設(shè)計主要使用GPIO引腳來接收門磁開關(guān)和紅外對射模塊的電平信號。同時，此款單片機內(nèi)置USRAT和ADC模塊，可使用USRAT發(fā)送經(jīng)過通信協(xié)議編輯的信息給NB-IOT模塊，使用ADC模塊接收電流互感線圈監(jiān)測的電流變化。

（二）電流互感線圈模塊

本次設(shè)計采用的電流互感線圈模塊規(guī)格為：額定輸入電流為200A，額定輸出電流為5A，孔徑為65mm。整個模塊安裝在電表箱內(nèi)，接入主電路。每天根據(jù)設(shè)定的多個采集時間點，定時監(jiān)測電路中的電流大小。通過長期地監(jiān)測，還可以在服務(wù)端設(shè)定電流閾值。當(dāng)電流變化超過閾值時，會觸發(fā)報警，并將信息反饋給維護人員進行現(xiàn)場排查。同時，對電流的監(jiān)測與統(tǒng)計可以粗略計算出該表箱內(nèi)的用電量。如果實際的用電量與粗略計算的用電量差異過大，也可以通知維護人員進行現(xiàn)場排查。

（三）門磁開關(guān)模塊

本次設(shè)計采用的門磁模塊為MC-51常閉型模塊，安裝位置為電表箱門邊緣與箱體邊緣。當(dāng)箱門關(guān)閉時，門磁互相吸附，門磁模塊所接入的電路處于導(dǎo)通狀態(tài)。單片機GPIO引腳接收到高電平信號。當(dāng)箱門打開時，門磁模塊所接入的電路斷開。單片機GPIO引腳由高電平轉(zhuǎn)變成為低電平，引腳電平變化觸發(fā)單片機執(zhí)行信息發(fā)送程序。單片機按照預(yù)定的通信協(xié)議將箱門打開的信息發(fā)送給服務(wù)端，并同時控制蜂鳴器發(fā)出警報音。

（四）紅外對射模塊

本次設(shè)計采用的紅外對射模塊為常見的紅外對射二極管。本系統(tǒng)中配置一收一發(fā)兩個紅外對射二極管。一個紅外對射二極管垂直安裝在電表箱門中間位置，箱體內(nèi)部發(fā)射紅外線；另一個紅外對射二極管垂直安裝在電表箱體底部，用于接收從箱門側(cè)射來的紅外線。當(dāng)電表箱關(guān)閉時，這一發(fā)一收兩個二極管正常對射，此時單片機的GPIO引腳接收到高電平信號。但是，當(dāng)箱門被打開或者箱體正面被盜電者開洞破壞時，可能會破壞二極管的供電電路或破壞對射狀態(tài)。這樣對射狀態(tài)發(fā)生改變，單片機的GPIO引腳由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)報警程序，將信息發(fā)送給服務(wù)端并控制蜂鳴器發(fā)出警報。

（五）NB-IOT模塊

本次設(shè)計采用的NB-IOT模塊是移遠公司的BC260Y模塊。不論是定時向平臺發(fā)送心跳信號，還是在報警情況下發(fā)送信息，都是通過單片機與BC260Y模塊進行通信來實現(xiàn)的。具體工作流程如下：當(dāng)需要將信息發(fā)送給服務(wù)端時，單片機會通過TTL電平將要發(fā)送的信息以AT指令的方式發(fā)送給BC260Y模塊。BC260Y模塊會根據(jù)AT指令的要求進行工作，將信息發(fā)送給服務(wù)端。這樣就實現(xiàn)了單片機與NB-IOT模塊之間的通信，將信息傳輸?shù)椒?wù)端。

三、通信協(xié)議

單片機使用NB-IOT模塊將信息發(fā)送給服務(wù)端時，需要預(yù)先使用預(yù)設(shè)的通信協(xié)議對信息進行編碼。當(dāng)信息通過NB-IOT模塊到達服務(wù)端時，服務(wù)端會根據(jù)通信協(xié)議對信息進行解析，以判斷電表箱的編號，判斷發(fā)送信息是日常心跳還是報警，并讀取信息中攜帶的電流信息等內(nèi)容。因此，通信協(xié)議的規(guī)劃如下：協(xié)議由8個部分組成，信息總長度為固定的18個字節(jié)。這些部分包括起始位（1字節(jié)）、信息類型（1字節(jié)）、電表箱編號（4字節(jié)）、門磁開關(guān)模塊信息（4位）、紅外對射狀態(tài)信息（4位）、電流信息（2字節(jié)）、預(yù)留位置（5字節(jié)）和校驗位（4字節(jié)）。

起始位令字節(jié)各位全為“1”即十六進制的“FF”，作為信息的起始標(biāo)志。信息類型分為兩類，一類為日常的心跳信息，采用“AA”表示；另一類為報警信息，采用“F5”表示。電表箱編號在單片機程序?qū)懭霑r記錄在EEPROM中，每次發(fā)送只需讀取對應(yīng)位置的值。門磁開關(guān)的信息和紅外對射狀態(tài)信息用一個字節(jié)表示，其中高4位表示門磁，低4位表示紅外對射。正常狀態(tài)下，門磁常閉導(dǎo)通，紅外對射正常，發(fā)送的信號為“1”，改變狀態(tài)時，信號由“1”變?yōu)椤?”。電流信息采用2個字節(jié)的16位進行發(fā)送，其中低4位表示小數(shù)部分，高12位表示整數(shù)部分。在單片機獲取電流信息并準(zhǔn)備發(fā)送時，首先對電流信息進行處理，保留電流小數(shù)點后1位的數(shù)據(jù)，并將小數(shù)部分和整數(shù)部分按要求改變成為16位的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給NB-IOT模塊。本次采用的校驗采用32位的CRC校驗來進行數(shù)據(jù)校驗。

四、結(jié)束語

本次設(shè)計的多功能防盜電電表箱立足于實際應(yīng)用場景中，以解決盜電問題為出發(fā)點，對電網(wǎng)末端起到一定的保護作用。同時，本次設(shè)計所采用的元件成本較低，對供電公司的投入不會產(chǎn)生過大負擔(dān)，也不會成為推廣的阻礙。最后，本次設(shè)計還具有一定的延展性，可以與智能抄表系統(tǒng)結(jié)合使用，降低通信成本。然而，本次設(shè)計仍有不足之處。在控制成本的前提下，可以增加攝像頭拍照功能，用于保存盜電情況的證據(jù)。同時還可以增加遠程開門功能，通過服務(wù)端下發(fā)開門指定，實現(xiàn)電表箱自動開門，這將極大地方便底層運維工作。

作者單位：劉思宇 周穎琦 王嘉浩 河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院

李冬潔 國網(wǎng)濮陽分公司

參? 考? 文? 獻

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劉思宇（1992.12-），男，滿族，遼寧綏中，碩士研究生，研究方向：模式識別；

周穎琦（1984.03-），男，漢族，河南滎陽，本科，高校講師，研究方向：計算機科學(xué)與技術(shù)；

李冬潔（1992.12-），男，漢族，河南濮陽，碩士研究生，研究方向：通信工程。