基于智能網(wǎng)關(guān)的停電報警器設(shè)計

摘要：停電作為電力系統(tǒng)常見故障，嚴(yán)重影響人們的生活與工作。文章設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于智能網(wǎng)關(guān)的遠(yuǎn)程停電報警器，旨在提供全面監(jiān)測和實時反饋功能，有效改善傳統(tǒng)停電報警方法的延遲問題。該報警器系統(tǒng)由智能網(wǎng)關(guān)、傳感器和報警裝置組成，傳感器負(fù)責(zé)實時監(jiān)測電力系統(tǒng)狀態(tài)，智能網(wǎng)關(guān)處理數(shù)據(jù)并觸發(fā)報警裝置，以實現(xiàn)停電報警。實驗結(jié)果表明，該設(shè)計在檢測停電事件和實現(xiàn)遠(yuǎn)程報警方面表現(xiàn)優(yōu)異，為電力系統(tǒng)故障分析和優(yōu)化提供了重要數(shù)據(jù)支持，為構(gòu)建可靠和智能的電力系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程停電報警器；智能網(wǎng)關(guān)；傳感器技術(shù)；實時報警

中圖分類號：TN911" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

電力是現(xiàn)代社會運轉(zhuǎn)的重要組成部分。然而，停電作為電力系統(tǒng)中的一種常見故障，對人們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的影響，并嚴(yán)重影響重要設(shè)施和關(guān)鍵行業(yè)的正常運作。因此，對電力系統(tǒng)的及時監(jiān)測與報警顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的停電報警方法主要依賴于用戶或運維人員的手動檢測或報警，存在信息傳遞延遲和響應(yīng)不及時的問題。為此，本研究設(shè)計了一種基于智能網(wǎng)關(guān)的遠(yuǎn)程停電報警器，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的全面監(jiān)測和實時反饋［1］，及時發(fā)現(xiàn)停電故障并減少故障排查時間，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的全面監(jiān)測和實時反饋。

1 相關(guān)研究

近年來，由于現(xiàn)代社會對電力監(jiān)測的需求日益增加，停電報警器的研究領(lǐng)域正在向多個前沿方向發(fā)展，以達(dá)到更高的監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)。

例如，基于屬性數(shù)學(xué)理論的評估方法雖然通過3個維度構(gòu)建了一個綜合評估體系，但在某些特定情境下可能無法全面覆蓋所有停電情形［2］。改進(jìn)的OPA模型增強(qiáng)了停電風(fēng)險評估的全面性，但須在不同場景下重新訓(xùn)練參數(shù)，進(jìn)而增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和維護(hù)成本［3］。多源停電數(shù)據(jù)驅(qū)動的輕量化停電感知模型利用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)實現(xiàn)了實時、高精度且低成本的感知，但在深度學(xué)習(xí)模型的應(yīng)用中仍須面對重訓(xùn)練的問題，可能需要大量的數(shù)據(jù)和計算資源［4］。改進(jìn)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型用于大面積停電事件的應(yīng)急情景動態(tài)推演，提高了應(yīng)急決策的準(zhǔn)確性，但模型構(gòu)建復(fù)雜，需專業(yè)知識和技能［5］。多元異構(gòu)數(shù)據(jù)模型融合技術(shù)應(yīng)用于配電網(wǎng)的停電故障研判，雖然提高了研判的準(zhǔn)確性和效率，但是在實際應(yīng)用中須處理不同設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和環(huán)境的異構(gòu)性［6］。采用STM32微控制器和SIM800C通信模塊的熱力站停電報警器注重成本效益，但面臨通信延遲和短信成本較高的問題［7］。新型攜帶型非接觸式停電檢測設(shè)備采用磁電感應(yīng)原理，實現(xiàn)了無須接觸即可進(jìn)行停電檢測的功能，便于攜帶，具有創(chuàng)新性和實用性，但其檢測范圍有限，可能受外部磁場干擾，且初期成本較高［8］。低壓配電網(wǎng)的停電監(jiān)測報警器通過引入地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）平臺提升了監(jiān)測的準(zhǔn)確性，但系統(tǒng)復(fù)雜性和對技術(shù)水平的依賴可能成為新的問題［9］。使用Altium Designer 10開發(fā)的不間斷電源（Uninterruptible Power Supply， UPS）停電報警器確保了停電時系統(tǒng)的正常運行，但是受監(jiān)測范圍和硬件設(shè)備的限制［10］。通過挖掘歷史數(shù)據(jù)來識別停電的模式，雖然具有智能性，但是對算法和數(shù)據(jù)質(zhì)量有較高要求［11］。單片機(jī)控制的停電報警器雖然簡單可靠，但是在全面監(jiān)測停電中具有局限性［12］。

2 技術(shù)選擇

為了解決傳統(tǒng)停電報警系統(tǒng)中的通信延遲和成本問題，本研究提出了一種基于ZigBee網(wǎng)關(guān)的停電報警系統(tǒng)，以彌補(bǔ)現(xiàn)有方案的不足。該系統(tǒng)通過采用ZigBee協(xié)議實現(xiàn)低功耗、短距離通信，有效降低了通信成本和延遲［13-14］。同時，系統(tǒng)通過智能化傳感器提高監(jiān)測精度，避免對復(fù)雜GIS平臺的依賴，并通過UPS，確保系統(tǒng)在停電時的穩(wěn)定運行。利用智能網(wǎng)關(guān)的功能，系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)推送實時消息，增強(qiáng)了靈活性，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，簡化了系統(tǒng)的設(shè)計，同時降低了實施難度。

本停電報警系統(tǒng)專注于停電狀態(tài)的監(jiān)測，在構(gòu)建ZigBee網(wǎng)關(guān)的基礎(chǔ)上為關(guān)鍵場所提供了更為可靠和先進(jìn)的解決方案。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 組件詳解

本系統(tǒng)主要由門窗傳感器、智能網(wǎng)關(guān)、云端服務(wù)器及用戶端應(yīng)用組成。傳感器通過ZigBee協(xié)議向智能網(wǎng)關(guān)發(fā)送停電信號，智能網(wǎng)關(guān)再通過互聯(lián)網(wǎng)將報警信息推送至用戶的手機(jī)應(yīng)用，從而實現(xiàn)全流程的遠(yuǎn)程停電報警功能。此過程通過電磁鐵產(chǎn)生的靜磁場及電源斷電觸發(fā)的傳感器信號來保證停電事件的及時監(jiān)測和通知。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)的架構(gòu)包括傳感器、智能網(wǎng)關(guān)、云端服務(wù)器和用戶端應(yīng)用等。門窗傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測停電事件，通過電磁鐵觸發(fā)開合信號傳送給智能網(wǎng)關(guān)，后者作為信息的橋梁，確保信號傳輸至云端服務(wù)器。云端服務(wù)器處理并存儲數(shù)據(jù)，監(jiān)測停電事件，并將報警信息發(fā)送到用戶的手機(jī)應(yīng)用［15］。用戶通過手機(jī)應(yīng)用可以實時查看報警信息。整個系統(tǒng)通過合理的交互設(shè)計，確保了從傳感器到用戶端數(shù)據(jù)流的全過程監(jiān)測和實時傳遞。遠(yuǎn)程停電報警器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.3 工作原理

系統(tǒng)通過連接12 V直流電源至電磁鐵上，產(chǎn)生靜磁場。當(dāng)電力供應(yīng)正常時，電磁鐵維持磁場，保持傳感器狀態(tài)為關(guān)閉。一旦停電發(fā)生，電磁鐵失去電源供電，磁場消失，傳感器狀態(tài)改變，并通過ZigBee協(xié)議將開啟信號發(fā)送給智能網(wǎng)關(guān)，后者則將停電警報通過互聯(lián)網(wǎng)推送至用戶手機(jī)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程停電報警的功能。

4 子系統(tǒng)設(shè)計

4.1 智能通信整合

在子系統(tǒng)設(shè)計中，ZigBee網(wǎng)關(guān)采用MQTT協(xié)議作為通信框架，整合來自傳感器的數(shù)據(jù)。這一設(shè)計不僅提高了數(shù)據(jù)處理效率，還優(yōu)化了遠(yuǎn)程控制的過程。傳感器模塊的設(shè)計包括電磁鐵和ZigBee協(xié)議的應(yīng)用，使得停電監(jiān)測更為精確。通信模塊使用MQTT協(xié)議與云端服務(wù)器相連接，并通過手機(jī)推送服務(wù)，實現(xiàn)了從傳感器到云端再到用戶手機(jī)的高效數(shù)據(jù)傳遞，確保了系統(tǒng)的可靠性和實時性，并為電力供應(yīng)的安全提供了強(qiáng)有力的支持。

4.2 ZigBee網(wǎng)關(guān)

ZigBee網(wǎng)關(guān)是該系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)整合、處理和遠(yuǎn)程控制。該網(wǎng)關(guān)選用MQTT協(xié)議作為通信框架，有效提升了與其他設(shè)備和系統(tǒng)的通信效率［16］。網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點，高效地處理傳感器發(fā)來的信號并及時將信息傳遞到用戶端。

在通信流程方面，ZigBee網(wǎng)關(guān)在數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過程中充分利用MQTT協(xié)議。該協(xié)議基于發(fā)布者/訂閱者模型，其中發(fā)布者負(fù)責(zé)發(fā)送消息，訂閱者則接收信息［17］。這種雙向通信模型使得ZigBee網(wǎng)關(guān)既能夠向其他設(shè)備和系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)，又能夠接收來自其他設(shè)備和系統(tǒng)的關(guān)鍵信息。

在此系統(tǒng)中，ZigBee網(wǎng)關(guān)作為項目的核心組件，充當(dāng)著傳感器與智能網(wǎng)關(guān)之間的重要通信媒介，負(fù)責(zé)接收來自門窗傳感器的開合信號，并通過ZigBee協(xié)議高效傳輸這些信號。同時，智能網(wǎng)關(guān)連接至無線路由器，通過互聯(lián)網(wǎng)將關(guān)鍵的報警信息即時推送至用戶的手機(jī)端。這一配置確保了ZigBee網(wǎng)關(guān)作為系統(tǒng)的關(guān)鍵通信樞紐，有效協(xié)調(diào)傳感器與互聯(lián)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)流動，確保了停電報警系統(tǒng)的順暢運行。

4.3 傳感器模塊

傳感器模塊是停電報警器的關(guān)鍵組成部分，主要任務(wù)是在監(jiān)測到停電情況時迅速觸發(fā)報警，以確保及時采取應(yīng)急措施。傳感器模塊利用干簧管作為監(jiān)測元件，其敏感性能在永磁鐵的影響下改變開合狀態(tài)，從而迅速觸發(fā)停電報警，提高了傳感器的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性。

通過智能化改造，傳統(tǒng)的永磁體被替換為電磁鐵［18］，并通過市電供電。在正常供電狀態(tài)下，電磁鐵形成磁場，保持干簧管閉合狀態(tài)。一旦市電停電，電磁鐵失去電源供電，導(dǎo)致磁場消失，從而觸發(fā)干簧管產(chǎn)生打開信號［19］，標(biāo)志著電力系統(tǒng)出現(xiàn)異常。

4.4 通信模塊

在本系統(tǒng)中，通信模塊的選擇旨在確保有效的數(shù)據(jù)傳輸和穩(wěn)定的通信環(huán)境［20］。該模塊的功能主要涉及智能網(wǎng)關(guān)、互聯(lián)網(wǎng)通信、云端以及手機(jī)推送服務(wù)。首先，智能網(wǎng)關(guān)連接無線路由器，通過互聯(lián)網(wǎng)將門窗傳感器的狀態(tài)信息傳送至云端服務(wù)器。這一通信過程采用MQTT通信協(xié)議，確保數(shù)據(jù)的安全傳輸和云端服務(wù)器的穩(wěn)定接收。云端服務(wù)器充當(dāng)信息的中轉(zhuǎn)站，接收并處理來自智能網(wǎng)關(guān)的傳感器狀態(tài)信息。最后，云端服務(wù)器通過手機(jī)推送服務(wù)將停電報警信息即時發(fā)送至用戶的手機(jī)，使用戶能夠迅速了解停電狀態(tài)并采取必要的措施。通過這一通信模塊的協(xié)同工作，系統(tǒng)實現(xiàn)了從傳感器到云端再到用戶手機(jī)的高效數(shù)據(jù)傳遞，確保了實時的遠(yuǎn)程停電報警功能，為電力供應(yīng)的安全提供了可靠的通信基礎(chǔ)。

5 傳感器與電磁鐵設(shè)計

5.1 門窗傳感器

門窗傳感器的設(shè)計包括永磁體和干簧管。門窗傳感器工作原理如圖2所示。開合信號由一個干簧管觸發(fā)，永磁體的N/S極靠近干簧管兩端時，干簧管內(nèi)部觸點吸合，觸發(fā)關(guān)閉信號；當(dāng)永磁體離開干簧管兩端時，干簧管內(nèi)部觸點分離，觸發(fā)打開信號。根據(jù)以上原理，本文將永磁體替換成電磁鐵，并用市電供電，在干簧管兩側(cè)有磁極靠近時吸合，內(nèi)部電路以ZigBee協(xié)議向網(wǎng)關(guān)發(fā)送開合指令，進(jìn)一步經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)推送到手機(jī)，從而實現(xiàn)停電信號的觸發(fā)。

5.2 傳感器設(shè)計

傳感器設(shè)計采用門窗傳感器結(jié)構(gòu)，通過替換永磁體為電磁鐵，并用市電供電，由ZigBee協(xié)議向網(wǎng)關(guān)發(fā)送開合指令，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)及手機(jī)推送實時觸發(fā)停電報警。繼電器改造的電磁鐵結(jié)構(gòu)確保了干簧管觸點的穩(wěn)定開合，通過12 V、1 A直流電源供電，提高了傳感器的可靠性和穩(wěn)定性，為停電報警系統(tǒng)奠定了堅實基礎(chǔ)。

5.3 繼電器改造電磁鐵

本文通過改造傳統(tǒng)繼電器的電磁鐵，去除吸合的觸點，僅保留側(cè)邊的導(dǎo)磁金屬，形成U形的電磁鐵結(jié)構(gòu)，使其更適合于在停電檢測中使用。

本文將電磁鐵貼合在門窗傳感器內(nèi)的干簧管兩端，使干簧管的觸點隨著電磁鐵的通/斷電而閉合/斷開。為了防止電磁鐵感應(yīng)的高壓損壞其他器件，可以在電磁鐵的兩端反接一個二極管。選擇一個12 V、1 A的直流電源供電給電磁鐵。繼電器工作的電流較小（約80 mA），可以長時間穩(wěn)定工作。這種設(shè)計不僅增加了設(shè)備的可靠性，還降低了由高電壓引起的潛在風(fēng)險。

6 智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計

6.1 硬件元件配置

智能網(wǎng)關(guān)硬件配置包括特定的進(jìn)程管理塊（Process Control Block，PCB）、三端穩(wěn)壓芯片、編碼開關(guān)、ESP32模塊（自帶BSL串口）及CC2652P模塊等元件。這些元件的精確配置和優(yōu)化，保證了網(wǎng)關(guān)功能的高效實施。

元件應(yīng)正確擺放并焊接在PCB上。PCB上的2組撥板開關(guān)用于切換ESP32和2652P模塊間的串口信號。

第一種情況，即WiFi模式下，須要將2組撥板開關(guān)的前兩位撥到ON位置，以使串口芯片直連ESP32模塊。該模塊隨后連接到CC2652模塊。

第二種情況，即USB模式下，直連USB端口的傳統(tǒng)ZigBee網(wǎng)關(guān)要求將撥碼開關(guān)的后兩位調(diào)至ON位置，以便串口芯片直連CC2652P模塊。

6.2 燒錄固件

為智能網(wǎng)關(guān)和相關(guān)模塊燒錄固件是配置過程的重要部分。通過WiFi模式，用戶可以簡便地為設(shè)備更新和安裝必要的軟件，保持系統(tǒng)的功能性和最新狀態(tài)。

（1）首先，用戶安裝CH340串口芯片驅(qū)動程序，使用Type-C線將模塊與電腦連接。

（2）用戶訪問tasmota.github.io網(wǎng)站，并將“tasmota zigbee bridge pro”固件燒錄至ESP32模塊；燒錄完成后，進(jìn)行ESP32模塊的網(wǎng)絡(luò)配置。

（3）此階段，CC2652P模塊的固件已預(yù)先上傳至ESP32存儲器中，且CC2652P模塊已預(yù)裝BSL。接下來，用戶對CC2652P模塊進(jìn)行固件燒錄。

（4）用戶訪問tasmota配置界面，當(dāng)界面顯示“znp”時，表明固件已成功安裝且功能正常。

6.3 網(wǎng)關(guān)使用

網(wǎng)關(guān)的使用依賴于MQTT服務(wù)器的搭建。網(wǎng)關(guān)用來處理和管理來自各個設(shè)備的信息。通過合適的配置，網(wǎng)關(guān)可以與ZigBee設(shè)備進(jìn)行通信，確保了系統(tǒng)的互操作性和擴(kuò)展性。

（1）首先，用戶建立MQTT服務(wù)器以支持后續(xù)的設(shè)備通信。

（2）接著，用戶訪問“tasmota”配置界面并輸入MQTT信息，以便初始化ZigBee終端設(shè)備的配對過程。

（3）最后，用戶配置“MQTT-discovery”以將ZigBee設(shè)備集成進(jìn)Home Assistant系統(tǒng)。

7 系統(tǒng)測試

在該系統(tǒng)的配置過程中，用戶首先應(yīng)確保網(wǎng)關(guān)與無線路由器之間的成功連接，從而實現(xiàn)系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的通信。隨后，將報警器配置為網(wǎng)關(guān)的子設(shè)備。子設(shè)備的配置包括智能行為的設(shè)定，使得系統(tǒng)能夠在根據(jù)門窗傳感器的閉合和打開的狀態(tài)下分別觸發(fā)相應(yīng)的操作，例如向手機(jī)推送實時消息。在停電發(fā)生時，由于電磁鐵失去供電，門窗傳感器中的干簧管斷開，系統(tǒng)隨即向智能網(wǎng)關(guān)發(fā)送門窗打開指令，而網(wǎng)關(guān)則將該信號傳遞至用戶的手機(jī)，從而有效實現(xiàn)停電告警功能。此配置使得系統(tǒng)能夠在停電發(fā)生時迅速發(fā)出警報，為用戶提供及時的信息反饋，并確保采取緊急措施，以維護(hù)電力供應(yīng)的安全和穩(wěn)定。

8 結(jié)語

本研究成功地設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于智能網(wǎng)關(guān)的遠(yuǎn)程停電報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)整合了先進(jìn)的硬件設(shè)計和系統(tǒng)集成。在硬件方面，基于ZigBee協(xié)議的低功耗和短距離通信的特性，獨立開發(fā)了ZigBee網(wǎng)關(guān)，以優(yōu)化系統(tǒng)通信性能，并協(xié)調(diào)傳感器與互聯(lián)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)流動。這種設(shè)計使傳感器與智能網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)傳輸更加可靠，從而提升了整個系統(tǒng)的協(xié)同工作能力。本文通過采用門窗傳感器和改造直流繼電器，成功實現(xiàn)對停電狀態(tài)的高效監(jiān)測。這一設(shè)計提高了系統(tǒng)的敏感性和響應(yīng)速度，使其能夠迅速應(yīng)對電力供應(yīng)中斷。在系統(tǒng)集成方面，本文通過配置網(wǎng)關(guān)和子設(shè)備，并利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實時消息推送，提供了一種高效的即時報警方法。通過在子設(shè)備中添加智能行為，系統(tǒng)能夠根據(jù)傳感器狀態(tài)變化自動采取相應(yīng)措施，提升了系統(tǒng)的自動化程度。

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（編輯 王雪芬）

Design of power outage alarm based on intelligent gateway

ZHANG" Yinxi， YAO" Bin*， YANG" Ruijia

（Shaanxi University of Science and Technology， Xi’an 710021， China）

Abstract：" As a common fault in the power system， power outage has a serious impact on people’s lives and work. This paper implements a remote power outage alarm based on an intelligent gateway， aiming to provide comprehensive monitoring and real-time feedback functions， as well as efficiently improve the delay problem of power outage alarm method. The alarm system consists of an intelligent gateway， a sensor and an alarm device. The sensor is used to monitor the status of the power system in real time. The intelligent gateway implements data processing and analysis， and triggers the alarm device to implement a power outage alarm. Experimental results show that the designed power outage alarm shows good performance in detecting power outage events and achieving remote alarm， provides important data support for power system fault analysis and optimization， and lays a solid foundation for building a more reliable and intelligent power system.

Key words： remote power outage alarm; intelligent gateway; sensor technology; real-time alarm

基金項目：陜西科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目；項目編號：S202310708059。

作者簡介：張引曦（2003— ），男，本科生；研究方向：物聯(lián)網(wǎng)。

*通信作者：姚斌（1981— ），男，副教授，博士；研究方向：圖像特征讀取。