基于5G通信技術(shù)的三相缺相報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：ARM最小控制系統(tǒng)；缺相報(bào)警；5G技術(shù)；信號傳輸；三相交流系統(tǒng)；手機(jī)云臺

0 引言

三相缺相報(bào)警系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備、電力系統(tǒng)、自動化生產(chǎn)線等需要監(jiān)測三相電源狀態(tài)的領(lǐng)域，其重要性不言而喻。該系統(tǒng)能夠?qū)θ嚯娐返倪\(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測并報(bào)警，有效防止因缺相導(dǎo)致的設(shè)備損壞和人身安全事故?；?G通信的三相缺相報(bào)警系統(tǒng)結(jié)合了5G通信技術(shù)高帶寬、低延遲和廣覆蓋的優(yōu)勢，以及三相缺相檢測電路的實(shí)用性，適用于各種三相交流電系統(tǒng)的缺相保護(hù)需求[1]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

該系統(tǒng)采用分層架構(gòu)設(shè)計(jì)，包括感知層、傳輸層、服務(wù)層和應(yīng)用層，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

感知層是系統(tǒng)信息采集的關(guān)鍵部分，能夠檢測三相電源的缺相信息，采集環(huán)境溫度，并通過紅外技術(shù)檢測人體信息，然后將數(shù)據(jù)通過通信設(shè)備進(jìn)行傳輸。

傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和傳輸。5G通信技術(shù)的引入，以其高帶寬、低時延和廣覆蓋的顯著特點(diǎn)，為三相缺相報(bào)警系統(tǒng)與云服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸提供了強(qiáng)有力的支持。5G通信技術(shù)顯著提升了信息上行傳輸和下行回傳的速度，加快了數(shù)據(jù)的處理與流通效率，為實(shí)時分析和決策提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時也極大地方便了管理員的操作[1]。

服務(wù)層負(fù)責(zé)接收和處理來自傳輸層的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、整理和分析。通過數(shù)據(jù)分析，服務(wù)層能夠預(yù)測三相缺相報(bào)警的變化趨勢，并為用戶提供實(shí)時預(yù)警和決策支持。服務(wù)層將分析結(jié)果以直觀的方式展示給用戶，幫助用戶更好地了解和應(yīng)對安全問題。

應(yīng)用層為業(yè)主用戶、維保單位和管理人員提供服務(wù)，根據(jù)用戶角色進(jìn)行權(quán)限管理，確保數(shù)據(jù)訪問權(quán)限的安全性。應(yīng)用層通過云平臺實(shí)時接收傳感器數(shù)據(jù)，并通過Web端和移動端App將信息展示給用戶。

當(dāng)系統(tǒng)檢測到三相電源中的某一相或多相缺失時，會立即發(fā)出聲光報(bào)警信號，提醒工作人員及時采取措施，以避免故障擴(kuò)大。當(dāng)檢測到缺相現(xiàn)象時，系統(tǒng)會及時切斷電源，啟動備用電池為報(bào)警模塊供電，從而防止設(shè)備因缺相而損壞，減少維修成本并延長設(shè)備使用壽命。發(fā)生缺相報(bào)警時，在工作人員進(jìn)行維修作業(yè)過程中，系統(tǒng)會通過紅外檢測功能將維修時間記錄上報(bào)至云平臺。系統(tǒng)通過實(shí)時監(jiān)測環(huán)境溫度并及時上報(bào)報(bào)警信息，可以有效預(yù)防潛在的安全隱患，提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，保障電力系統(tǒng)與工業(yè)生產(chǎn)的安全運(yùn)行。系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，通過5G通信技術(shù)將報(bào)警信息上傳至云平臺，工作人員可實(shí)時查看系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警信息，并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與操作，從而提高工作效率和便捷性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖2 所示，主要包含STM32F103C8T6控制芯片、三相缺相檢測電路、液晶顯示電路、紅外人體靠近檢測電路、語音電路、5G報(bào)警信息上傳電路、鋰電池充放電電路以及語音聲控電路。

2.1 ARM 最小控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用STM32F103C8T6 作為核心控制芯片，這是一款基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，具備高性能和低功耗的特點(diǎn)[2]，適用于各種嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。STM32F103C8T6 芯片集成了ARM Cortex-M3內(nèi)核、閃存和SRAM，并提供豐富的外部接口與功能，以滿足系統(tǒng)需求。電路原理圖如圖3 所示，STM32F103C8T6芯片的集成特性使其能夠滿足系統(tǒng)的多樣化需求[3]。

為了確保STM32F103C8T6芯片能夠正常工作并便于程序內(nèi)部倍頻，系統(tǒng)選用了8MHz的晶體振蕩器和兩個22pF 的電容作為時鐘源，連接到芯片的OSC_IN和OSC_OUT引腳上，為電路提供時鐘信號[4]。系統(tǒng)還包含LED指示燈、按鍵等外設(shè)電路，這些外設(shè)連接到芯片的SDIO引腳，并添加相關(guān)的電阻、電容等元器件以進(jìn)行保護(hù)和控制。

此外，系統(tǒng)還包含5G通信接口引腳、三相缺相模擬檢測輸入引腳、液晶驅(qū)動接口引腳、語音報(bào)警輸出引腳、紅外檢測接口引腳以及溫度檢測輸入引腳等，用于連接外部器件。系統(tǒng)接收傳感器的輸入信號，并根據(jù)CPU內(nèi)部設(shè)定的程序?qū)斎胄盘栠M(jìn)行判定，然后驅(qū)動系統(tǒng)中的執(zhí)行設(shè)備完成相應(yīng)指令。

2.2 電源模塊

電源電路為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，確保芯片和其他外圍器件能夠正常工作。該電源電路如圖4所示，將輸入的220V交流電轉(zhuǎn)換為24V直流電，并進(jìn)一步通過LM2596和AMS1117芯片分別得到5V和3V的直流輸出，以供系統(tǒng)使用。電源電路包含穩(wěn)壓芯片和濾波電容，用于降低輸出紋波，提高帶載能力。

系統(tǒng)在檢測到缺相現(xiàn)象時，會及時切斷電源，啟動備用電池為報(bào)警模塊供電，以防止設(shè)備因缺相而損壞，從而減少維修成本。系統(tǒng)使用TP4056芯片進(jìn)行備用電池的充電，當(dāng)外部電源斷開時，系統(tǒng)會立即切換至備用電池供電，為ARM最小控制系統(tǒng)及5G模塊提供電力，并上報(bào)報(bào)警信息。

2.3 5G 通信模塊

該系統(tǒng)選用移遠(yuǎn)通信的RG200U-CN 模塊作為5G通信模塊，這是一款專門為物聯(lián)網(wǎng)和高速數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用設(shè)計(jì)的5G模塊，支持NSA和SA兩種5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，確保在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下都能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效的數(shù)據(jù)傳輸。RG200U-CN模塊采用Mini PCIe接口封裝，體積小巧，便于連接各種設(shè)備。模塊內(nèi)部集成了豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和外設(shè)接口，支持多種驅(qū)動和軟件功能，提供靈活多樣的配置選項(xiàng)。

RG200U-CN模塊專為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和增強(qiáng)移動寬帶（eMBB）應(yīng)用量身打造。它具備卓越的兼容性，支持NSA和SA兩種5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，確保在各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下都能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效的數(shù)據(jù)傳輸[5]。此模塊采用MiniPCIe接口封裝，使得模塊在尺寸上更加緊湊，同時確保了與各種設(shè)備的便捷連接。模塊內(nèi)部集成了豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和外設(shè)接口，支持多種驅(qū)動和軟件功能，為用戶提供了靈活多樣的配置選項(xiàng)[6]。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，RG200U-CN模塊展現(xiàn)出了極高的穩(wěn)定性和可靠性，其卓越性能使其特別適用于高速數(shù)據(jù)傳輸場景，能夠滿足需要快速響應(yīng)的IoT應(yīng)用。本模塊可以將ARM最小控制系統(tǒng)中得到的三相缺相報(bào)警信息、人體紅外檢測信息及環(huán)境溫度檢測信息上傳至手機(jī)云平臺，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控功能。

2.4 三相缺相模擬檢測模塊

本模塊用于檢測三相電源中是否存在缺相現(xiàn)象，電路原理圖如圖5所示。本系統(tǒng)中的缺相檢測模塊包含三個缺相檢測端子J501、J502、J503，分別代表三相電A 相、B 相和C 相。黃燈D501、綠燈D502 和紅燈D503分別為A、B、C三相的帶電指示燈。當(dāng)每一相供電正常時，對應(yīng)的指示燈熄滅；當(dāng)短接J501、J502或J503中的任一端子時，模擬該相電缺相，且對應(yīng)指示燈點(diǎn)亮[7]。

本系統(tǒng)采用TLP185光電耦合器檢測缺相信號，由STM32F103C8T6芯片的10、11、12腳接收A、B、C相位信息。當(dāng)未出現(xiàn)缺相時，對應(yīng)引腳輸入為高電平；而當(dāng)出現(xiàn)缺相時，驅(qū)動該相對應(yīng)的光電耦合器工作，將對應(yīng)引腳的電位拉低，同時點(diǎn)亮對應(yīng)的缺相指示燈[8]。

2.5 液晶驅(qū)動模塊

本模塊負(fù)責(zé)將圖像數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為液晶屏能夠理解的格式，并控制液晶屏的顯示。在本系統(tǒng)中，液晶屏顯示缺相信息、語音報(bào)警信息、紅外檢測信息及環(huán)境溫度信息，電路原理圖如圖6所示。

本系統(tǒng)采用LCD1602工業(yè)字符型液晶顯示屏，它由字符型液晶顯示屏（LCD） 、控制驅(qū)動主電路HD44780及其擴(kuò)展驅(qū)動電路、少量電阻、電容元件和結(jié)構(gòu)件等組成，可以同時顯示兩行，每行16個字符，共32 個字符。LCD1602主要由STM32F103C8T6芯片控制，負(fù)責(zé)將外部輸入的數(shù)據(jù)和指令轉(zhuǎn)化為液晶的顯示。

LCD1602的驅(qū)動方式包括寫入模式和顯示模式。在寫入模式下，STM32F103C8T6 芯片向LCD1602 發(fā)送所需顯示的字母、數(shù)字或符號的ASCII碼，并通過引腳將這些數(shù)據(jù)傳遞給驅(qū)動器。驅(qū)動器將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為高低電平信號，進(jìn)而建立電場，控制液晶分子的排列狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)像素的顯示。

2.6 語音報(bào)警模塊

本模塊是一種基于特定芯片和電路設(shè)計(jì)的報(bào)警系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，它用于播報(bào)缺相信息及有人靠近的提醒，能夠?yàn)楝F(xiàn)場工作人員提供安全保護(hù)。原理圖如圖7所示。

該部分電路包括KT404C語音芯片、W25Q80存儲器、HAA2018功放、USB接口以及用于數(shù)據(jù)更新和連接的MICROUSB。語音文件通過MICROUSB接口從CPU傳輸?shù)絎25Q80存儲器中，KT404C語音芯片從W25Q80 中讀取語音文件，并根據(jù)需要控制HAA2018功放進(jìn)行播放。通過串口UART，可以實(shí)現(xiàn)對KT404C的精確控制。

2.7 紅外檢測模塊

本模塊由Biss0001芯片、熱釋電紅外傳感器（PIR） 和少量外接元器件組成，這是一款高性能的傳感信號處理電路，主要應(yīng)用于紅外檢測領(lǐng)域。原理圖如圖8所示。

電路包含數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)，Biss0001芯片是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構(gòu)成的數(shù)模混合專用集成電路。當(dāng)有人或其他物體進(jìn)入探測器的探測范圍時，PIR會探測到紅外輻射并將其轉(zhuǎn)換為電信號。該信號經(jīng)過運(yùn)算放大器的放大和雙向鑒幅器的處理后，由Biss0001芯片進(jìn)行分析和判斷。如果信號超過一定的閾值或持續(xù)時間，芯片會輸出控制信號，觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警，并上傳至5G云平臺，同時語音播報(bào)“有電危險(xiǎn)”。

2.8 溫度檢測模塊

本模塊包含環(huán)境溫度檢測功能，能夠?qū)崟r采集環(huán)境溫度，并通過液晶顯示屏顯示，同時通過5G網(wǎng)絡(luò)上傳到手機(jī)云平臺。溫度檢測電路采用NTC 10K電阻式溫度傳感器，通過讀取AD采樣值，計(jì)算出電阻值，根據(jù)相應(yīng)的溫度阻值表，換算成實(shí)際溫度值，并在液晶顯示屏上顯示溫度值。電路原理圖如圖9所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用分層架構(gòu)，主要包括底層驅(qū)動層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)處理層，軟件設(shè)計(jì)流程如圖10所示。當(dāng)設(shè)備上電后，首先對單片機(jī)的時鐘、串口、IC等進(jìn)行基礎(chǔ)初始化，同時對傳感器模塊和5G通信模塊進(jìn)行初始化。初始化成功后，建立5G通信連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。

系統(tǒng)將環(huán)境溫度通過液晶顯示屏進(jìn)行顯示，并將數(shù)據(jù)打包，通過串口通信發(fā)送到5G通信模塊。同時，通過AT指令控制將數(shù)據(jù)上傳。系統(tǒng)還會判斷三相電路是否存在缺相現(xiàn)象，若存在，則進(jìn)行語音和顯示屏報(bào)警，并通過5G通信將報(bào)警信息發(fā)送至手機(jī)云平臺。此外，系統(tǒng)還通過紅外傳感器檢測是否有人存在，若有，則通過5G通信將信息發(fā)送至手機(jī)云平臺，并進(jìn)入低功耗模式。

4 系統(tǒng)平臺搭建

系統(tǒng)平臺采用云-邊協(xié)同架構(gòu)，云平臺負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲、處理、分析和用戶交互，而邊緣設(shè)備則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和初步處理，通過5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4.1 云平臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在三相缺相報(bào)警系統(tǒng)中，云平臺處于絕對核心地位，不僅處理和分析來自傳輸層的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，還為用戶提供了一個直觀、友好的可視化操作界面。云平臺具備實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)控功能，能夠準(zhǔn)確反映三相缺相報(bào)警系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并及時識別異常情況，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和安全性。

在本設(shè)計(jì)中，我們選擇了阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺作為云平臺。阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺支持多種主流設(shè)備通信協(xié)議，滿足不同用戶和應(yīng)用場景的需求。該平臺提供產(chǎn)品快速部署、設(shè)備便捷接入等功能，簡化了開發(fā)流程，降低了項(xiàng)目的復(fù)雜度和實(shí)施難度，從而幫助開發(fā)者提高項(xiàng)目開發(fā)效率和運(yùn)行穩(wěn)定性。

云平臺提供高效的數(shù)據(jù)傳輸通道，簡化了數(shù)據(jù)傳輸流程。使用HTTP/2通道技術(shù)，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎头€(wěn)定性。同時，云平臺利用規(guī)則引擎進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時處理，提高數(shù)據(jù)處理效率和響應(yīng)速度。

云平臺與手機(jī)端微信小程序無縫對接，用戶能夠隨時隨地掌握設(shè)備狀態(tài)。微信小程序提供直觀、易用的管理界面，方便用戶管理系統(tǒng)設(shè)備，支持設(shè)備狀態(tài)查看、報(bào)警信息接收和遠(yuǎn)程操作。

4.2 功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)平臺具備數(shù)據(jù)分析、實(shí)時監(jiān)控和報(bào)警處理全跟蹤等功能。

1） 數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力，能夠?qū)鞲衅鲾?shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)潛在的異常情況。系統(tǒng)能夠?qū)θ嗳毕鄨?bào)警進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，及時捕捉潛在隱患并給出預(yù)警，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2） 實(shí)時監(jiān)控。系統(tǒng)具備實(shí)時監(jiān)控功能，能夠?qū)崟r采集環(huán)境溫度、缺相信息等數(shù)據(jù)，并允許用戶設(shè)置數(shù)據(jù)上報(bào)的時間間隔和次數(shù)。

App 實(shí)時監(jiān)控功能如圖11所示。

3） 報(bào)警處理過程全跟蹤。系統(tǒng)具備報(bào)警處理全跟蹤功能，能夠記錄每一個報(bào)警處理過程，并提供故障處理記錄查詢功能。

App報(bào)警受理功能如圖12所示。

5 總結(jié)

本文提出了一種基于5G通信的三相缺相報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合了5G通信技術(shù)的高速數(shù)據(jù)傳輸、低延遲和廣覆蓋優(yōu)勢，并結(jié)合了三相缺相檢測電路和云平臺數(shù)據(jù)分析功能，實(shí)現(xiàn)了三相電源缺相故障的實(shí)時檢測和遠(yuǎn)程報(bào)警。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于各類需要監(jiān)測三相電源狀態(tài)的場所，有效提高電力設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性，為用戶提供更加便捷、高效的設(shè)備管理方式。

本方案適用于各類需要監(jiān)測三相電源狀態(tài)的場所，如工業(yè)生產(chǎn)線、數(shù)據(jù)中心、商業(yè)建筑等[9]。通過集成5G通信技術(shù)和缺相檢測電路，本方案能夠有效提高電力設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性，降低因缺相故障導(dǎo)致的設(shè)備損壞和停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。同時，其智能化管理功能也為用戶提供了更加便捷、高效的設(shè)備管理方式[10]。