基于單片機(jī)的配電箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)檢測與報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

岳瀟 張國睿 張霞

[摘 ? ?要]設(shè)計(jì)了一種配電箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測和報(bào)警管理系統(tǒng)，通過單片機(jī)來完成箱內(nèi)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測和報(bào)警功能，采用傳感器模塊、無線發(fā)送接收模塊、聲光報(bào)警模塊系統(tǒng)來采集配電箱內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)并上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，即使出現(xiàn)環(huán)境異常也可以及時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，極大地方便了使用者和管理者進(jìn)行現(xiàn)場或遠(yuǎn)程監(jiān)測管理的工作。

[關(guān)鍵詞]單片機(jī);配電箱;環(huán)境參數(shù);檢測;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

[中圖分類號]TM642 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]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

近年來，頻繁的火災(zāi)事故導(dǎo)致配電箱的使用具有一定的危險(xiǎn)性，我國對配電箱內(nèi)電器的工作溫度有限定，環(huán)境空氣工作溫度上限不高于40 ℃，溫度下限為-5～-25 ℃。雖然我國對配電箱火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的研究取得了一定的進(jìn)展，但仍存在以下問題：環(huán)境檢測參數(shù)少，火災(zāi)容易被忽略，網(wǎng)絡(luò)依賴性很強(qiáng)，對于突發(fā)情況例如斷網(wǎng)狀況和時(shí)間差無法避免。

劉江虹等[1]采用溫度檢測的方法進(jìn)行報(bào)警設(shè)計(jì)，但實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)較少不夠全面;吳迎春等[2]采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器傳遞信號至單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款家用小型報(bào)警器，表明了報(bào)警系統(tǒng)的可行性;余震[3]研究了一種家用無線報(bào)警裝置系統(tǒng)。上述方法研究效果佳但設(shè)計(jì)過于單一，不能同時(shí)滿足多種功能要求。為更系統(tǒng)地反映裝置的特點(diǎn)，對設(shè)備的特性數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)統(tǒng)計(jì)。對于以上問題，設(shè)計(jì)了一款通過單片機(jī)多傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對配電箱內(nèi)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測與數(shù)據(jù)傳輸，解決了當(dāng)前配電箱工作狀態(tài)監(jiān)控缺乏實(shí)時(shí)性的問題。對系統(tǒng)控制部分的硬件軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在配電箱內(nèi)環(huán)境超出安全閾值時(shí)的報(bào)警功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的開發(fā)及使用已非常普遍，如基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的家居火災(zāi)監(jiān)測及報(bào)警控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等，由于單片機(jī)設(shè)計(jì)價(jià)格經(jīng)濟(jì)實(shí)惠功能完善，本設(shè)計(jì)配電箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測及報(bào)警控制系統(tǒng)總體分為如下架構(gòu)：STC89C52、DS18B20、MQ-2，LCD1602、聲光報(bào)警模塊、散熱風(fēng)扇、ESY-O1S和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。當(dāng)信息采集部分采集到實(shí)時(shí)配電箱溫度和煙霧數(shù)據(jù)的異常，即將信息傳輸?shù)铰暪鈭?bào)警和液晶顯示部分，而異常信息和報(bào)警可以經(jīng)過無線模塊傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺(tái)來進(jìn)行接收。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過DS18B20數(shù)字溫度傳感器和MQ-2離子煙霧感應(yīng)器采集配電箱的運(yùn)行環(huán)境。

DS18B20DTS是較常見的數(shù)字溫度傳感器，主要包括寄生電源、TS、64位激光ROM單線接口、存放中間數(shù)據(jù)信息的SPAD，以及作為存儲(chǔ)用戶設(shè)置的溫度方法：①允許使用軟件延遲，②定時(shí)延時(shí)[4]。環(huán)境溫度的測量范圍為-55～175 ℃，檢測準(zhǔn)確度為0.5 ℃，在應(yīng)用時(shí)，可設(shè)定為四種不同分辨率設(shè)置：0.5，0.25，0.125，以及0.062 50 ℃，從而能夠適應(yīng)配電箱內(nèi)環(huán)境溫度檢測的需要。

MQ-2是多種氣體探測器。MQ-2的探測范圍非常廣，當(dāng)MQ-2檢測到煙霧氣體時(shí)，內(nèi)部就會(huì)形成電壓，電壓和煙的濃度成正比，所以可以通過電壓來計(jì)算煙氣濃度。

2.2 無線發(fā)送和接收模塊與單片機(jī)連接電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)無線通信的功能，本系統(tǒng)通過基于ESY8266芯片的ESY-O1S無線通信模組實(shí)現(xiàn)信號的傳送。此wifi模塊不僅具有較低的工作電壓，而且待機(jī)模式功率低至1.0 MW，同時(shí)此模塊通過串口通信方式與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，其傳輸速率也能夠達(dá)到4 Mbps。

ESY-01S的GND引腳除了與獨(dú)立的電源地線相接外，還需與單片機(jī)共地。且ESY-01S在進(jìn)行串口通訊時(shí)，RX引腳與TX引腳分別與單片機(jī)P3.1、P3.0連接。

2.3 聲光報(bào)警設(shè)計(jì)

聲光報(bào)警電路由蜂鳴器、LED燈組成。蜂鳴器和LED燈有兩端接口，一端接電源，另一端和P1.7和P1.6引腳相接。當(dāng)單片機(jī)控制器接受了環(huán)境檢測部分的單片機(jī)所傳送來的火災(zāi)信號時(shí)，聲音報(bào)警部分的主控單片機(jī)會(huì)將聲光報(bào)警電路的P1.6和P1.7引腳置位至低電平，蜂鳴器報(bào)警，并且LED報(bào)警燈點(diǎn)亮。

本控制系統(tǒng)通過3個(gè)獨(dú)立按鍵設(shè)計(jì)，完成了系統(tǒng)的設(shè)定功能，用于調(diào)整對溫度和煙霧的報(bào)警數(shù)值大小。LCD1602液晶顯示器是指顯示屏的內(nèi)容是16×2，也即能表示二行，每行16個(gè)文字符的液晶模塊[5]。使用LCD1602液晶顯示屏能夠?qū)崟r(shí)表示溫度和煙霧等數(shù)據(jù)，顯示器通過用并口方式傳輸通信，通過并口引腳和單片機(jī)的P0口相連。

2.4 遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)展示設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用了OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，來完成對配電箱內(nèi)實(shí)時(shí)環(huán)境的遠(yuǎn)程顯示功能。OneNET平臺(tái)作為網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)處理的中樞，可以適應(yīng)于所有傳感器網(wǎng)絡(luò)和通訊網(wǎng)絡(luò)并支持各種通訊平臺(tái)，此系統(tǒng)同時(shí)也支持將數(shù)據(jù)由PC端到手機(jī)客戶端，便于使用者隨時(shí)隨地觀測數(shù)據(jù)并了解配電箱內(nèi)的環(huán)境狀況。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)在使用前就必須完成系統(tǒng)初始化，并同時(shí)設(shè)定了溫度和煙霧傳感器的閾值，當(dāng)系統(tǒng)接受到傳感器所發(fā)出的數(shù)據(jù)以后，便將數(shù)值與閾值進(jìn)行對比。將數(shù)據(jù)在LED1602上實(shí)時(shí)表示，并且使用ESY-O1S無線通信模塊，將溫度和煙霧數(shù)據(jù)分析上傳給OneNET網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，由網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)對數(shù)據(jù)分析予以展示。在系統(tǒng)運(yùn)作期內(nèi)，能夠自主判別配電箱內(nèi)部環(huán)境狀況有無異常，并且做出相應(yīng)的動(dòng)作如執(zhí)行聲光報(bào)警，開啟關(guān)閉散熱能力風(fēng)扇等。系統(tǒng)軟件工作過程如圖2所示。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 溫度散熱性能測試實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果決定使用兩種相同型號的配電箱A和B，長度規(guī)格均為40 cm×30 cm×20 cm，配電箱A帶有散熱窗和風(fēng)扇，配電箱B較為封閉。分別安裝4個(gè)溫度檢測器在不同位置，溫度檢測器1和2分別安裝在A、B內(nèi)部，溫度檢測器3安裝在B外部，而溫度檢測器4安裝在高度2m陰涼處。溫度檢測器1用來檢測系統(tǒng)的溫度，溫度檢測器2用來檢測參考溫度，溫度檢測器3用于檢測配電箱箱體的溫度，溫度檢測器4用于檢測周圍環(huán)境中的溫度。煙霧探測器在無火源狀況下的煙霧探測中應(yīng)用。

選取12：10至17：59的溫度數(shù)據(jù)，滿足在相同環(huán)境天氣晴朗，設(shè)置風(fēng)扇閾值關(guān)閉和開啟分別為35 ℃和40 ℃。溫度隨時(shí)間變化見表1。從表1可看出：在實(shí)際環(huán)境溫度超過40 ℃時(shí)風(fēng)扇可以正常啟動(dòng)，在時(shí)間長6h的實(shí)驗(yàn)過程里，雖然實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度一直小于參考環(huán)境溫度，但最高氣溫差異卻可以達(dá)到6 ℃，而實(shí)驗(yàn)中對照環(huán)境溫度和實(shí)時(shí)溫度之間的溫度落差累計(jì)時(shí)間見表1和表2。

在測試過程中，由于表面溫度波動(dòng)很大，導(dǎo)致發(fā)生了表面溫度遠(yuǎn)小于參照環(huán)境溫度的情形，主要因素為外部環(huán)境條件不平衡，風(fēng)力的大小和浮云都可以造成表面溫度變化很大，因此造成了配電箱A溫度變動(dòng)過快，配電箱B由于將空氣的散熱窗密封空間而較為封閉，因此溫度變動(dòng)較慢。

4.2 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上提取系統(tǒng)上電1h活動(dòng)煙霧傳感器采集的數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)可以得出煙霧傳感器在預(yù)熱階段輸出值較高，大概在568 mV，并且由于時(shí)間的延長，輸出值在逐漸下降并穩(wěn)定在458～518 mv區(qū)間內(nèi)。基于市面上大部分系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生火災(zāi)誤報(bào)情況，在這里將火災(zāi)報(bào)警值設(shè)置為65 ℃，煙霧報(bào)警器2000 mV。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證效果時(shí)，先在配電器內(nèi)放入打火機(jī)并點(diǎn)燃，當(dāng)火苗逐漸接近溫度傳感器，此時(shí)聲光報(bào)警裝置便成功開啟，警報(bào)響起。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一款配電箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)檢測與報(bào)警系統(tǒng)，并且介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本原理。經(jīng)過實(shí)踐實(shí)驗(yàn)表明使用本系統(tǒng)后，即使在夏季光照下，溫度為36.7 ℃左右時(shí)，封閉式配電柜最高能降溫6 ℃?；馂?zāi)事故發(fā)生時(shí)，聲光報(bào)警裝置能夠正常開啟，在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上還能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控溫度和煙霧等數(shù)據(jù)，在PC和手機(jī)上可以同時(shí)查看。該控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在配電箱正常工作時(shí)對環(huán)境參數(shù)變動(dòng)，以及突發(fā)事件的實(shí)時(shí)監(jiān)測要求，報(bào)警器能及時(shí)響應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

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