基于STM32的故障电弧监测方案设计

摘 要：针对电力系统发生故障时异常的电弧和温度，设计基于STM32的监测方案。通过各种传感器和外设采集数据，利用STM32平台对测得的数据进行分析，从而降低电气火灾的发生概率，减少经济损失。故障电弧的电流通常伴随着过零点出现“平肩”，即零休现象，存在高频谐波，还会发生火灾，同时周围温度会升高。利用电流传感器以及温度传感器，将测得的信号数据输入STM32芯片；经过A/D转换后计算分析，再实时将数据通过LoRa模块上传至云平台进行预警。

关键词：STM32；故障电弧；云平台；电气火灾；传感器；LoRa

中图分类号：TP39；TM7 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）03-00-03

0 引 言

随着科技水平的发展，各种电气设备被广泛地应用于生活中，但是电气设备背后也存在着安全隐患[1]，容易造成火灾并引起财产损失和人员伤亡，所以针对故障电弧的监测对当今社会发展极其重要。每年火灾事故中电气火灾的占比是相当大的，并且造成了巨大的经济损失[2]。如果没有即时发现电气故障，持续下去设备就会有引发火灾的风险。国内外已有对电弧的弧声、弧光、温度、压力等物理特性进行监测的方案。然而受传感器监测范围的限制，已有方案缺少灵活性。当今的预警系统通过读取电流波形，并且结合物联网技术进行远程监测，具有时效性强、安装灵活、操作简易、实时准确等特点[3-5]。

1 系统总体设计

1.1 系统总体设计框架

主控模块与采集节点进行通信，从故障电弧探测器采集相线中由电流互感器获取的信号和温度传感器采集的信号，经过A/D转换集中到STM32系列单片机。芯片通过LoRa和4G模块将信息上传到云端。总体设计框架如图1所示。

1.2 主控芯片

主控芯片采用STM32G070RB，其工作频率高达64 MHz。该芯片集成度高，可广泛用于工业和消费领域，以及一些物联网的解决方案中；适合在-40～85 ℃的环境温度下运行，可用电源电压为2.0～3.6 V。本文将其作为采集节点的主控和LoRa网关的主控，该设备的封装有32个或64个引脚。其引脚配置和分布如图2所示[4-5]。

1.3 温湿度传感器

采用DHT11温湿度传感器采集数据，再通过与STM32的连接，将测得的温湿度信息上传。DTH11的功耗较低，连接简单稳定。由于开发板可提供3.3 V电压，在该传感器的正常电压范围之间，故而如图3所示，将引脚1接电源正极，引脚3接地。引脚2作为数据端接入PA15。

1.4 电流传感器

选取ACS712电流互感器，其结构简单可靠，寿命较长，便于维护，价格较低。采集信号后经过传感器内部电路进行放大、滤波和斩波与修正，将信号从芯片的OUT引脚输出。 ACS712的VCC电源一般建议采用5 V。ACS712模块引脚如图4所示。

1.5 无线模块

LoRa模块采用E22-400T22D，是基于SX1262射频芯片的无线模块，具有传输模式多种多样、工作频段广泛的优点。理想条件下，最大通信距离可达5.5 km。模块兼容3.3 V与5 V的IO口电压，在大于3.3 V电压供电时均可保证最佳性能，支持定点传输、广播传输、信道监测[6-7]。

节点板和网关板使用可控5 V电源给LoRa模块供电，其中节点板的可控电源电路结构和LoRa模块的引脚分别如图5、图6所示，网关板的结构可参考节点板。

云平台和监控主机之间的通信基于SX1262发射芯片，采用LoRa无线传输技术进行，并通过UART与主控模块进行交流。时钟晶振电路为系统提供时钟信号，它在相同的功率下比其他无线传播设备传播的距离更远，具备低功耗和远程传输的优点，能够避免引起严重火灾[8-10]。

1.6 通信4G模块

网关板和云平台之间可用无线网或者4G进行通信，这里采用4G通信更方便稳定。选择的是紫光展锐设计的LTE Cat1无线通信模组Air724UG-NFC。采用LCC封装，供电范围为3.3～4.3 V，模块一共具有两组引出排针，分别接在网关板的引脚上，如图7所示。

2 软件设计

软件流程如图8所示。系统上电后，首先完成各模块初始化，主控向每个传感器模块发送查询的指令；传感器端接收到指令后，即会向主控制器传送当前测得的数据，从而进入数据处理阶段，同时通过LoRa和4G模块将实时数据上传至阿里云端显示。

3 系统测试

本次系统测试使用DHT11温湿度传感器，目的是将传感器测得的数据由节点板的LoRa模组传至网关，再通过4G模块上传至阿里云，并将温湿度信息实时同步到APP端。

3.1 节点板上线

从阿里云端获得节点板的三元组信息，并将其添加至节点。节点板和网关板采用正常传输模式、定点收发数据的方式进行通信。需要保证空中速率和网络ID地址参数相同，模块地址和信道单独设置，通过CRT软件调试并将三元组参数写入。节点板配置如图9所示。

3.2 网关板上线

将阿里云设备三元组信息和定点传输参数设置到网关板，设置完毕后打开复位开关，网关板复位并通过传输层TCP协议连接阿里云；然后通过应用层MQTT协议，发送CONNECT报文，并订阅相关主题。连接成功后查询节点板是否在线，如果节点板开机则要求节点板发送自己的三元组信息，网关板成功接收到后，云端就可以看到两个节点都上线了，如图10所示。

3.3 传感器配置

先在程序头文件中配置DHT11对应的IO组：

#define DHT11_GROUP" " " "GPIOA

再配置相对应的IO口：

#define DHT11_PIN" " " "GPIO_PIN_15

将DHT11对应的IO分组、时钟使能：

#defineDHT11_GROUP_CLK_ENABLE __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE（）;

声明读取温湿度函数：

uint8_t DHT11_Read_Data（double *，double *）;

声明初始化函数：

uint8_t DHT11_Init（void）;

根据配置函数，将DHT11的数据采集引脚接到PA15上，其他两个引脚分别接3.3 V和GND，如图11所示。随后通过改变DHT11周围的温度情况，在云端验证是否实时上传并同步到APP端。

3.4 测试结果

在阿里云平台上可以看到温度数据，如图12所示。同时我们可以看到在手机APP端的界面显示，如图13所示。

4 结 语

结合物联网和传统故障电弧监测的优点，配合云平台和终端APP，可以使电气火灾监测更具时效性。随着科技的发展和进步，以及算法的不断优化，物联网将会在各个领域得到应用。

参考文献

[1]张葭伊，吕淑然. “三合一”场所消防现状分析及管理对策探讨[J]. 安全，2018，39（11）：56-59.

[2]耿晓帅，孙世梅，王远航，等. 基于物联网的建筑火灾预警系统[J]. 数字技术与应用，2018，36（11）：93-94.

[3]沈亚强. 电气火灾监控系统的设计与实现[D]. 重庆：重庆大学，2018.

[4]王薇. 基于STM32F103的无主机通信系统的设计[D]. 天津：天津工业大学，2017.

[5]孟强. 基于STM32的数据采集系统设计[D]. 南京：南京林业大学，2014.

[6]周金芝，杨明. 基于单片机和RS485总线的温度监测系统设计与实现[J]. 通化师范学院学报，2016，37（2）：8-10.

[7]邬亮，吴卓葵，曾杨达，等. 基于LoRa的温室多点无线监测系统设计 [J]. 仲恺农业工程学院学报，2020，33（1）：1-5.

[8]赵静，苏光添. LoRa无线网络技术分析 [J]. 移动通信，2016，40（21）：50-57.

[9]岳云涛，贾佳，王靖波，等. 基于LoRa无线传输技术的电气火灾监控系统设计[J]. 电子技术应用，2018，44（12）：32-35.

[10]顾兆平. 基于LoRa无线通信技术的电气火灾监控系统[J]. 消防技术与产品信息，2018，31（10）：50-52.

作者简介：方 超（1996—），男，硕士，研究方向为电气工程。