基于LoRa技術(shù)的電力安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試

關(guān)鍵詞：電力監(jiān)測(cè)；LoRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；提高效率；運(yùn)行安全

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277；TM769 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2024）12-0186-04

電力在我們的生活中扮演著越來(lái)越重要的角色，但隨著用量增大也帶來(lái)了一些安全隱患[1-4]。在人口密度較大的地區(qū)，如果線路中接入用電設(shè)備過(guò)多，導(dǎo)致總功率增大，線路負(fù)荷過(guò)載，就會(huì)導(dǎo)致電線絕緣層的老化加速，達(dá)到一定程度后，就會(huì)導(dǎo)致電氣火災(zāi)的發(fā)生[5-10]。由于導(dǎo)線及相關(guān)電氣設(shè)備位置隱蔽，導(dǎo)致電氣火災(zāi)被發(fā)現(xiàn)時(shí)往往火勢(shì)較大，難以控制。居民用戶(hù)的不規(guī)范用電，輕則可能引起跳閘、電網(wǎng)故障，對(duì)人們的生活造成不便，嚴(yán)重時(shí)可能造成電氣火災(zāi)，威脅居民的生命以及財(cái)產(chǎn)安全[11-14]。為防止安全事故的發(fā)生，加強(qiáng)電力網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行，本文結(jié)合LoRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力信息的采集、監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)主要包括硬件采集模塊和軟件控制程序，文中對(duì)各部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電力信息的監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)、報(bào)警等功能，能夠有效加強(qiáng)電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)采集模塊獲取電力信息，采集模塊由主控模塊、信息采集模塊、RS485通信模塊、LoRa通信模塊、LoRa網(wǎng)關(guān)組成。

1.1主控模塊設(shè)計(jì)

主控模塊選用STC12C5A16S2單片機(jī)，該芯片共有44個(gè)管腳，滿(mǎn)足系統(tǒng)控制需求。

主控芯片的管腳4與外部復(fù)位電路相連接，XTAL1管腳和XTAL2管腳與外部晶振電路相連接，P3.0管腳和P3.1管腳與下載電路相連接。晶振電路能夠保證單片機(jī)正常工作，下載電路完成程序的錄入。

1.2信息采集模塊設(shè)計(jì)

信息采集模塊完成電力信息的采集，并將采集的信息實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，信息采集電路如圖1所示。

信息采集模塊選用IM1281B芯片，該芯片的管腳5和管腳6連接在檢測(cè)電路中，采集電壓值。TXD管腳連接到單片機(jī)MR×2管腳，RXD管腳連接到單片機(jī)MT×2管腳。

1.3RS485通信模塊設(shè)計(jì)

RS485通信模塊選用MAX487通信芯片，RS485通信電路如圖2所示。

MAX487通信芯片的RE管腳和DE管腳連接到單片機(jī)的P3.2管腳，當(dāng)為高電平時(shí)，MAX487通信芯片發(fā)送數(shù)據(jù)；為低電平時(shí)，MAX487通信芯片接收數(shù)據(jù)。電阻R3的作用是消除信號(hào)的反射，穩(wěn)定485通信。

1.4LoRa通信模塊設(shè)計(jì)

LoRa通信模塊的作用是實(shí)現(xiàn)與LoRa網(wǎng)關(guān)通信，LoRa通信模塊采用UART通信方式，選用SX1278芯片完成通信[15-18]，LoRa通信模塊電路如圖3所示。

LoRa通信模塊的通信距離為3000m，工作頻段為410～441MHz，滿(mǎn)足系統(tǒng)需求

1.5LoRa網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

LoRa網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)LoRa網(wǎng)絡(luò)和TCP網(wǎng)絡(luò)連接，將系統(tǒng)采集的電力信息傳輸?shù)椒?wù)器內(nèi)[18-20]。選用W5500通信芯片，W5500通信電路如圖4所示。

W5500通信芯片使用3.3V供電，SCLK為時(shí)鐘管腳，SCS為片選管腳，MOSI為數(shù)據(jù)輸入管腳，MISO為數(shù)據(jù)輸出管腳。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)主流程如圖5所示。系統(tǒng)上電后，首先對(duì)外設(shè)初始化，讀取配置數(shù)據(jù)，通過(guò)按鍵按下，可選擇進(jìn)入配置模式和進(jìn)入工作模式，默認(rèn)進(jìn)入工作模式，開(kāi)始進(jìn)行電力信息采集。

采集節(jié)點(diǎn)工作流程如圖6所示。工作模型下，首先判斷是否收到485組網(wǎng)請(qǐng)求，發(fā)送組網(wǎng)應(yīng)答幀，收到回復(fù)應(yīng)答幀后，組網(wǎng)成功，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.2LoRa網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

LoRa網(wǎng)關(guān)通過(guò)按鍵選擇，分為配置模式和工作模式2種。系統(tǒng)默認(rèn)進(jìn)入工作模式，當(dāng)按鍵按下時(shí)，進(jìn)入配置模式。

2.2.1配置模式

通過(guò)設(shè)置LoRa網(wǎng)絡(luò)的ID完成設(shè)備配置，配置流程如圖7所示。

初始條件下配置變量net_id=0，當(dāng)配置變量net_id≥9時(shí)，配置溢出，置net_id=0。當(dāng)配置變量net_id＜9時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行循環(huán)，等待復(fù)位信號(hào)停止。

2.2.2工作模式

工作模式下，首先進(jìn)行LoRa組網(wǎng)，組網(wǎng)流程如圖8所示。

首先，進(jìn)行初始化，各變量復(fù)位為初始值，然后發(fā)送LoRa組網(wǎng)請(qǐng)求，如果收到正確組網(wǎng)應(yīng)答，說(shuō)明組網(wǎng)完成。如果發(fā)送3次組網(wǎng)請(qǐng)求，仍無(wú)法成功組網(wǎng)，則系統(tǒng)認(rèn)為組網(wǎng)地址不合法，只可進(jìn)入配置模式，無(wú)法進(jìn)入工作模式。組網(wǎng)配置完成后，系統(tǒng)進(jìn)入工作模式，實(shí)時(shí)采集電力信息，并完成傳輸。

3系統(tǒng)測(cè)試

3.1信息采集測(cè)試

為驗(yàn)證系統(tǒng)采集信息的功能，將程序燒錄到硬件系統(tǒng)中，運(yùn)行系統(tǒng)，將采集的電力信息顯示在LCD屏幕上。測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上電后，采集的電流值為3740mA，電壓值為228V，直觀的顯示在LCD屏中。通過(guò)信息采集測(cè)試，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)線路中電力信息的采集。

3.2LoRa通信測(cè)試

首先，設(shè)置好LoRa網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)ID，完成組網(wǎng)，組網(wǎng)配置完成后，系統(tǒng)進(jìn)入工作模式，實(shí)時(shí)采集電力信息，并完成傳輸。測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

通過(guò)測(cè)試結(jié)果表明，LoRa網(wǎng)絡(luò)通信順暢，組網(wǎng)配置成功。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試結(jié)果，表明了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，滿(mǎn)足電網(wǎng)運(yùn)行要求，值得推廣應(yīng)用。

4結(jié)語(yǔ)

針對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中維護(hù)不及時(shí)、管控不到位等問(wèn)題，容易引發(fā)用電事故。因此，根據(jù)實(shí)際需求，結(jié)合LoRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力信息的采集、監(jiān)測(cè)，有效幫助工作人員掌握用電狀態(tài)，提高工作效率。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，滿(mǎn)足電網(wǎng)運(yùn)行要求，能夠有效加強(qiáng)電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，具有較好的推廣價(jià)值。