基于單片機的配電箱內環境參數檢測與報警系統設計

岳瀟 張國睿 張霞

[摘 ? ?要]設計了一種配電箱內環境參數監測和報警管理系統，通過單片機來完成箱內的環境參數監測和報警功能，采用傳感器模塊、無線發送接收模塊、聲光報警模塊系統來采集配電箱內的環境監測數據并上傳到物聯網平臺進行實時監控，即使出現環境異常也可以及時實現報警功能，極大地方便了使用者和管理者進行現場或遠程監測管理的工作。

[關鍵詞]單片機;配電箱;環境參數;檢測;系統設計

[中圖分類號]TM642 [文獻標志碼]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，頻繁的火災事故導致配電箱的使用具有一定的危險性，我國對配電箱內電器的工作溫度有限定，環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報警系統的研究取得了一定的進展，但仍存在以下問題：環境檢測參數少，火災容易被忽略，網絡依賴性很強，對于突發情況例如斷網狀況和時間差無法避免。

劉江虹等[1]采用溫度檢測的方法進行報警設計，但實時環境參數較少不夠全面;吳迎春等[2]采用數模轉換器傳遞信號至單片機設計了一款家用小型報警器，表明了報警系統的可行性;余震[3]研究了一種家用無線報警裝置系統。上述方法研究效果佳但設計過于單一，不能同時滿足多種功能要求。為更系統地反映裝置的特點，對設備的特性數據進行連續統計。對于以上問題，設計了一款通過單片機多傳感器和物聯網技術對配電箱內環境進行實時檢測與數據傳輸，解決了當前配電箱工作狀態監控缺乏實時性的問題。對系統控制部分的硬件軟件設計，實現在配電箱內環境超出安全閾值時的報警功能。

1 系統總體設計

基于單片機設計的開發及使用已非常普遍，如基于單片機設計的家居火災監測及報警控制系統的設計等，由于單片機設計價格經濟實惠功能完善，本設計配電箱內環境參數監測及報警控制系統總體分為如下架構：STC89C52、DS18B20、MQ-2，LCD1602、聲光報警模塊、散熱風扇、ESY-O1S和物聯網平臺。當信息采集部分采集到實時配電箱溫度和煙霧數據的異常，即將信息傳輸到聲光報警和液晶顯示部分，而異常信息和報警可以經過無線模塊傳輸到物聯網平臺來進行接收。系統工作原理如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 傳感器硬件設計

本系統通過DS18B20數字溫度傳感器和MQ-2離子煙霧感應器采集配電箱的運行環境。

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

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

2.2 無線發送和接收模塊與單片機連接電路設計

為實現無線通信的功能，本系統通過基于ESY8266芯片的ESY-O1S無線通信模組實現信號的傳送。此wifi模塊不僅具有較低的工作電壓，而且待機模式功率低至1.0 MW，同時此模塊通過串口通信方式與單片機實現數據收發，其傳輸速率也能夠達到4 Mbps。

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

2.3 聲光報警設計

聲光報警電路由蜂鳴器、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。當單片機控制器接受了環境檢測部分的單片機所傳送來的火災信號時，聲音報警部分的主控單片機會將聲光報警電路的P1.6和P1.7引腳置位至低電平，蜂鳴器報警，并且LED報警燈點亮。

本控制系統通過3個獨立按鍵設計，完成了系統的設定功能，用于調整對溫度和煙霧的報警數值大小。LCD1602液晶顯示器是指顯示屏的內容是16×2，也即能表示二行，每行16個文字符的液晶模塊[5]。使用LCD1602液晶顯示屏能夠實時表示溫度和煙霧等數據，顯示器通過用并口方式傳輸通信，通過并口引腳和單片機的P0口相連。

2.4 遠程物聯網平臺展示設計

本系統采用了OneNET物聯網平臺，來完成對配電箱內實時環境的遠程顯示功能。OneNET平臺作為網絡連接和數據處理的中樞，可以適應于所有傳感器網絡和通訊網絡并支持各種通訊平臺，此系統同時也支持將數據由PC端到手機客戶端，便于使用者隨時隨地觀測數據并了解配電箱內的環境狀況。

3 系統軟件設計

單片機在使用前就必須完成系統初始化，并同時設定了溫度和煙霧傳感器的閾值，當系統接受到傳感器所發出的數據以后，便將數值與閾值進行對比。將數據在LED1602上實時表示，并且使用ESY-O1S無線通信模塊，將溫度和煙霧數據分析上傳給OneNET網絡平臺，由網絡平臺對數據分析予以展示。在系統運作期內，能夠自主判別配電箱內部環境狀況有無異常，并且做出相應的動作如執行聲光報警，開啟關閉散熱能力風扇等。系統軟件工作過程如圖2所示。

4 實驗驗證

4.1 溫度散熱性能測試實驗

本次實驗結果決定使用兩種相同型號的配電箱A和B，長度規格均為40 cm×30 cm×20 cm，配電箱A帶有散熱窗和風扇，配電箱B較為封閉。分別安裝4個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用于檢測周圍環境中的溫度。煙霧探測器在無火源狀況下的煙霧探測中應用。

選取12：10至17：59的溫度數據，滿足在相同環境天氣晴朗，設置風扇閾值關閉和開啟分別為35 ℃和40 ℃。溫度隨時間變化見表1。從表1可看出：在實際環境溫度超過40 ℃時風扇可以正常啟動，在時間長6h的實驗過程里，雖然實驗環境溫度一直小于參考環境溫度，但最高氣溫差異卻可以達到6 ℃，而實驗中對照環境溫度和實時溫度之間的溫度落差累計時間見表1和表2。

在測試過程中，由于表面溫度波動很大，導致發生了表面溫度遠小于參照環境溫度的情形，主要因素為外部環境條件不平衡，風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，因此溫度變動較慢。

4.2 火災報警系統實驗驗證

在物聯網平臺上提取系統上電1h活動煙霧傳感器采集的數據，由數據可以得出煙霧傳感器在預熱階段輸出值較高，大概在568 mV，并且由于時間的延長，輸出值在逐漸下降并穩定在458～518 mv區間內?；谑忻嫔洗蟛糠窒到y經常發生火災誤報情況，在這里將火災報警值設置為65 ℃，煙霧報警器2000 mV。實驗驗證效果時，先在配電器內放入打火機并點燃，當火苗逐漸接近溫度傳感器，此時聲光報警裝置便成功開啟，警報響起。

5 結束語

設計了一款配電箱內環境參數檢測與報警系統，并且介紹了系統的結構和基本原理。經過實踐實驗表明使用本系統后，即使在夏季光照下，溫度為36.7 ℃左右時，封閉式配電柜最高能降溫6 ℃?；馂氖鹿拾l生時，聲光報警裝置能夠正常開啟，在物聯網平臺上還能夠實時監控溫度和煙霧等數據，在PC和手機上可以同時查看。該控制系統可以實現在配電箱正常工作時對環境參數變動，以及突發事件的實時監測要求，報警器能及時響應。

參考文獻

[1] 劉江虹，吳俊鋒，梁藝珍，等.基于單片機的配電箱溫度監測和火災報警系統設計[J].消防科學與技術，2020，39（11）：1542-1545.

[2] 吳迎春，曾利霞.基于單片機的家用智能火災報警器的設計[J].價值工程，2019，38（34）：138-139.

[3] 余震.基于單片機的家用無線火災報警系統設計[J].電子測試，2018（7）：19-20.

[4] 張大勇，張鴻.淺談低壓配電箱在運行中的故障及改進[J].中國設備工程，2018（20）：38-39.

[5] 金封，鮑光海.智能配電箱系統設計[J].電器與能效管理技術，2017（11）：54-58.