教学楼照明设备故障智能报警系统设计

张壮 张素君 闻波 吴龙 邓文平

摘  要：在日常教学中，教学楼内的教室或者走廊以及其他公共区域的照明装置出现故障时，由于无人及时通知后勤维修部门，导致维修不及时，影响正常教学。针对上述情况，设计一款检测教学楼内照明设备故障报警系统，采用集散控制系统，从机分布在各个教室、走廊或者其他区域用来采集照明电器用电信息以及故障识别，主机接收从机信息并上传云平台。主机与从机之间采用LoRa无线通信，系统可以实现照明设备故障可视化，数据实时上传，报警等功能。

关键词：照明设备故障;自动检测;LoRa通信;云平台

中图分类号：TP277         文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）03-0177-04

Design of Intelligent Alarm System for Lighting Equipment Failure in Teaching Buildings

ZHANG Zhuang， ZHANG Sujun， WEN Bo， WU Long， DENG Wenping

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Henan Institute of Science and Technology， Xinxiang  453003， China）

Abstract： In daily teaching， there are lighting equipment failures in classrooms or corridors and other public areas in the teaching buildings， since no one notifies the logistics maintenance department in time， and it causes that the maintenance is not timely and the normal teaching is affected. In view of the above situation， a fault alarm system is designed for detecting lighting equipment failure of the teaching buildings. It uses the distributed control system， and the slaves are installed in each classroom， corridor or other areas to collect the power consumption information and fault identification of lighting electrical appliances. The master receives the information from slaves and uploads it to the cloud platform. The LoRa wireless communication is used between the master and slaves. The system can realize the visualization of lighting equipment failure， real-time data upload， alarm and other functions.

Keywords： lighting equipment failure; automatic detection; LoRa communication; cloud platform

0  引  言

教學楼照明设备数量众多，各种照明电器设备长期使用会造成内部器件故障和损坏，如果不及时维修或更换，就会影响正常教学使用，更有甚者引发火灾、爆炸、触电等危险，然而教学楼人流量大，不便管理，照明设备出现故障发现不及时。本文提出一种教学楼照明设备故障智能报警系统的设计方案，以较低的成本实现照明设备故障报警和维修自动化和智能化。系统以STM32单片机为中心控制单元，将各个教室，走廊等区域划分成独立的检测单元点，对照明设备的用电参数进行采集与处理[1，2]。主机与从机之间通过无线通信模块进行通信，主机可以通过Wi-Fi实现数据上传云平台功能，解决照明设备故障可视化低，维修不及时等问题，实现用户在线查看，远程提醒等功能[3]。

1  系统整体设计

教学楼照明设备故障智能报警系统整体设计框架如图1所示。系统是由一台主机，多台数据采集从机组成。根据使用环境及成本考虑，数据采集从机采用非侵入式负载检测方法。从机安放在教室或者走廊的照明设备配电柜处，从机定时读取电能检测传感器采集的照明设备用电数据，对采集到的用电信息与外置数据库进行数据比对，并根据近期采集的数据信息综合判断照明设备是否发生故障[4]。

当从机检测到照明设备出现故障时，从机将照明设备的故障信息和位置信息通过编码后发送到主机，主机接收各从机检测信息并进行数据解码，同时上传至云平台，通过云平台实现故障位置、故障数量可视化[5]。

2  系统硬件设计

2.1  从机硬件设计

从机硬件包含电源电路、数据采集电路及无线数据通信电路。根据从机使用的环境，采用三级电压转换电路，其中第一级使用AC-DC降压模块，将输入的220 V交流电转换为5V直流电，第二级使用D0505隔离型电源器件隔离系统中的第一级电压转换电路与其他电源，防止第一级出现故障时导致整体故障，减少前级干扰[6]，第三级使用低压差线性稳压器AMS1117-3.3 V降压芯片，用于将隔离后的5 V电源线性稳压成3.3 V电源，为给单片机和无线通信电路供电。从机主控芯片采用STM32F103C8T6单片机作为中心控制单元。由于教学楼内教室数量多，照明线路复杂，无线信号衰减严重等问题，因此无线数据通信电路采用基于SX1278芯片的Ra-01 LoRa无线模块，该模块具有传输距离远、抗干扰性强、功耗低、可靠性高等优点，非常适用于教学楼这类复杂的场合。从机具备外置FLASH存储单元，防止掉电丢失数据，通过将系统第一次上电采集到的照明设备用电参数信息存储，以便后续从机进行故障判断和数据比对等功能。

2.2  主机硬件设计

系统主机硬件由电源电路和Wi-Fi通信电路组成，其中主机的电源电路类似于从机，由于主机仅具有与从机通信和设备故障信息上传功能，所以电源电路可分为两级电压转换电路，第一级通过AC-DC降压模块，实现220 V交流电转换成5 V直流电，第二级采用LDO低压差线性稳压器，将第一级输出的5 V电压转换为单片机芯片所需的3.3 V电压。主机系统和Wi-Fi通信电路均采用AMS1117-3.3 V电源芯片提供3.3 V电源。通过Wi-Fi模块，可实现设备联网，数据上传云平台功能[7]。云平台设备状态显示如图2所示，柱状图表示不同时间段照明设备的最大功率，仪表盘表示照明设备的故障数量。1～4号房间分别拥有27个灯管，每个灯管功率为40瓦，无故障房间的设备最大功率为1 080瓦左右，对于出现故障的房间，其设备最大功率为1 080瓦减去故障数量的瓦数。

2.3  电能采集检测电路

电能采集方式可分为非隔离采样和互感器采样，非隔离采样的优点是电路简单、成本低、体积小，由于非隔离采样是通过电阻分压后测量强电，电路板会带有强电，所以有一定的安全风险;而互感器采样能有效避免这个问题，同时互感器采样不易受温度的影响，综合考虑，选取互感器采样作为该系统电能采集方式。电能采集检测电路由HLW8110电能计量芯片及其外围电路组成，电能采集检测电路如图3所示，HLW8110芯片可测量有功功率、视在功率、电压、电流有效值等用电设备的用电参数，芯片内部提供一路电压检测通道和一路电流检测通道，可以与不同量程的互感器连接[8]。芯片电流采样使用变比为1 000：1精密型电流互感器与被测设备用电电流进行隔离，通过采样电阻采样和低通滤波实现隔离电流采样，电压采样部分采用变比为1 000：1 000精密电流型电压互感器，通过分压电阻实现降压限流，由电压互感器隔离后经采样电阻与低通滤波实现隔离电压采样。从机通过串口读写HLW8110芯片内部功率寄存器和电压/电流寄存器，根据下面公式计算功率。

上式中：P指有功功率，PowerPA指通道A有功功率有效值，PowerPAC指通道A有功功率转换系数，K1指电流系数，K2指电压系数。

3  系统软件设计

3.1  从机程序设计

从机程序设计流程如图4所示，从机首先初始化各部分外设，分时读取电能传感器内部功率寄存器并计算照明设备用电功率，当照明设备出现故障后，从机通过无线传输模块将故障信息发送给主机，等待主机响应。

3.2  主機程序设计

主机主要完成接收从机故障信息和数据上传功能，主机程序设计流程如图5所示。主机通过AT指令配置ESP-12F Wi-Fi模块接入到OneNET云平台，主机等待接收故障信息，期间通过发送心跳包，时刻保持云平台在线。对故障信息数据解码，将需要上传的数据编写到特定格式的报文中，通过Wi-Fi模块发送至云平台存储与显示。

4  实验测试

通过使用USB-TTL模块连接主机的测试串口端子，进行本系统的故障数据接收和数据上传云平台测试，数据上传云平台测试如图6所示。在PC上使用串口调试助手窗口模拟云平台接收和发送数据。串口调试助手模拟云平台下发送连接成功标识“Ready-HOST”，主机进入接收模式，等待从机发送故障信息，对接收到的故障信息进行编码后发送至云平台。经过测试，主从机数据通信稳定可靠，数据上传及时，在测试过程中未出现接收数据乱码和数据上传错误。

5  结  论

教学楼照明设备故障智能报警系统采用主从式结构，通过使用无线通信技术实现主机与从机数据通信，从机主要完成故障检测和识别，主机主要完成故障信息接收和上传云平台功能。经过测试，系统运行效果良好，数据采集和上传稳定，云平台显示数据准确，可以实现远程监控功能。基本满足教学楼照明设备故障报警功能。

参考文献：

[1] 黄峻瑜，梁巍俊，李先鸿，等.基于STM32的教室智能照明监控系统的设计与实现 [J].科技与创新，2019（19）：78-79.

[2] 周康，张文斌，李帅，等.基于STM32的教室智能灯控系统设计 [J].物联网技术，2016，6（6）：87-90+92.

[3] 孙毅，崔灿，张璐，等.智能用电非侵入式负荷监测系统研究 [J].电力科学与技术学报，2019，34（2）：155-160.

[4] 杨新华，郑越，马建立，等.基于LoRa的电力物联网智能终端采集系统设计 [J].传感器与微系统，2022，41（1）：123-126.

[5] 胡彬彬，张玮.单片机无线通信系统的设计与实现 [J].数字技术与应用，2014（4）：38-39.

[6] 陈惠静，林家铸，丁康佳，等.无线遥控智能电源的设计与实现 [J].电子技术与软件工程，2018（12）：104-106.

[7] 张晨，王玉槐，韩齐，等.基于OneNET云平台的智能家居远程控制系统设计 [J].信息技术与信息化，2020（10）：223-226.

[8] 龙顺宇，许禄枝，邝国旺，等.电量计量芯片HLW8110的前端电路设计与误差分析校正 [J].单片机与嵌入式系统应用，2020，20（3）：42-45+61.

作者简介：张壮（1998.06—），男，汉族，河南驻马店人，本科在读，研究方向：应用电子技术;通讯作者：张素君（1978.04—），女，汉族，河南安阳人，讲师，硕士，研究方向：智能优化算法、生产计划与调度;闻波（2000.04—），男，汉族，河南驻马店人，本科在读，研究方向：应用电子技术;吴龙（2000.10—），男，汉族，河南驻马店人，本科在读，研究方向：应用电子技术;邓文平（2001.04—），男，汉族，河南安阳人，本科在读，研究方向：应用电子技术。