基于单片机的配电箱内环境参数检测与报警系统设计

岳潇 张国睿 张霞

[摘    要]设计了一种配电箱内环境参数监测和报警管理系统，通过单片机来完成箱内的环境参数监测和报警功能，采用传感器模块、无线发送接收模块、声光报警模块系统来采集配电箱内的环境监测数据并上传到物联网平台进行实时监控，即使出现环境异常也可以及时实现报警功能，极大地方便了使用者和管理者进行现场或远程监测管理的工作。

[关键词]单片机;配电箱;环境参数;检测;系统设计

[中图分类号]TM642 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）01–00–03

[Abstract]The article designs an environmental parameter monitoring and alarm management system in a distribution box. The environmental parameter monitoring and alarm function in the box is completed by a single chip microcomputer. The sensor module， wireless transmitting and receiving module， and sound and light alarm module system are used to collect and configure The environmental monitoring data in the electrical box is uploaded to the Internet of Things platform for real-time monitoring. Even if the environment is abnormal， the alarm function can be realized in time， which greatly facilitates the on-site or remote monitoring and management of users and managers.

[Keywords]single-chip microcomputer;environmental parameters in the distribution box; detection; system design

近年来，频繁的火灾事故导致配电箱的使用具有一定的危险性，我国对配电箱内电器的工作温度有限定，环境空气工作温度上限不高于40 ℃，温度下限为-5～-25 ℃。虽然我国对配电箱火灾报警系统的研究取得了一定的进展，但仍存在以下问题：环境检测参数少，火灾容易被忽略，网络依赖性很强，对于突发情况例如断网状况和时间差无法避免。

刘江虹等[1]采用温度检测的方法进行报警设计，但实时环境参数较少不够全面;吴迎春等[2]采用数模转换器传递信号至单片机设计了一款家用小型报警器，表明了报警系统的可行性;余震[3]研究了一种家用无线报警装置系统。上述方法研究效果佳但设计过于单一，不能同时满足多种功能要求。为更系统地反映装置的特点，对设备的特性数据进行连续统计。对于以上问题，设计了一款通过单片机多传感器和物联网技术对配电箱内环境进行实时检测与数据传输，解决了当前配电箱工作状态监控缺乏实时性的问题。对系统控制部分的硬件软件设计，实现在配电箱内环境超出安全阈值时的报警功能。

1 系统总体设计

基于单片机设计的开发及使用已非常普遍，如基于单片机设计的家居火灾监测及报警控制系统的设计等，由于单片机设计价格经济实惠功能完善，本设计配电箱内环境参数监测及报警控制系统总体分为如下架构：STC89C52、DS18B20、MQ-2，LCD1602、声光报警模块、散热风扇、ESY-O1S和物联网平台。当信息采集部分采集到实时配电箱温度和烟雾数据的异常，即将信息传输到声光报警和液晶显示部分，而异常信息和报警可以经过无线模块传输到物联网平台来进行接收。系统工作原理如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 传感器硬件设计

本系统通过DS18B20数字温度传感器和MQ-2离子烟雾感应器采集配电箱的运行环境。

DS18B20DTS是较常见的数字温度传感器，主要包括寄生电源、TS、64位激光ROM单线接口、存放中间数据信息的SPAD，以及作为存储用户设置的温度方法：①允许使用软件延迟，②定时延时[4]。环境温度的测量范围为-55～175 ℃，检测准确度为0.5 ℃，在应用时，可设定为四种不同分辨率设置：0.5，0.25，0.125，以及0.062 50 ℃，从而能够适应配电箱内环境温度检测的需要。

MQ-2是多种气体探测器。MQ-2的探测范围非常广，当MQ-2检测到烟雾气体时，内部就会形成电压，电压和烟的浓度成正比，所以可以通过电压来计算烟气浓度。

2.2 无线发送和接收模块与单片机连接电路设计

为实现无线通信的功能，本系统通过基于ESY8266芯片的ESY-O1S无线通信模组实现信号的传送。此wifi模块不仅具有较低的工作電压，而且待机模式功率低至1.0 MW，同时此模块通过串口通信方式与单片机实现数据收发，其传输速率也能够达到4 Mbps。

ESY-01S的GND引脚除了与独立的电源地线相接外，还需与单片机共地。且ESY-01S在进行串口通讯时，RX引脚与TX引脚分别与单片机P3.1、P3.0连接。

2.3 声光报警设计

声光报警电路由蜂鸣器、LED灯组成。蜂鸣器和LED灯有两端接口，一端接电源，另一端和P1.7和P1.6引脚相接。当单片机控制器接受了环境检测部分的单片机所传送来的火灾信号时，声音报警部分的主控单片机会将声光报警电路的P1.6和P1.7引脚置位至低电平，蜂鸣器报警，并且LED报警灯点亮。

本控制系统通过3个独立按键设计，完成了系统的设定功能，用于调整对温度和烟雾的报警数值大小。LCD1602液晶显示器是指显示屏的内容是16×2，也即能表示二行，每行16个文字符的液晶模块[5]。使用LCD1602液晶显示屏能够实时表示温度和烟雾等数据，显示器通过用并口方式传输通信，通过并口引脚和单片机的P0口相连。

2.4 远程物联网平台展示设计

本系统采用了OneNET物联网平台，来完成对配电箱内实时环境的远程显示功能。OneNET平台作为网络连接和数据处理的中枢，可以适应于所有传感器网络和通讯网络并支持各种通讯平台，此系统同时也支持将数据由PC端到手机客户端，便于使用者随时随地观测数据并了解配电箱内的环境状况。

3 系统软件设计

单片机在使用前就必须完成系统初始化，并同时设定了温度和烟雾传感器的阈值，当系统接受到传感器所发出的数据以后，便将数值与阈值进行对比。将数据在LED1602上实时表示，并且使用ESY-O1S无线通信模块，将温度和烟雾数据分析上传给OneNET网络平台，由网络平台对数据分析予以展示。在系统运作期内，能够自主判别配电箱内部环境状况有无异常，并且做出相应的动作如执行声光报警，开启关闭散热能力风扇等。系统软件工作过程如图2所示。

4 实验验证

4.1 温度散热性能测试实验

本次实验结果决定使用两种相同型号的配电箱A和B，长度规格均为40 cm×30 cm×20 cm，配电箱A带有散热窗和风扇，配电箱B较为封闭。分别安装4个温度检测器在不同位置，温度检测器1和2分别安装在A、B内部，温度检测器3安装在B外部，而温度检测器4安装在高度2m阴凉处。温度检测器1用来检测系统的温度，温度检测器2用来检测参考温度，温度检测器3用于检测配电箱箱体的温度，温度检测器4用于检测周围环境中的温度。烟雾探测器在无火源状况下的烟雾探测中应用。

选取12：10至17：59的温度数据，满足在相同环境天气晴朗，设置风扇阈值关闭和开启分别为35 ℃和40 ℃。温度随时间变化见表1。从表1可看出：在实际环境温度超过40 ℃时风扇可以正常启动，在时间长6h的实验过程里，虽然实验环境温度一直小于参考环境温度，但最高气温差异却可以达到6 ℃，而实验中对照环境温度和实时温度之间的温度落差累计时间见表1和表2。

在测试过程中，由于表面温度波动很大，导致发生了表面温度远小于参照环境温度的情形，主要因素为外部环境条件不平衡，风力的大小和浮云都可以造成表面温度变化很大，因此造成了配电箱A温度变动过快，配电箱B由于将空气的散热窗密封空间而较为封闭，因此温度变动较慢。

4.2 火灾报警系统实验验证

在物联网平台上提取系统上电1h活動烟雾传感器采集的数据，由数据可以得出烟雾传感器在预热阶段输出值较高，大概在568 mV，并且由于时间的延长，输出值在逐渐下降并稳定在458～518 mv区间内。基于市面上大部分系统经常发生火灾误报情况，在这里将火灾报警值设置为65 ℃，烟雾报警器2000 mV。实验验证效果时，先在配电器内放入打火机并点燃，当火苗逐渐接近温度传感器，此时声光报警装置便成功开启，警报响起。

5 结束语

设计了一款配电箱内环境参数检测与报警系统，并且介绍了系统的结构和基本原理。经过实践实验表明使用本系统后，即使在夏季光照下，温度为36.7 ℃左右时，封闭式配电柜最高能降温6 ℃。火灾事故发生时，声光报警装置能够正常开启，在物联网平台上还能够实时监控温度和烟雾等数据，在PC和手机上可以同时查看。该控制系统可以实现在配电箱正常工作时对环境参数变动，以及突发事件的实时监测要求，报警器能及时响应。

参考文献

[1] 刘江虹，吴俊锋，梁艺珍，等.基于单片机的配电箱温度监测和火灾报警系统设计[J].消防科学与技术，2020，39（11）：1542-1545.

[2] 吴迎春，曾利霞.基于单片机的家用智能火灾报警器的设计[J].价值工程，2019，38（34）：138-139.

[3] 余震.基于单片机的家用无线火灾报警系统设计[J].电子测试，2018（7）：19-20.

[4] 张大勇，张鸿.浅谈低压配电箱在运行中的故障及改进[J].中国设备工程，2018（20）：38-39.

[5] 金封，鲍光海.智能配电箱系统设计[J].电器与能效管理技术，2017（11）：54-58.