基于STM32单片机的多功能防盗电电表箱的设计

刘思宇 周颖琦 王嘉浩 李冬洁

摘要：在如今科技日新月异的时代，越来越多的科技产品走进人们的日常生活。但随之而来的是用电量的大幅增长。有些别有用心的人为了逃避电费，会进行盗电行为。盗电行为不仅会导致供电公司的收入减少，更严重的是会带来一系列的安全隐患。因此，本文介绍了一款采用STM32单片机设计的多功能防盗电电表箱。这款电表箱不仅可以有效地避免盗电问题的发生，还能检测电表内设备的运行状态。

关键词：防盗电；STM32；安全隐患；状态监测

本文旨在介绍一种多功能防盗电表箱的设计，以解决盗电问题并保护电网末端安全。同时，本设计的元件成本相对较低，不会给供电公司带来过大负担，也不会成为推广的障碍。此外，本设计还可以与智能抄表系统结合使用，降低通信成本。但是，本设计仍存在一些不足之处，例如需要增加摄像头拍照功能和远程开门功能，以提供更好的用户体验和更便捷的运维工作。这些不足之处将在今后的工作中得以完善。

一、功能与概述

（一）概述

本次设计的多功能防盗电电表箱，外壳依旧采用现在所使用的电表箱。在其内部通过加入门磁开关模块、红外对射模块、蜂鸣器、电流互感线圈模块、NB-IOT模块来实现具体功能。电流互感线圈模块安装在整个电表箱内，监测电流的变化。门磁开关安装在电表箱的箱门与箱体之间，当电表箱开门时，电平信号会改变；红外对射模块安装在箱门中间位置和对面箱体的位置，保持相对的状态。当箱门被打开或箱门被破坏时，对射状态会改变。当上述两种状态任意一种发生改变时，MCU接收信号后根据预设的通信协议编译通信信息，利用NB-IOT模块将通信信息发送到服务，并触发蜂鸣器发出警报音。服务端根据接收到的信息进行对应操作。如接收到门磁开关电平信号改变，将出现这种情况的电表箱编号发送给对应的维护人员。本系统主要解决了分散的电表箱难以巡查和维护的问题，大大降低了维护人员的工作难度。

（二）功能

1.日常监测

通过使用电流互感线圈模块监测整个电表箱内的电流，定时将采集结果发送到服务端。在服务端设定电流阈值或预计用电与实际用电差距较大时，可以触发监控报警并反馈信息给维护人员进行排查。

2.防盗报警

通过使用门磁开关模块判断电表箱的箱门是否被打开，通过红外对射模块确保箱体在正常状态下。当出现异常开门或箱体被破坏时，会通过蜂鸣器发出警报音并将信息发送到服务端。

3.服务后台

电表箱采集到的各种信息可以利用NB-IOT模块发送到服务后台，后台可根据预设的管理规则将对应的信息发送给指定维护人员。

二、设计方案

（一）STM32F103C8T6主控单片机

本次设計采用ST公司开发的STM32F103C8T6单片机为主控单片机。该单片机基于ARM Cortex-M 3开发，采用LQFP48封装，并具有37个GPIO引脚。本次设计主要使用GPIO引脚来接收门磁开关和红外对射模块的电平信号。同时，此款单片机内置USRAT和ADC模块，可使用USRAT发送经过通信协议编辑的信息给NB-IOT模块，使用ADC模块接收电流互感线圈监测的电流变化。

（二）电流互感线圈模块

本次设计采用的电流互感线圈模块规格为：额定输入电流为200A，额定输出电流为5A，孔径为65mm。整个模块安装在电表箱内，接入主电路。每天根据设定的多个采集时间点，定时监测电路中的电流大小。通过长期地监测，还可以在服务端设定电流阈值。当电流变化超过阈值时，会触发报警，并将信息反馈给维护人员进行现场排查。同时，对电流的监测与统计可以粗略计算出该表箱内的用电量。如果实际的用电量与粗略计算的用电量差异过大，也可以通知维护人员进行现场排查。

（三）门磁开关模块

本次设计采用的门磁模块为MC-51常闭型模块，安装位置为电表箱门边缘与箱体边缘。当箱门关闭时，门磁互相吸附，门磁模块所接入的电路处于导通状态。单片机GPIO引脚接收到高电平信号。当箱门打开时，门磁模块所接入的电路断开。单片机GPIO引脚由高电平转变成为低电平，引脚电平变化触发单片机执行信息发送程序。单片机按照预定的通信协议将箱门打开的信息发送给服务端，并同时控制蜂鸣器发出警报音。

（四）红外对射模块

本次设计采用的红外对射模块为常见的红外对射二极管。本系统中配置一收一发两个红外对射二极管。一个红外对射二极管垂直安装在电表箱门中间位置，箱体内部发射红外线；另一个红外对射二极管垂直安装在电表箱体底部，用于接收从箱门侧射来的红外线。当电表箱关闭时，这一发一收两个二极管正常对射，此时单片机的GPIO引脚接收到高电平信号。但是，当箱门被打开或者箱体正面被盗电者开洞破坏时，可能会破坏二极管的供电电路或破坏对射状态。这样对射状态发生改变，单片机的GPIO引脚由高电平转变为低电平，触发报警程序，将信息发送给服务端并控制蜂鸣器发出警报。

（五）NB-IOT模块

本次设计采用的NB-IOT模块是移远公司的BC260Y模块。不论是定时向平台发送心跳信号，还是在报警情况下发送信息，都是通过单片机与BC260Y模块进行通信来实现的。具体工作流程如下：当需要将信息发送给服务端时，单片机会通过TTL电平将要发送的信息以AT指令的方式发送给BC260Y模块。BC260Y模块会根据AT指令的要求进行工作，将信息发送给服务端。这样就实现了单片机与NB-IOT模块之间的通信，将信息传输到服务端。

三、通信协议

单片机使用NB-IOT模块将信息发送给服务端时，需要预先使用预设的通信协议对信息进行编码。当信息通过NB-IOT模块到达服务端时，服务端会根据通信协议对信息进行解析，以判断电表箱的编号，判断发送信息是日常心跳还是报警，并读取信息中携带的电流信息等内容。因此，通信协议的规划如下：协议由8个部分组成，信息总长度为固定的18个字节。这些部分包括起始位（1字节）、信息类型（1字节）、电表箱编号（4字节）、门磁开关模块信息（4位）、红外对射状态信息（4位）、电流信息（2字节）、预留位置（5字节）和校验位（4字节）。

起始位令字节各位全为“1”即十六进制的“FF”，作为信息的起始标志。信息类型分为两类，一类为日常的心跳信息，采用“AA”表示；另一类为报警信息，采用“F5”表示。电表箱编号在单片机程序写入时记录在EEPROM中，每次发送只需读取对应位置的值。门磁开关的信息和红外对射状态信息用一个字节表示，其中高4位表示门磁，低4位表示红外对射。正常状态下，门磁常闭导通，红外对射正常，发送的信号为“1”，改变状态时，信号由“1”变为“0”。电流信息采用2个字节的16位进行发送，其中低4位表示小数部分，高12位表示整数部分。在单片机获取电流信息并准备发送时，首先对电流信息进行处理，保留电流小数点后1位的数据，并将小数部分和整数部分按要求改变成为16位的数据信息发送给NB-IOT模块。本次采用的校验采用32位的CRC校验来进行数据校验。

四、结束语

本次设计的多功能防盗电电表箱立足于实际应用场景中，以解决盗电问题为出发点，对电网末端起到一定的保护作用。同时，本次设计所采用的元件成本较低，对供电公司的投入不会产生过大负担，也不会成为推广的阻碍。最后，本次设计还具有一定的延展性，可以与智能抄表系统结合使用，降低通信成本。然而，本次设计仍有不足之处。在控制成本的前提下，可以增加摄像头拍照功能，用于保存盗电情况的证据。同时还可以增加远程开门功能，通过服务端下发开门指定，实现电表箱自动开门，这将极大地方便底层运维工作。

作者单位：刘思宇 周颖琦 王嘉浩 河南水利与环境职業学院

李冬洁 国网濮阳分公司

参  考  文  献

[1]王子权，范燚，项贇，等.基于STM32的多路温湿度扫描检测系统设计[J].电子设计工程，2022，30（20）：73-78.

[2]项煜，王华，叶华，等.防窃电智能电表箱及取证系统开发技术分析[J].电子元器件与信息技术，2022，6（01）：1-2.

[3]晏雨婵.基于STM32单片机的超声波测距系统[J].内燃机与配件，2022（17）：76-78.

刘思宇（1992.12-），男，满族，辽宁绥中，硕士研究生，研究方向：模式识别；

周颖琦（1984.03-），男，汉族，河南荥阳，本科，高校讲师，研究方向：计算机科学与技术；

李冬洁（1992.12-），男，汉族，河南濮阳，硕士研究生，研究方向：通信工程。