基于STM32的故障電弧監測方案設計

摘 要：針對電力系統發生故障時異常的電弧和溫度，設計基于STM32的監測方案。通過各種傳感器和外設采集數據，利用STM32平臺對測得的數據進行分析，從而降低電氣火災的發生概率，減少經濟損失。故障電弧的電流通常伴隨著過零點出現“平肩”，即零休現象，存在高頻諧波，還會發生火災，同時周圍溫度會升高。利用電流傳感器以及溫度傳感器，將測得的信號數據輸入STM32芯片；經過A/D轉換后計算分析，再實時將數據通過LoRa模塊上傳至云平臺進行預警。

關鍵詞：STM32；故障電弧；云平臺；電氣火災；傳感器；LoRa

中圖分類號：TP39；TM7 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）03-00-03

0 引 言

隨著科技水平的發展，各種電氣設備被廣泛地應用于生活中，但是電氣設備背后也存在著安全隱患[1]，容易造成火災并引起財產損失和人員傷亡，所以針對故障電弧的監測對當今社會發展極其重要。每年火災事故中電氣火災的占比是相當大的，并且造成了巨大的經濟損失[2]。如果沒有即時發現電氣故障，持續下去設備就會有引發火災的風險。國內外已有對電弧的弧聲、弧光、溫度、壓力等物理特性進行監測的方案。然而受傳感器監測范圍的限制，已有方案缺少靈活性。當今的預警系統通過讀取電流波形，并且結合物聯網技術進行遠程監測，具有時效性強、安裝靈活、操作簡易、實時準確等特點[3-5]。

1 系統總體設計

1.1 系統總體設計框架

主控模塊與采集節點進行通信，從故障電弧探測器采集相線中由電流互感器獲取的信號和溫度傳感器采集的信號，經過A/D轉換集中到STM32系列單片機。芯片通過LoRa和4G模塊將信息上傳到云端?？傮w設計框架如圖1所示。

1.2 主控芯片

主控芯片采用STM32G070RB，其工作頻率高達64 MHz。該芯片集成度高，可廣泛用于工業和消費領域，以及一些物聯網的解決方案中；適合在-40～85 ℃的環境溫度下運行，可用電源電壓為2.0～3.6 V。本文將其作為采集節點的主控和LoRa網關的主控，該設備的封裝有32個或64個引腳。其引腳配置和分布如圖2所示[4-5]。

1.3 溫濕度傳感器

采用DHT11溫濕度傳感器采集數據，再通過與STM32的連接，將測得的溫濕度信息上傳。DTH11的功耗較低，連接簡單穩定。由于開發板可提供3.3 V電壓，在該傳感器的正常電壓范圍之間，故而如圖3所示，將引腳1接電源正極，引腳3接地。引腳2作為數據端接入PA15。

1.4 電流傳感器

選取ACS712電流互感器，其結構簡單可靠，壽命較長，便于維護，價格較低。采集信號后經過傳感器內部電路進行放大、濾波和斬波與修正，將信號從芯片的OUT引腳輸出。 ACS712的VCC電源一般建議采用5 V。ACS712模塊引腳如圖4所示。

1.5 無線模塊

LoRa模塊采用E22-400T22D，是基于SX1262射頻芯片的無線模塊，具有傳輸模式多種多樣、工作頻段廣泛的優點。理想條件下，最大通信距離可達5.5 km。模塊兼容3.3 V與5 V的IO口電壓，在大于3.3 V電壓供電時均可保證最佳性能，支持定點傳輸、廣播傳輸、信道監測[6-7]。

節點板和網關板使用可控5 V電源給LoRa模塊供電，其中節點板的可控電源電路結構和LoRa模塊的引腳分別如圖5、圖6所示，網關板的結構可參考節點板。

云平臺和監控主機之間的通信基于SX1262發射芯片，采用LoRa無線傳輸技術進行，并通過UART與主控模塊進行交流。時鐘晶振電路為系統提供時鐘信號，它在相同的功率下比其他無線傳播設備傳播的距離更遠，具備低功耗和遠程傳輸的優點，能夠避免引起嚴重火災[8-10]。

1.6 通信4G模塊

網關板和云平臺之間可用無線網或者4G進行通信，這里采用4G通信更方便穩定。選擇的是紫光展銳設計的LTE Cat1無線通信模組Air724UG-NFC。采用LCC封裝，供電范圍為3.3～4.3 V，模塊一共具有兩組引出排針，分別接在網關板的引腳上，如圖7所示。

2 軟件設計

軟件流程如圖8所示。系統上電后，首先完成各模塊初始化，主控向每個傳感器模塊發送查詢的指令；傳感器端接收到指令后，即會向主控制器傳送當前測得的數據，從而進入數據處理階段，同時通過LoRa和4G模塊將實時數據上傳至阿里云端顯示。

3 系統測試

本次系統測試使用DHT11溫濕度傳感器，目的是將傳感器測得的數據由節點板的LoRa模組傳至網關，再通過4G模塊上傳至阿里云，并將溫濕度信息實時同步到APP端。

3.1 節點板上線

從阿里云端獲得節點板的三元組信息，并將其添加至節點。節點板和網關板采用正常傳輸模式、定點收發數據的方式進行通信。需要保證空中速率和網絡ID地址參數相同，模塊地址和信道單獨設置，通過CRT軟件調試并將三元組參數寫入。節點板配置如圖9所示。

3.2 網關板上線

將阿里云設備三元組信息和定點傳輸參數設置到網關板，設置完畢后打開復位開關，網關板復位并通過傳輸層TCP協議連接阿里云；然后通過應用層MQTT協議，發送CONNECT報文，并訂閱相關主題。連接成功后查詢節點板是否在線，如果節點板開機則要求節點板發送自己的三元組信息，網關板成功接收到后，云端就可以看到兩個節點都上線了，如圖10所示。

3.3 傳感器配置

先在程序頭文件中配置DHT11對應的IO組：

#define DHT11_GROUP" " " "GPIOA

再配置相對應的IO口：

#define DHT11_PIN" " " "GPIO_PIN_15

將DHT11對應的IO分組、時鐘使能：

#defineDHT11_GROUP_CLK_ENABLE __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE（）;

聲明讀取溫濕度函數：

uint8_t DHT11_Read_Data（double *，double *）;

聲明初始化函數：

uint8_t DHT11_Init（void）;

根據配置函數，將DHT11的數據采集引腳接到PA15上，其他兩個引腳分別接3.3 V和GND，如圖11所示。隨后通過改變DHT11周圍的溫度情況，在云端驗證是否實時上傳并同步到APP端。

3.4 測試結果

在阿里云平臺上可以看到溫度數據，如圖12所示。同時我們可以看到在手機APP端的界面顯示，如圖13所示。

4 結 語

結合物聯網和傳統故障電弧監測的優點，配合云平臺和終端APP，可以使電氣火災監測更具時效性。隨著科技的發展和進步，以及算法的不斷優化，物聯網將會在各個領域得到應用。

參考文獻

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[7]鄔亮，吳卓葵，曾楊達，等. 基于LoRa的溫室多點無線監測系統設計 [J]. 仲愷農業工程學院學報，2020，33（1）：1-5.

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[9]岳云濤，賈佳，王靖波，等. 基于LoRa無線傳輸技術的電氣火災監控系統設計[J]. 電子技術應用，2018，44（12）：32-35.

[10]顧兆平. 基于LoRa無線通信技術的電氣火災監控系統[J]. 消防技術與產品信息，2018，31（10）：50-52.

作者簡介：方 超（1996—），男，碩士，研究方向為電氣工程。