单片机与L o R a
蒋剑锋，杨留方，徐天奇，曹伟嘉，廖有为
(云南民族大学电气信息工程学院云南省高校无线传感器网络重点实验室，昆明650500
)*基金项目：国家自然科学基金项目(61761049
)㊂摘要：本文设计了一套基于单片机与L o R a 组合式电气火灾探测器㊂探测器设计了电压采集调理电路㊁ 电流采集调理电路㊁剩余电流采集调理电路及温度采集调理电路，检测线路中的三相电压㊁三相电流㊁剩余电流及温度等电参量与温度参量，若线路存在过欠电压㊁短路㊁开路㊁漏电及温度异常等电气故障，现场立即发出声光报警且显示其故障信息，并通过L o R a 无线通信模块将实时信息上传到云服务平台㊂故障信息通过电脑与手机及时推送给用户，用户对其进行远程监管与控制㊂测试结果表明，基于单片机与L o R a 的组合式电气火灾探测器反应灵敏㊁稳定性好，可在大型建筑商业住宅场所广泛使用㊂
关键词：单片机;L o R a ；火灾探测器；电参量；温度参量；云服务平台中图分类号:T P 277 文献标识码:A
D e s i g
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人类社会科学技术的进步推动了电气事业的发展㊂
大型商业场所㊁高层住宅中的高新电气设备迅速增多，用电量消耗剧增，加速线路老化，导致线路频繁发生电气故障㊂现今我国电器火灾检测设备的商家通常使用传统的现场检测技术，比如C A N 总线式传输的电气火灾检测设
备[
2]
㊂市场上传统的有线组网电气火灾探测器存在部署难㊁采集精度不高㊁采集信号单一㊁不能实时报警等问题㊂对于线路电气故障的监控，设计一套基于L o R a 的组合式电气火灾探测器对输配电线路的电气参数进行监测，对超
出设定阈值的异常情况，探测器现场进行声光报警，同时
通过物联网络将实时数据信息上传到云服务平台[
3]
㊂云服务平台将实时的状态信息上传到手机端与P C 端，能够迅速告知值班人员故障发生地及故障引起的原因，值班人员能够尽早对故障做处理，从而起到预防电气火灾事故的
作用[
4]
㊂1 电气火灾监控系统的基本原理
基于L o R a 无线通信的电气火灾监控系统基本原理
框架图如图1所示[
5]
㊂组合式电气火灾探测器对输配电线路的电气故障与温度异常进行实时监测，当传感设备检测到线路故障时，蜂鸣器立即发出警报声，故障灯不停闪烁，显示屏显示出故障信息㊂现场数据信息通过L o R
a 无
线发送给云服务平台，值班人员能够从P C 端和移动端获知故障信息，对故障线路进行修复处理，清除由电气故障引发的安全隐患，避免造成大的经济财产损失
㊂
图1 电气火灾监控系统基本原理框架图
2 探测器硬件设计
组合式电气火灾探测器的电路硬件结构如图2所示,
主要由三相电压采集㊁三相电流采集㊁剩余电流采集㊁温度采集㊁L o R a 无线通信㊁主控S TM 32㊁L C D 液晶显示㊁
声光报警等电路模块构成[
6]
㊂图2 探测器硬件结构图
2.1 电压采集与调理电路
在电压采集与调理电路中，选用的电压互感器是霍远
科技公司研发的，其互感线圈的变比为1000:1000㊂其输
电压跟随器电路图入输出额定电流为2m A ，在检测电压入口接一个150k Ω电阻，则被测线路的电压经过限流电阻转换成0~2m A 电流，电流流过互感器后副边线圈产生输出电流，再通过采样150Ω电阻转化为所采集的电压信号㊂电压信号通
过1Ω的电阻与10n F 的电容做限幅与滤波处理,
最后流进电能采集芯片的A /D 转换通道
[7]
㊂电压采集与调理电
路如图3所示㊂
2.2 电流采集与调理电路
在电流采集与调理电路中，选用的电流互感器是霍远
科技公司研发的，其互感线圈变比为1:2000㊂保证互感
器在正常工作状态下，在检测电流入口接一个50Ω电阻，可以使原边互感线圈的电流转换成0~5A ，数值上等于
输入额定电流5A ㊂电流流过互感器后副边线圈产生输
出电流，再通过50Ω采样电阻转换为所采集的电压信号㊂互感器副边线圈接两个瞬态抑制二极管，防静电破坏电
路㊂电压信号经过电阻电容限幅与滤波处理后，最后流进电能采集芯片的A /D 转换通道㊂电流采集
与调理电路如图4所示㊂
2.3 剩余电流采集与调理电路
该电路采用了瞬态抑制二极管与自恢复保险丝，防止静电与脉冲电压对电路的损坏；采集的信号通过
电路中的电阻电容起到去耦合和缓冲调理作用，最后分别输入到电能采集芯片与S T M 32芯片的A /D 转
换通道[
8
]㊂剩余电流采集与调理电路如图5所示
㊂图3
电压采集与调理电路
图4 电流采集与调理电路
2.4 温度采集与调理电路
温度采集电路是电气火灾探测器的核心电路之一，而温度传感器外接探测器，工作环境复杂，信号干扰源多，需采用高精度的电子器件设计优良采集电路，提高采集精度㊂本电路采用了高精度的P T 100热敏电阻作为温度传感器，探测线路或配电箱的温度变化，若温度出现异常，其电阻值迅速下降，采集电路中的电流升高，电路中电阻R 65起到分压作用，电阻R 67起到分流作用，限制电压电流的幅度，使采集信号能够正常通过电路㊂电容发挥了去耦合作用，滤除杂波信号，电压跟随器再次对干扰信号缓
图5 剩余电流采集与调理电路
冲隔离㊂最后采集信号流进S TM 32主控模块的A /D 转
换通道㊂温度采集与调理电路如图6所示
㊂
图6 温度采集与调理电路
2.5 L o R a 无线通信模块选型
L o R a 无线通信模块采用成都亿佰特电子科技公司研
发的E 22400T 22S ，是建立在S X 1268芯片基础上研发
的无线通信模块[9]
㊂该芯片使用全新一代的L o R a 扩频
技术，兼容了运行功耗低与数据信息传输距离远的优点㊂该模块具有L o R aF H S S 的扩频调制跳频技术，增大了信号传输距离，提高了信号接收灵敏度，增强了无线通信链路的稳定性㊂与现有的F S K ㊁G F S K 调制技术相比，其通信的安全性与隐蔽性更好，提高了用户数据的安全性㊂
2.6 主控模块选型
主控模块采用S TM 32F 103V C T 6,
该芯片支持2~3.6V 供电，主频以72MH z 运行,
内置高速程序存储器及11个定时器,
有先进的中断响应系统，能够满足处理器的工作需求[
10]
㊂3 探测器软件设计
电气火灾探测器的软件程序主要由主程序㊁无线通信子程序㊁声光报警子程序三部分组成㊂程序软件编写是在K e i l 开发环境下采用C 语言实现的㊂
3.1 主程序软件设计
主程序流程图如图7所示㊂探测器上电后，首先进行
端口初始化，再将系统中已设置参数的剩余电流㊁三相电流㊁三相电压和温度参数从单片机的存储器中读写出来㊂其次，探测器采集被测电路中的三相电流㊁三相电压㊁剩余电流和温度等数据信息㊂探测器将采集的数据信息与设定的参数阈值进行比较，若大于参数阈值，则探测器发出声光报警，并将数
据信息上传给云服务平台㊂然后，通过电压电流采集的信号,
判别被测线路是不是具有开路㊁短路等电气故障；若判别
有，探测器也会发出声光报警且数据信息上传给云服务器
㊂
图7 主程序流程图
3.2 无线通信子程序软件设计
E 22400T 22S 通信芯片有传输㊁
WO R ㊁
配置㊁深度休眠四种工作模式㊂由M 0㊁M 1两个串口的高低电平合成来选取
相应的工作模式，必须在A U X 输出为1的时候，切换不同的工作模式，不然则有时间
延迟㊂无线通信子程序的运行流程如图8
所示㊂首先对通信芯片E 22400T 22S 进
行端口初始化，然后对芯片的载波频率㊁发送功率以及空中速率进行参数设置㊂参数设置后判断数据信息采集部分是否完成，若没有完成，继续返回采集，直到读取采集信息完毕后进入到F l a s h 是否存储满数据；若存满，则进入WO R 模式，将无线发送采集的数据信息，数据信息发送完毕后芯片进入到深度休眠模式，从而节约运行能耗㊂将芯片从深度休眠模式中唤醒，进入其他工作模式时，需A U X 维持低电平，模块才能再次配置参数，模式转换完成后输出高电平㊂
图8 无线通信子程序的流程图
4 测试结果
对所设计的基于L o R a 与单片机组合式电气火灾探
测器进行了现场测试㊂三相电压㊁电流测试实物图如图9所示㊂采用多功能三相电测量仪表对探测器进行测试，测试时设置其输入三相电压为220V ,
三相电流为5A ，探测器显示三相电压值㊁三相电流值，结果在正常误差范围内㊂剩余电流测试时，将剩余电流的报警阈值设置为500m A ，超过设定阈值能正常报警㊂
温度测试实物图如图10所示㊂将温度报警阈值设置
为50ħ，对热敏电阻加热，探测器能正常发出声光报警，显示其温度数值㊂P C 端显示报警界面图如图11所示㊂测试4路温度㊁1路剩余电流及三相电压检测都能现场正常报警且成功将数据信息上传到物联网平台
㊂
图9 三相电压㊁电流
测试实物图
图10 温度测试实物图
5 结 语
利用L o R a 无线通信技术设计了一套能采集多个信
号㊁采集信号精度高，运行平稳的无线通信组合式电气火灾探测器㊂设计了对电能及温度等多个信号参数的采集，解决了故障检测单一性问题，提高了对线路的监测性能㊂设计了优良的采集电路及优化整个电路布局,
解决了电路
图11 P C 端显示报警界面图
电磁兼容性的难题㊂采用L o R a 无线通信技术，其运行功耗低，传输距离远，有效解决了传统有线组网式电气火灾监控系统建设难题，实现了部署容易㊁使用方便和无线传输㊂测试结果表明，该探测器性能可靠，能够有效采集线路故障信息
㊂
参考文献
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筒免爬器的控制系统设计[J ].仪表技术与传感器,2018
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蒋剑锋(硕士研究生)，主要研究方向为电气火灾监控系统；杨留方(教授)，主要研究方向为传感器及应用㊂
(责任编辑：薛士然 收稿日期:2020-08-13
)
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