基于5G通信技术的三相缺相报警系统设计

关键词：ARM最小控制系统；缺相报警；5G技术；信号传输；三相交流系统；手机云台

0 引言

三相缺相报警系统广泛应用于工业设备、电力系统、自动化生产线等需要监测三相电源状态的领域，其重要性不言而喻。该系统能够对三相电路的运行状态进行实时监测并报警，有效防止因缺相导致的设备损坏和人身安全事故。基于5G通信的三相缺相报警系统结合了5G通信技术高带宽、低延迟和广覆盖的优势，以及三相缺相检测电路的实用性，适用于各种三相交流电系统的缺相保护需求[1]。

1 系统结构及功能

该系统采用分层架构设计，包括感知层、传输层、服务层和应用层，具体结构如图1所示。

感知层是系统信息采集的关键部分，能够检测三相电源的缺相信息，采集环境温度，并通过红外技术检测人体信息，然后将数据通过通信设备进行传输。

传输层负责数据的处理和传输。5G通信技术的引入，以其高带宽、低时延和广覆盖的显著特点，为三相缺相报警系统与云服务器之间的数据传输提供了强有力的支持。5G通信技术显著提升了信息上行传输和下行回传的速度，加快了数据的处理与流通效率，为实时分析和决策提供了坚实的数据基础，同时也极大地方便了管理员的操作[1]。

服务层负责接收和处理来自传输层的数据，并进行数据存储、整理和分析。通过数据分析，服务层能够预测三相缺相报警的变化趋势，并为用户提供实时预警和决策支持。服务层将分析结果以直观的方式展示给用户，帮助用户更好地了解和应对安全问题。

应用层为业主用户、维保单位和管理人员提供服务，根据用户角色进行权限管理，确保数据访问权限的安全性。应用层通过云平台实时接收传感器数据，并通过Web端和移动端App将信息展示给用户。

当系统检测到三相电源中的某一相或多相缺失时，会立即发出声光报警信号，提醒工作人员及时采取措施，以避免故障扩大。当检测到缺相现象时，系统会及时切断电源，启动备用电池为报警模块供电，从而防止设备因缺相而损坏，减少维修成本并延长设备使用寿命。发生缺相报警时，在工作人员进行维修作业过程中，系统会通过红外检测功能将维修时间记录上报至云平台。系统通过实时监测环境温度并及时上报报警信息，可以有效预防潜在的安全隐患，提高系统的可靠性与稳定性，保障电力系统与工业生产的安全运行。系统支持远程监控和管理，通过5G通信技术将报警信息上传至云平台，工作人员可实时查看系统运行状态和报警信息，并进行远程控制与操作，从而提高工作效率和便捷性。

2 系统硬件设计

该系统的硬件设计如图2 所示，主要包含STM32F103C8T6控制芯片、三相缺相检测电路、液晶显示电路、红外人体靠近检测电路、语音电路、5G报警信息上传电路、锂电池充放电电路以及语音声控电路。

2.1 ARM 最小控制系统

该系统采用STM32F103C8T6 作为核心控制芯片，这是一款基于ARM Cortex-M3内核的微控制器，具备高性能和低功耗的特点[2]，适用于各种嵌入式系统开发。STM32F103C8T6 芯片集成了ARM Cortex-M3内核、闪存和SRAM，并提供丰富的外部接口与功能，以满足系统需求。电路原理图如图3 所示，STM32F103C8T6芯片的集成特性使其能够满足系统的多样化需求[3]。

为了确保STM32F103C8T6芯片能够正常工作并便于程序内部倍频，系统选用了8MHz的晶体振荡器和两个22pF 的电容作为时钟源，连接到芯片的OSC_IN和OSC_OUT引脚上，为电路提供时钟信号[4]。系统还包含LED指示灯、按键等外设电路，这些外设连接到芯片的SDIO引脚，并添加相关的电阻、电容等元器件以进行保护和控制。

此外，系统还包含5G通信接口引脚、三相缺相模拟检测输入引脚、液晶驱动接口引脚、语音报警输出引脚、红外检测接口引脚以及温度检测输入引脚等，用于连接外部器件。系统接收传感器的输入信号，并根据CPU内部设定的程序对输入信号进行判定，然后驱动系统中的执行设备完成相应指令。

2.2 电源模块

电源电路为整个系统提供稳定的电源，确保芯片和其他外围器件能够正常工作。该电源电路如图4所示，将输入的220V交流电转换为24V直流电，并进一步通过LM2596和AMS1117芯片分别得到5V和3V的直流输出，以供系统使用。电源电路包含稳压芯片和滤波电容，用于降低输出纹波，提高带载能力。

系统在检测到缺相现象时，会及时切断电源，启动备用电池为报警模块供电，以防止设备因缺相而损坏，从而减少维修成本。系统使用TP4056芯片进行备用电池的充电，当外部电源断开时，系统会立即切换至备用电池供电，为ARM最小控制系统及5G模块提供电力，并上报报警信息。

2.3 5G 通信模块

该系统选用移远通信的RG200U-CN 模块作为5G通信模块，这是一款专门为物联网和高速数据传输应用设计的5G模块，支持NSA和SA两种5G网络架构，确保在不同网络环境下都能实现稳定高效的数据传输。RG200U-CN模块采用Mini PCIe接口封装，体积小巧，便于连接各种设备。模块内部集成了丰富的网络协议和外设接口，支持多种驱动和软件功能，提供灵活多样的配置选项。

RG200U-CN模块专为物联网（IoT）和增强移动宽带（eMBB）应用量身打造。它具备卓越的兼容性，支持NSA和SA两种5G网络架构，确保在各种网络环境下都能实现稳定高效的数据传输[5]。此模块采用MiniPCIe接口封装，使得模块在尺寸上更加紧凑，同时确保了与各种设备的便捷连接。模块内部集成了丰富的网络协议和外设接口，支持多种驱动和软件功能，为用户提供了灵活多样的配置选项[6]。

在系统设计方面，RG200U-CN模块展现出了极高的稳定性和可靠性，其卓越性能使其特别适用于高速数据传输场景，能够满足需要快速响应的IoT应用。本模块可以将ARM最小控制系统中得到的三相缺相报警信息、人体红外检测信息及环境温度检测信息上传至手机云平台，实现实时监控功能。

2.4 三相缺相模拟检测模块

本模块用于检测三相电源中是否存在缺相现象，电路原理图如图5所示。本系统中的缺相检测模块包含三个缺相检测端子J501、J502、J503，分别代表三相电A 相、B 相和C 相。黄灯D501、绿灯D502 和红灯D503分别为A、B、C三相的带电指示灯。当每一相供电正常时，对应的指示灯熄灭；当短接J501、J502或J503中的任一端子时，模拟该相电缺相，且对应指示灯点亮[7]。

本系统采用TLP185光电耦合器检测缺相信号，由STM32F103C8T6芯片的10、11、12脚接收A、B、C相位信息。当未出现缺相时，对应引脚输入为高电平；而当出现缺相时，驱动该相对应的光电耦合器工作，将对应引脚的电位拉低，同时点亮对应的缺相指示灯[8]。

2.5 液晶驱动模块

本模块负责将图像数据信号转换为液晶屏能够理解的格式，并控制液晶屏的显示。在本系统中，液晶屏显示缺相信息、语音报警信息、红外检测信息及环境温度信息，电路原理图如图6所示。

本系统采用LCD1602工业字符型液晶显示屏，它由字符型液晶显示屏（LCD） 、控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路、少量电阻、电容元件和结构件等组成，可以同时显示两行，每行16个字符，共32 个字符。LCD1602主要由STM32F103C8T6芯片控制，负责将外部输入的数据和指令转化为液晶的显示。

LCD1602的驱动方式包括写入模式和显示模式。在写入模式下，STM32F103C8T6 芯片向LCD1602 发送所需显示的字母、数字或符号的ASCII码，并通过引脚将这些数据传递给驱动器。驱动器将这些数据转化为高低电平信号，进而建立电场，控制液晶分子的排列状态，实现像素的显示。

2.6 语音报警模块

本模块是一种基于特定芯片和电路设计的报警系统。在本系统中，它用于播报缺相信息及有人靠近的提醒，能够为现场工作人员提供安全保护。原理图如图7所示。

该部分电路包括KT404C语音芯片、W25Q80存储器、HAA2018功放、USB接口以及用于数据更新和连接的MICROUSB。语音文件通过MICROUSB接口从CPU传输到W25Q80存储器中，KT404C语音芯片从W25Q80 中读取语音文件，并根据需要控制HAA2018功放进行播放。通过串口UART，可以实现对KT404C的精确控制。

2.7 红外检测模块

本模块由Biss0001芯片、热释电红外传感器（PIR） 和少量外接元器件组成，这是一款高性能的传感信号处理电路，主要应用于红外检测领域。原理图如图8所示。

电路包含数模混合设计，Biss0001芯片是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。当有人或其他物体进入探测器的探测范围时，PIR会探测到红外辐射并将其转换为电信号。该信号经过运算放大器的放大和双向鉴幅器的处理后，由Biss0001芯片进行分析和判断。如果信号超过一定的阈值或持续时间，芯片会输出控制信号，触发相应的报警，并上传至5G云平台，同时语音播报“有电危险”。

2.8 温度检测模块

本模块包含环境温度检测功能，能够实时采集环境温度，并通过液晶显示屏显示，同时通过5G网络上传到手机云平台。温度检测电路采用NTC 10K电阻式温度传感器，通过读取AD采样值，计算出电阻值，根据相应的温度阻值表，换算成实际温度值，并在液晶显示屏上显示温度值。电路原理图如图9所示。

3 系统软件设计

系统软件设计采用分层架构，主要包括底层驱动层、应用层和数据处理层，软件设计流程如图10所示。当设备上电后，首先对单片机的时钟、串口、IC等进行基础初始化，同时对传感器模块和5G通信模块进行初始化。初始化成功后，建立5G通信连接，进行数据采集和数据处理。

系统将环境温度通过液晶显示屏进行显示，并将数据打包，通过串口通信发送到5G通信模块。同时，通过AT指令控制将数据上传。系统还会判断三相电路是否存在缺相现象，若存在，则进行语音和显示屏报警，并通过5G通信将报警信息发送至手机云平台。此外，系统还通过红外传感器检测是否有人存在，若有，则通过5G通信将信息发送至手机云平台，并进入低功耗模式。

4 系统平台搭建

系统平台采用云-边协同架构，云平台负责数据存储、处理、分析和用户交互，而边缘设备则负责数据采集和初步处理，通过5G网络进行数据传输。

4.1 云平台系统设计

在三相缺相报警系统中，云平台处于绝对核心地位，不仅处理和分析来自传输层的关键数据，还为用户提供了一个直观、友好的可视化操作界面。云平台具备实时数据监控功能，能够准确反映三相缺相报警系统的工作状态，并及时识别异常情况，确保系统的稳定运行和安全性。

在本设计中，我们选择了阿里云物联网平台作为云平台。阿里云物联网平台支持多种主流设备通信协议，满足不同用户和应用场景的需求。该平台提供产品快速部署、设备便捷接入等功能，简化了开发流程，降低了项目的复杂度和实施难度，从而帮助开发者提高项目开发效率和运行稳定性。

云平台提供高效的数据传输通道，简化了数据传输流程。使用HTTP/2通道技术，确保数据传输的效率和稳定性。同时，云平台利用规则引擎进行数据实时处理，提高数据处理效率和响应速度。

云平台与手机端微信小程序无缝对接，用户能够随时随地掌握设备状态。微信小程序提供直观、易用的管理界面，方便用户管理系统设备，支持设备状态查看、报警信息接收和远程操作。

4.2 功能实现

系统平台具备数据分析、实时监控和报警处理全跟踪等功能。

1） 数据分析。系统具备强大的数据分析能力，能够对传感器数据进行分析，发现潜在的异常情况。系统能够对三相缺相报警进行准确判断，及时捕捉潜在隐患并给出预警，确保系统的稳定运行。

2） 实时监控。系统具备实时监控功能，能够实时采集环境温度、缺相信息等数据，并允许用户设置数据上报的时间间隔和次数。

App 实时监控功能如图11所示。

3） 报警处理过程全跟踪。系统具备报警处理全跟踪功能，能够记录每一个报警处理过程，并提供故障处理记录查询功能。

App报警受理功能如图12所示。

5 总结

本文提出了一种基于5G通信的三相缺相报警系统，该系统融合了5G通信技术的高速数据传输、低延迟和广覆盖优势，并结合了三相缺相检测电路和云平台数据分析功能，实现了三相电源缺相故障的实时检测和远程报警。该系统可广泛应用于各类需要监测三相电源状态的场所，有效提高电力设备的安全性和稳定性，为用户提供更加便捷、高效的设备管理方式。

本方案适用于各类需要监测三相电源状态的场所，如工业生产线、数据中心、商业建筑等[9]。通过集成5G通信技术和缺相检测电路，本方案能够有效提高电力设备的安全性和稳定性，降低因缺相故障导致的设备损坏和停机风险。同时，其智能化管理功能也为用户提供了更加便捷、高效的设备管理方式[10]。