基于LoRa技術的電力安全監測系統設計與測試

關鍵詞：電力監測；LoRa無線網絡技術；提高效率；運行安全

中圖分類號：TP277；TM769 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）12-0186-04

電力在我們的生活中扮演著越來越重要的角色，但隨著用量增大也帶來了一些安全隱患[1-4]。在人口密度較大的地區，如果線路中接入用電設備過多，導致總功率增大，線路負荷過載，就會導致電線絕緣層的老化加速，達到一定程度后，就會導致電氣火災的發生[5-10]。由于導線及相關電氣設備位置隱蔽，導致電氣火災被發現時往往火勢較大，難以控制。居民用戶的不規范用電，輕則可能引起跳閘、電網故障，對人們的生活造成不便，嚴重時可能造成電氣火災，威脅居民的生命以及財產安全[11-14]。為防止安全事故的發生，加強電力網絡的安全運行，本文結合LoRa無線網絡技術，設計了電力監測系統，實現了對電力信息的采集、監測。該系統主要包括硬件采集模塊和軟件控制程序，文中對各部分進行詳細設計，可實現對電力信息的監測、存儲、報警等功能，能夠有效加強電力系統運行的安全性，具有較高的應用價值。

1系統硬件設計

監測系統通過采集模塊獲取電力信息，采集模塊由主控模塊、信息采集模塊、RS485通信模塊、LoRa通信模塊、LoRa網關組成。

1.1主控模塊設計

主控模塊選用STC12C5A16S2單片機，該芯片共有44個管腳，滿足系統控制需求。

主控芯片的管腳4與外部復位電路相連接，XTAL1管腳和XTAL2管腳與外部晶振電路相連接，P3.0管腳和P3.1管腳與下載電路相連接。晶振電路能夠保證單片機正常工作，下載電路完成程序的錄入。

1.2信息采集模塊設計

信息采集模塊完成電力信息的采集，并將采集的信息實時顯示在屏幕上，信息采集電路如圖1所示。

信息采集模塊選用IM1281B芯片，該芯片的管腳5和管腳6連接在檢測電路中，采集電壓值。TXD管腳連接到單片機MR×2管腳，RXD管腳連接到單片機MT×2管腳。

1.3RS485通信模塊設計

RS485通信模塊選用MAX487通信芯片，RS485通信電路如圖2所示。

MAX487通信芯片的RE管腳和DE管腳連接到單片機的P3.2管腳，當為高電平時，MAX487通信芯片發送數據；為低電平時，MAX487通信芯片接收數據。電阻R3的作用是消除信號的反射，穩定485通信。

1.4LoRa通信模塊設計

LoRa通信模塊的作用是實現與LoRa網關通信，LoRa通信模塊采用UART通信方式，選用SX1278芯片完成通信[15-18]，LoRa通信模塊電路如圖3所示。

LoRa通信模塊的通信距離為3000m，工作頻段為410～441MHz，滿足系統需求

1.5LoRa網關設計

LoRa網關負責LoRa網絡和TCP網絡連接，將系統采集的電力信息傳輸到服務器內[18-20]。選用W5500通信芯片，W5500通信電路如圖4所示。

W5500通信芯片使用3.3V供電，SCLK為時鐘管腳，SCS為片選管腳，MOSI為數據輸入管腳，MISO為數據輸出管腳。

2系統軟件設計

2.1采集節點軟件設計

采集節點主流程如圖5所示。系統上電后，首先對外設初始化，讀取配置數據，通過按鍵按下，可選擇進入配置模式和進入工作模式，默認進入工作模式，開始進行電力信息采集。

采集節點工作流程如圖6所示。工作模型下，首先判斷是否收到485組網請求，發送組網應答幀，收到回復應答幀后，組網成功，進行數據傳輸。

2.2LoRa網關軟件設計

LoRa網關通過按鍵選擇，分為配置模式和工作模式2種。系統默認進入工作模式，當按鍵按下時，進入配置模式。

2.2.1配置模式

通過設置LoRa網絡的ID完成設備配置，配置流程如圖7所示。

初始條件下配置變量net_id=0，當配置變量net_id≥9時，配置溢出，置net_id=0。當配置變量net_id＜9時，系統進入運行循環，等待復位信號停止。

2.2.2工作模式

工作模式下，首先進行LoRa組網，組網流程如圖8所示。

首先，進行初始化，各變量復位為初始值，然后發送LoRa組網請求，如果收到正確組網應答，說明組網完成。如果發送3次組網請求，仍無法成功組網，則系統認為組網地址不合法，只可進入配置模式，無法進入工作模式。組網配置完成后，系統進入工作模式，實時采集電力信息，并完成傳輸。

3系統測試

3.1信息采集測試

為驗證系統采集信息的功能，將程序燒錄到硬件系統中，運行系統，將采集的電力信息顯示在LCD屏幕上。測試結果如圖9所示。

監測系統上電后，采集的電流值為3740mA，電壓值為228V，直觀的顯示在LCD屏中。通過信息采集測試，系統能夠實現線路中電力信息的采集。

3.2LoRa通信測試

首先，設置好LoRa網關的網絡ID，完成組網，組網配置完成后，系統進入工作模式，實時采集電力信息，并完成傳輸。測試結果如圖10所示。

通過測試結果表明，LoRa網絡通信順暢，組網配置成功。通過對系統進行測試結果，表明了系統運行穩定、可靠，滿足電網運行要求，值得推廣應用。

4結語

針對電網運行過程中維護不及時、管控不到位等問題，容易引發用電事故。因此，根據實際需求，結合LoRa無線網絡技術，設計了電力監測系統，實現了對電力信息的采集、監測，有效幫助工作人員掌握用電狀態，提高工作效率。通過對系統進行測試，結果表明：系統運行穩定、可靠，滿足電網運行要求，能夠有效加強電力系統運行的安全性，具有較好的推廣價值。