基于NB-IoT技术的家庭断电报警器设计

吴军

摘要：针对家庭用电线路断电后不及时供电而造成重大损失，提出了一种满足家庭断电报警需求的控制器设计方案，采用了光电隔离、断电检测、NB-IOT通信等关键技术，介绍了系统的工作原理和设计方案，经测试验证该报警器满足家庭用电智能化监测要求。

关键词：断电报警  光电隔离  断电检测  NB-IOT

引言

在一些家用场合，例如家用制氧机、呼吸机等需要24小时不间断供电的设备必须保证不间断地供电，或停电后必须通知操作者，使其知道已经停电，采取相应的措施。家庭用电线路不带有断电提醒装置，当使用需要24小时不间断电源供电的电器时，存在极大的安全隐患。目前的家庭用电线路在实际应用中存在如下问题：（1）市电断电没有提醒，不易及时发现;（2）市电断电如不及时恢复供电，其引发的衍生危害，随电器的不同导致的后果不尽相同;（3）目前市场上的断电报警器安装配置复杂，不适合家庭供电环境。

针对上述技术问题，本文提出了一种基于物联网技术的家用市电断电报警器设计方案，市电正常供电时，报警器处于监测状态，当市电停电时，立即通过网络发送信息给用户，提醒用户采取相应的措施。系统采用了物联网技术传输状态及报警信息，物联网通信通常采用的是Zigbee、WiFi、蓝牙、等短距离通信技术，其通信距离短、功耗高制约了其发展前景，而新兴的NB-IoT（窄带物联网）技术，具有低功耗、连接稳定、广域连接、强穿透、低资费等优点，NB-IoT模组利用CoAP协议将采集的状态信息周期性上报给云端服务器，云端服务器将数据信息推送至微信小程序，用户通过微信小程序可以随时了解家庭供电情况，因此，基于NB-IoT技术的家庭断电报警器具有良好的应用前景。

1 系统结构及原理

家用市电断电报警器包括断电检测模块、主控制器、NB-IOT模块、电源管理模块和电池模块。系统结构如图1所示，断电检测模块的一端与被家庭插座连接，断电检测模块的另一端与主控制器连接，NB-IOT模块连接到主控制器上;主控制器及NB-IOT模块由供电模块供电，供电模块选用市电和蓄电池切换供电。实际运行时，当断电检测模块检测到市电断电时，会及时向主控制器反馈开关量信号，主控制器接收到上述开关量信号后可以通过NB-IOT模块发送消息到未在家中的用户，以便于户主及时获知断电信息并采取相应措施。报警器也可以定时将电路状态信息发送到云端服务器，便于住户对家庭供电情况的远程监控。由于NB-IOT模块具有低频次，低传输字节的特性，可以实现超低功耗，保证断电报警模块采用蓄电池供电也能维持很长的工作时间。

2 系统硬件设计

2.1电源模块设计

电源模块提供两种供电方式，对于外部适配器供电情况，220V市电通过开关电源Buck 电路和 LDO 芯片降压到系统各模块需要的电压值，分别给MCU和NB-IOT模组供电，电源模块供电电流大于500mA，电源瞬态 1A 时确保系统不掉电，由于本电路功耗较少，所以选用10W的小型变压器。电源模块提供防反接、短路保护、过流保护、大动态切换等功能。

对于使用电池供电情况，当前NB模组的输入电源为3.1～4.2V，由于电池工作电压会随工作时间逐渐降低，电源模块通过增加升压 Boost 器件来保证电压低于3.1V 时NB模组正常的工作。

2.2断电检测及电子开关切换电路

断电检测电路主要由电压比较器构成，正常情况下，继电器的常闭触点和市电相连;当市电断开，电压比较器输出高电平，检测电路中的达林顿管将电路中继电器开启，将其常开触点将蓄电池和电路相连，实现市电和蓄电池供电的切换，保证正常工作。断电检测电路采用光电隔离技术，防止雷击浪涌引入检测器及设备。为了延长蓄电池工作时间，设计了蓄电池自动充电电路，它在电池充满后自动停止充电，通过电压检测电路，蓄电池电压低时实现对其充电;充满后停止充电。

2.3 主控制器设计

主控制器主要由单片机及其外围电路组成，本系统控制功能相对简单，选择8位单片机即可满足控制需求。考虑到超低功耗要求，主控制器选择STM8L050微控制器，STM8L050在低成本的SO-8封装基础上，集成了多达6个用户I/O接口的丰富的模拟外设、DMA控制器和独立的数据EEPROM。片上集成的DMA控制器可以简化外围设备和内存或内存与内存之间的数据传输，从而提高微控制器的处理性能，降低功耗。256字节的独立EEPROM可在MCU关闭时存储重要的程序数据，同时还可以最大限度地使用闪存保存程序代码。除两个比较器外，STM8L050还有带可编程闹钟和定期唤醒功能的低功耗实时时钟（RTC），可以最大限度地减少外部模拟元件数量。其它功能包括8KB闪存、1KB RAM、两个16位定时器、一个8位定时器，以及常用通信接口和调试接口，包括SPl、12C、UART和SWIM。STM8L050具有最低功耗350nA的省电模式，以及3.6V-1.8V的寬工作电压，确保微控制器在苛刻应用中的工作稳定性和可靠性。

2.4无线通信模块

无线通信模块选择WH-NB73模块，WH-NB73是一款低功耗NB-IoT模块模块，开放的接口包括：电源输入、复位重启控制、恢复出厂设置控制、UART、SIM、射频接口。电源输入范围为3.1V-4.2V，电压典型值为3.8V，要求供电能力至少达到500mA。主控制器通过UART接口控制NB-IoT模块连接网络及数据收发。

3 软件设计

3.1下位机软件设计

断电报警器软件系统分为下位机软件和上层应用软件。下位机软件为单片机程序，由主程序、初始化程序、信号检测程序、状态上报程序、中断处理程序、延时程序等组成。单片机大致应用程序的架构有三种：一是简单的前后台顺序执行程序，这类写法是大多数人使用的方法，不需要考虑程序的具体架构，直接通过执行顺序编写应用程序即可。二是时间片轮询法，此方法是介于顺序执行与操作系统之间的一种方法。三是操作系统，此法适合硬件资源充足的硬件系统。其中，顺序执行法对于应用程序比较简单，实时性，并行性要求不太高的情况下是不错的方法，程序设计简单，思路比较清晰，但是当应用程序比较复杂的时候，如果没有一个完整的流程图，随着程序功能的增加，程序会越来越复杂，既不利于升级维护，也不利于代码优化。鉴于单片机资源有限，程序采用时间片轮询法架构。