基于NB-IoT技術(shù)的家庭斷電報警器設(shè)計

吳軍

摘要：針對家庭用電線路斷電后不及時供電而造成重大損失，提出了一種滿足家庭斷電報警需求的控制器設(shè)計方案，采用了光電隔離、斷電檢測、NB-IOT通信等關(guān)鍵技術(shù)，介紹了系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計方案，經(jīng)測試驗(yàn)證該報警器滿足家庭用電智能化監(jiān)測要求。

關(guān)鍵詞：斷電報警? 光電隔離? 斷電檢測? NB-IOT

引言

在一些家用場合，例如家用制氧機(jī)、呼吸機(jī)等需要24小時不間斷供電的設(shè)備必須保證不間斷地供電，或停電后必須通知操作者，使其知道已經(jīng)停電，采取相應(yīng)的措施。家庭用電線路不帶有斷電提醒裝置，當(dāng)使用需要24小時不間斷電源供電的電器時，存在極大的安全隱患。目前的家庭用電線路在實(shí)際應(yīng)用中存在如下問題：（1）市電斷電沒有提醒，不易及時發(fā)現(xiàn);（2）市電斷電如不及時恢復(fù)供電，其引發(fā)的衍生危害，隨電器的不同導(dǎo)致的后果不盡相同;（3）目前市場上的斷電報警器安裝配置復(fù)雜，不適合家庭供電環(huán)境。

針對上述技術(shù)問題，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的家用市電斷電報警器設(shè)計方案，市電正常供電時，報警器處于監(jiān)測狀態(tài)，當(dāng)市電停電時，立即通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息給用戶，提醒用戶采取相應(yīng)的措施。系統(tǒng)采用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳輸狀態(tài)及報警信息，物聯(lián)網(wǎng)通信通常采用的是Zigbee、WiFi、藍(lán)牙、等短距離通信技術(shù)，其通信距離短、功耗高制約了其發(fā)展前景，而新興的NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)，具有低功耗、連接穩(wěn)定、廣域連接、強(qiáng)穿透、低資費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，NB-IoT模組利用CoAP協(xié)議將采集的狀態(tài)信息周期性上報給云端服務(wù)器，云端服務(wù)器將數(shù)據(jù)信息推送至微信小程序，用戶通過微信小程序可以隨時了解家庭供電情況，因此，基于NB-IoT技術(shù)的家庭斷電報警器具有良好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

家用市電斷電報警器包括斷電檢測模塊、主控制器、NB-IOT模塊、電源管理模塊和電池模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，斷電檢測模塊的一端與被家庭插座連接，斷電檢測模塊的另一端與主控制器連接，NB-IOT模塊連接到主控制器上;主控制器及NB-IOT模塊由供電模塊供電，供電模塊選用市電和蓄電池切換供電。實(shí)際運(yùn)行時，當(dāng)斷電檢測模塊檢測到市電斷電時，會及時向主控制器反饋開關(guān)量信號，主控制器接收到上述開關(guān)量信號后可以通過NB-IOT模塊發(fā)送消息到未在家中的用戶，以便于戶主及時獲知斷電信息并采取相應(yīng)措施。報警器也可以定時將電路狀態(tài)信息發(fā)送到云端服務(wù)器，便于住戶對家庭供電情況的遠(yuǎn)程監(jiān)控。由于NB-IOT模塊具有低頻次，低傳輸字節(jié)的特性，可以實(shí)現(xiàn)超低功耗，保證斷電報警模塊采用蓄電池供電也能維持很長的工作時間。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1電源模塊設(shè)計

電源模塊提供兩種供電方式，對于外部適配器供電情況，220V市電通過開關(guān)電源Buck 電路和 LDO 芯片降壓到系統(tǒng)各模塊需要的電壓值，分別給MCU和NB-IOT模組供電，電源模塊供電電流大于500mA，電源瞬態(tài) 1A 時確保系統(tǒng)不掉電，由于本電路功耗較少，所以選用10W的小型變壓器。電源模塊提供防反接、短路保護(hù)、過流保護(hù)、大動態(tài)切換等功能。

對于使用電池供電情況，當(dāng)前NB模組的輸入電源為3.1～4.2V，由于電池工作電壓會隨工作時間逐漸降低，電源模塊通過增加升壓 Boost 器件來保證電壓低于3.1V 時NB模組正常的工作。

2.2斷電檢測及電子開關(guān)切換電路

斷電檢測電路主要由電壓比較器構(gòu)成，正常情況下，繼電器的常閉觸點(diǎn)和市電相連;當(dāng)市電斷開，電壓比較器輸出高電平，檢測電路中的達(dá)林頓管將電路中繼電器開啟，將其常開觸點(diǎn)將蓄電池和電路相連，實(shí)現(xiàn)市電和蓄電池供電的切換，保證正常工作。斷電檢測電路采用光電隔離技術(shù)，防止雷擊浪涌引入檢測器及設(shè)備。為了延長蓄電池工作時間，設(shè)計了蓄電池自動充電電路，它在電池充滿后自動停止充電，通過電壓檢測電路，蓄電池電壓低時實(shí)現(xiàn)對其充電;充滿后停止充電。

2.3 主控制器設(shè)計

主控制器主要由單片機(jī)及其外圍電路組成，本系統(tǒng)控制功能相對簡單，選擇8位單片機(jī)即可滿足控制需求?？紤]到超低功耗要求，主控制器選擇STM8L050微控制器，STM8L050在低成本的SO-8封裝基礎(chǔ)上，集成了多達(dá)6個用戶I/O接口的豐富的模擬外設(shè)、DMA控制器和獨(dú)立的數(shù)據(jù)EEPROM。片上集成的DMA控制器可以簡化外圍設(shè)備和內(nèi)存或內(nèi)存與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸，從而提高微控制器的處理性能，降低功耗。256字節(jié)的獨(dú)立EEPROM可在MCU關(guān)閉時存儲重要的程序數(shù)據(jù)，同時還可以最大限度地使用閃存保存程序代碼。除兩個比較器外，STM8L050還有帶可編程鬧鐘和定期喚醒功能的低功耗實(shí)時時鐘（RTC），可以最大限度地減少外部模擬元件數(shù)量。其它功能包括8KB閃存、1KB RAM、兩個16位定時器、一個8位定時器，以及常用通信接口和調(diào)試接口，包括SPl、12C、UART和SWIM。STM8L050具有最低功耗350nA的省電模式，以及3.6V-1.8V的寬工作電壓，確保微控制器在苛刻應(yīng)用中的工作穩(wěn)定性和可靠性。

2.4無線通信模塊

無線通信模塊選擇WH-NB73模塊，WH-NB73是一款低功耗NB-IoT模塊模塊，開放的接口包括：電源輸入、復(fù)位重啟控制、恢復(fù)出廠設(shè)置控制、UART、SIM、射頻接口。電源輸入范圍為3.1V-4.2V，電壓典型值為3.8V，要求供電能力至少達(dá)到500mA。主控制器通過UART接口控制NB-IoT模塊連接網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)收發(fā)。

3 軟件設(shè)計

3.1下位機(jī)軟件設(shè)計

斷電報警器軟件系統(tǒng)分為下位機(jī)軟件和上層應(yīng)用軟件。下位機(jī)軟件為單片機(jī)程序，由主程序、初始化程序、信號檢測程序、狀態(tài)上報程序、中斷處理程序、延時程序等組成。單片機(jī)大致應(yīng)用程序的架構(gòu)有三種：一是簡單的前后臺順序執(zhí)行程序，這類寫法是大多數(shù)人使用的方法，不需要考慮程序的具體架構(gòu)，直接通過執(zhí)行順序編寫應(yīng)用程序即可。二是時間片輪詢法，此方法是介于順序執(zhí)行與操作系統(tǒng)之間的一種方法。三是操作系統(tǒng)，此法適合硬件資源充足的硬件系統(tǒng)。其中，順序執(zhí)行法對于應(yīng)用程序比較簡單，實(shí)時性，并行性要求不太高的情況下是不錯的方法，程序設(shè)計簡單，思路比較清晰，但是當(dāng)應(yīng)用程序比較復(fù)雜的時候，如果沒有一個完整的流程圖，隨著程序功能的增加，程序會越來越復(fù)雜，既不利于升級維護(hù)，也不利于代碼優(yōu)化。鑒于單片機(jī)資源有限，程序采用時間片輪詢法架構(gòu)。