教學樓照明設備故障智能報警系統設計

張壯 張素君 聞波 吳龍 鄧文平

摘? 要：在日常教學中，教學樓內的教室或者走廊以及其他公共區域的照明裝置出現故障時，由于無人及時通知后勤維修部門，導致維修不及時，影響正常教學。針對上述情況，設計一款檢測教學樓內照明設備故障報警系統，采用集散控制系統，從機分布在各個教室、走廊或者其他區域用來采集照明電器用電信息以及故障識別，主機接收從機信息并上傳云平臺。主機與從機之間采用LoRa無線通信，系統可以實現照明設備故障可視化，數據實時上傳，報警等功能。

關鍵詞：照明設備故障;自動檢測;LoRa通信;云平臺

中圖分類號：TP277? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）03-0177-04

Design of Intelligent Alarm System for Lighting Equipment Failure in Teaching Buildings

ZHANG Zhuang， ZHANG Sujun， WEN Bo， WU Long， DENG Wenping

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Henan Institute of Science and Technology， Xinxiang? 453003， China）

Abstract： In daily teaching， there are lighting equipment failures in classrooms or corridors and other public areas in the teaching buildings， since no one notifies the logistics maintenance department in time， and it causes that the maintenance is not timely and the normal teaching is affected. In view of the above situation， a fault alarm system is designed for detecting lighting equipment failure of the teaching buildings. It uses the distributed control system， and the slaves are installed in each classroom， corridor or other areas to collect the power consumption information and fault identification of lighting electrical appliances. The master receives the information from slaves and uploads it to the cloud platform. The LoRa wireless communication is used between the master and slaves. The system can realize the visualization of lighting equipment failure， real-time data upload， alarm and other functions.

Keywords： lighting equipment failure; automatic detection; LoRa communication; cloud platform

0? 引? 言

教學樓照明設備數量眾多，各種照明電器設備長期使用會造成內部器件故障和損壞，如果不及時維修或更換，就會影響正常教學使用，更有甚者引發火災、爆炸、觸電等危險，然而教學樓人流量大，不便管理，照明設備出現故障發現不及時。本文提出一種教學樓照明設備故障智能報警系統的設計方案，以較低的成本實現照明設備故障報警和維修自動化和智能化。系統以STM32單片機為中心控制單元，將各個教室，走廊等區域劃分成獨立的檢測單元點，對照明設備的用電參數進行采集與處理[1，2]。主機與從機之間通過無線通信模塊進行通信，主機可以通過Wi-Fi實現數據上傳云平臺功能，解決照明設備故障可視化低，維修不及時等問題，實現用戶在線查看，遠程提醒等功能[3]。

1? 系統整體設計

教學樓照明設備故障智能報警系統整體設計框架如圖1所示。系統是由一臺主機，多臺數據采集從機組成。根據使用環境及成本考慮，數據采集從機采用非侵入式負載檢測方法。從機安放在教室或者走廊的照明設備配電柜處，從機定時讀取電能檢測傳感器采集的照明設備用電數據，對采集到的用電信息與外置數據庫進行數據比對，并根據近期采集的數據信息綜合判斷照明設備是否發生故障[4]。

當從機檢測到照明設備出現故障時，從機將照明設備的故障信息和位置信息通過編碼后發送到主機，主機接收各從機檢測信息并進行數據解碼，同時上傳至云平臺，通過云平臺實現故障位置、故障數量可視化[5]。

2? 系統硬件設計

2.1? 從機硬件設計

從機硬件包含電源電路、數據采集電路及無線數據通信電路。根據從機使用的環境，采用三級電壓轉換電路，其中第一級使用AC-DC降壓模塊，將輸入的220 V交流電轉換為5V直流電，第二級使用D0505隔離型電源器件隔離系統中的第一級電壓轉換電路與其他電源，防止第一級出現故障時導致整體故障，減少前級干擾[6]，第三級使用低壓差線性穩壓器AMS1117-3.3 V降壓芯片，用于將隔離后的5 V電源線性穩壓成3.3 V電源，為給單片機和無線通信電路供電。從機主控芯片采用STM32F103C8T6單片機作為中心控制單元。由于教學樓內教室數量多，照明線路復雜，無線信號衰減嚴重等問題，因此無線數據通信電路采用基于SX1278芯片的Ra-01 LoRa無線模塊，該模塊具有傳輸距離遠、抗干擾性強、功耗低、可靠性高等優點，非常適用于教學樓這類復雜的場合。從機具備外置FLASH存儲單元，防止掉電丟失數據，通過將系統第一次上電采集到的照明設備用電參數信息存儲，以便后續從機進行故障判斷和數據比對等功能。

2.2? 主機硬件設計

系統主機硬件由電源電路和Wi-Fi通信電路組成，其中主機的電源電路類似于從機，由于主機僅具有與從機通信和設備故障信息上傳功能，所以電源電路可分為兩級電壓轉換電路，第一級通過AC-DC降壓模塊，實現220 V交流電轉換成5 V直流電，第二級采用LDO低壓差線性穩壓器，將第一級輸出的5 V電壓轉換為單片機芯片所需的3.3 V電壓。主機系統和Wi-Fi通信電路均采用AMS1117-3.3 V電源芯片提供3.3 V電源。通過Wi-Fi模塊，可實現設備聯網，數據上傳云平臺功能[7]。云平臺設備狀態顯示如圖2所示，柱狀圖表示不同時間段照明設備的最大功率，儀表盤表示照明設備的故障數量。1～4號房間分別擁有27個燈管，每個燈管功率為40瓦，無故障房間的設備最大功率為1 080瓦左右，對于出現故障的房間，其設備最大功率為1 080瓦減去故障數量的瓦數。

2.3? 電能采集檢測電路

電能采集方式可分為非隔離采樣和互感器采樣，非隔離采樣的優點是電路簡單、成本低、體積小，由于非隔離采樣是通過電阻分壓后測量強電，電路板會帶有強電，所以有一定的安全風險;而互感器采樣能有效避免這個問題，同時互感器采樣不易受溫度的影響，綜合考慮，選取互感器采樣作為該系統電能采集方式。電能采集檢測電路由HLW8110電能計量芯片及其外圍電路組成，電能采集檢測電路如圖3所示，HLW8110芯片可測量有功功率、視在功率、電壓、電流有效值等用電設備的用電參數，芯片內部提供一路電壓檢測通道和一路電流檢測通道，可以與不同量程的互感器連接[8]。芯片電流采樣使用變比為1 000：1精密型電流互感器與被測設備用電電流進行隔離，通過采樣電阻采樣和低通濾波實現隔離電流采樣，電壓采樣部分采用變比為1 000：1 000精密電流型電壓互感器，通過分壓電阻實現降壓限流，由電壓互感器隔離后經采樣電阻與低通濾波實現隔離電壓采樣。從機通過串口讀寫HLW8110芯片內部功率寄存器和電壓/電流寄存器，根據下面公式計算功率。

上式中：P指有功功率，PowerPA指通道A有功功率有效值，PowerPAC指通道A有功功率轉換系數，K1指電流系數，K2指電壓系數。

3? 系統軟件設計

3.1? 從機程序設計

從機程序設計流程如圖4所示，從機首先初始化各部分外設，分時讀取電能傳感器內部功率寄存器并計算照明設備用電功率，當照明設備出現故障后，從機通過無線傳輸模塊將故障信息發送給主機，等待主機響應。

3.2? 主機程序設計

主機主要完成接收從機故障信息和數據上傳功能，主機程序設計流程如圖5所示。主機通過AT指令配置ESP-12F Wi-Fi模塊接入到OneNET云平臺，主機等待接收故障信息，期間通過發送心跳包，時刻保持云平臺在線。對故障信息數據解碼，將需要上傳的數據編寫到特定格式的報文中，通過Wi-Fi模塊發送至云平臺存儲與顯示。

4? 實驗測試

通過使用USB-TTL模塊連接主機的測試串口端子，進行本系統的故障數據接收和數據上傳云平臺測試，數據上傳云平臺測試如圖6所示。在PC上使用串口調試助手窗口模擬云平臺接收和發送數據。串口調試助手模擬云平臺下發送連接成功標識“Ready-HOST”，主機進入接收模式，等待從機發送故障信息，對接收到的故障信息進行編碼后發送至云平臺。經過測試，主從機數據通信穩定可靠，數據上傳及時，在測試過程中未出現接收數據亂碼和數據上傳錯誤。

5? 結? 論

教學樓照明設備故障智能報警系統采用主從式結構，通過使用無線通信技術實現主機與從機數據通信，從機主要完成故障檢測和識別，主機主要完成故障信息接收和上傳云平臺功能。經過測試，系統運行效果良好，數據采集和上傳穩定，云平臺顯示數據準確，可以實現遠程監控功能。基本滿足教學樓照明設備故障報警功能。

參考文獻：

[1] 黃峻瑜，梁巍俊，李先鴻，等.基于STM32的教室智能照明監控系統的設計與實現 [J].科技與創新，2019（19）：78-79.

[2] 周康，張文斌，李帥，等.基于STM32的教室智能燈控系統設計 [J].物聯網技術，2016，6（6）：87-90+92.

[3] 孫毅，崔燦，張璐，等.智能用電非侵入式負荷監測系統研究 [J].電力科學與技術學報，2019，34（2）：155-160.

[4] 楊新華，鄭越，馬建立，等.基于LoRa的電力物聯網智能終端采集系統設計 [J].傳感器與微系統，2022，41（1）：123-126.

[5] 胡彬彬，張瑋.單片機無線通信系統的設計與實現 [J].數字技術與應用，2014（4）：38-39.

[6] 陳惠靜，林家鑄，丁康佳，等.無線遙控智能電源的設計與實現 [J].電子技術與軟件工程，2018（12）：104-106.

[7] 張晨，王玉槐，韓齊，等.基于OneNET云平臺的智能家居遠程控制系統設計 [J].信息技術與信息化，2020（10）：223-226.

[8] 龍順宇，許祿枝，鄺國旺，等.電量計量芯片HLW8110的前端電路設計與誤差分析校正 [J].單片機與嵌入式系統應用，2020，20（3）：42-45+61.

作者簡介：張壯（1998.06—），男，漢族，河南駐馬店人，本科在讀，研究方向：應用電子技術;通訊作者：張素君（1978.04—），女，漢族，河南安陽人，講師，碩士，研究方向：智能優化算法、生產計劃與調度;聞波（2000.04—），男，漢族，河南駐馬店人，本科在讀，研究方向：應用電子技術;吳龍（2000.10—），男，漢族，河南駐馬店人，本科在讀，研究方向：應用電子技術;鄧文平（2001.04—），男，漢族，河南安陽人，本科在讀，研究方向：應用電子技術。