基于5G通信技術的三相缺相報警系統設計

關鍵詞：ARM最小控制系統；缺相報警；5G技術；信號傳輸；三相交流系統；手機云臺

0 引言

三相缺相報警系統廣泛應用于工業設備、電力系統、自動化生產線等需要監測三相電源狀態的領域，其重要性不言而喻。該系統能夠對三相電路的運行狀態進行實時監測并報警，有效防止因缺相導致的設備損壞和人身安全事故。基于5G通信的三相缺相報警系統結合了5G通信技術高帶寬、低延遲和廣覆蓋的優勢，以及三相缺相檢測電路的實用性，適用于各種三相交流電系統的缺相保護需求[1]。

1 系統結構及功能

該系統采用分層架構設計，包括感知層、傳輸層、服務層和應用層，具體結構如圖1所示。

感知層是系統信息采集的關鍵部分，能夠檢測三相電源的缺相信息，采集環境溫度，并通過紅外技術檢測人體信息，然后將數據通過通信設備進行傳輸。

傳輸層負責數據的處理和傳輸。5G通信技術的引入，以其高帶寬、低時延和廣覆蓋的顯著特點，為三相缺相報警系統與云服務器之間的數據傳輸提供了強有力的支持。5G通信技術顯著提升了信息上行傳輸和下行回傳的速度，加快了數據的處理與流通效率，為實時分析和決策提供了堅實的數據基礎，同時也極大地方便了管理員的操作[1]。

服務層負責接收和處理來自傳輸層的數據，并進行數據存儲、整理和分析。通過數據分析，服務層能夠預測三相缺相報警的變化趨勢，并為用戶提供實時預警和決策支持。服務層將分析結果以直觀的方式展示給用戶，幫助用戶更好地了解和應對安全問題。

應用層為業主用戶、維保單位和管理人員提供服務，根據用戶角色進行權限管理，確保數據訪問權限的安全性。應用層通過云平臺實時接收傳感器數據，并通過Web端和移動端App將信息展示給用戶。

當系統檢測到三相電源中的某一相或多相缺失時，會立即發出聲光報警信號，提醒工作人員及時采取措施，以避免故障擴大。當檢測到缺相現象時，系統會及時切斷電源，啟動備用電池為報警模塊供電，從而防止設備因缺相而損壞，減少維修成本并延長設備使用壽命。發生缺相報警時，在工作人員進行維修作業過程中，系統會通過紅外檢測功能將維修時間記錄上報至云平臺。系統通過實時監測環境溫度并及時上報報警信息，可以有效預防潛在的安全隱患，提高系統的可靠性與穩定性，保障電力系統與工業生產的安全運行。系統支持遠程監控和管理，通過5G通信技術將報警信息上傳至云平臺，工作人員可實時查看系統運行狀態和報警信息，并進行遠程控制與操作，從而提高工作效率和便捷性。

2 系統硬件設計

該系統的硬件設計如圖2 所示，主要包含STM32F103C8T6控制芯片、三相缺相檢測電路、液晶顯示電路、紅外人體靠近檢測電路、語音電路、5G報警信息上傳電路、鋰電池充放電電路以及語音聲控電路。

2.1 ARM 最小控制系統

該系統采用STM32F103C8T6 作為核心控制芯片，這是一款基于ARM Cortex-M3內核的微控制器，具備高性能和低功耗的特點[2]，適用于各種嵌入式系統開發。STM32F103C8T6 芯片集成了ARM Cortex-M3內核、閃存和SRAM，并提供豐富的外部接口與功能，以滿足系統需求。電路原理圖如圖3 所示，STM32F103C8T6芯片的集成特性使其能夠滿足系統的多樣化需求[3]。

為了確保STM32F103C8T6芯片能夠正常工作并便于程序內部倍頻，系統選用了8MHz的晶體振蕩器和兩個22pF 的電容作為時鐘源，連接到芯片的OSC_IN和OSC_OUT引腳上，為電路提供時鐘信號[4]。系統還包含LED指示燈、按鍵等外設電路，這些外設連接到芯片的SDIO引腳，并添加相關的電阻、電容等元器件以進行保護和控制。

此外，系統還包含5G通信接口引腳、三相缺相模擬檢測輸入引腳、液晶驅動接口引腳、語音報警輸出引腳、紅外檢測接口引腳以及溫度檢測輸入引腳等，用于連接外部器件。系統接收傳感器的輸入信號，并根據CPU內部設定的程序對輸入信號進行判定，然后驅動系統中的執行設備完成相應指令。

2.2 電源模塊

電源電路為整個系統提供穩定的電源，確保芯片和其他外圍器件能夠正常工作。該電源電路如圖4所示，將輸入的220V交流電轉換為24V直流電，并進一步通過LM2596和AMS1117芯片分別得到5V和3V的直流輸出，以供系統使用。電源電路包含穩壓芯片和濾波電容，用于降低輸出紋波，提高帶載能力。

系統在檢測到缺相現象時，會及時切斷電源，啟動備用電池為報警模塊供電，以防止設備因缺相而損壞，從而減少維修成本。系統使用TP4056芯片進行備用電池的充電，當外部電源斷開時，系統會立即切換至備用電池供電，為ARM最小控制系統及5G模塊提供電力，并上報報警信息。

2.3 5G 通信模塊

該系統選用移遠通信的RG200U-CN 模塊作為5G通信模塊，這是一款專門為物聯網和高速數據傳輸應用設計的5G模塊，支持NSA和SA兩種5G網絡架構，確保在不同網絡環境下都能實現穩定高效的數據傳輸。RG200U-CN模塊采用Mini PCIe接口封裝，體積小巧，便于連接各種設備。模塊內部集成了豐富的網絡協議和外設接口，支持多種驅動和軟件功能，提供靈活多樣的配置選項。

RG200U-CN模塊專為物聯網（IoT）和增強移動寬帶（eMBB）應用量身打造。它具備卓越的兼容性，支持NSA和SA兩種5G網絡架構，確保在各種網絡環境下都能實現穩定高效的數據傳輸[5]。此模塊采用MiniPCIe接口封裝，使得模塊在尺寸上更加緊湊，同時確保了與各種設備的便捷連接。模塊內部集成了豐富的網絡協議和外設接口，支持多種驅動和軟件功能，為用戶提供了靈活多樣的配置選項[6]。

在系統設計方面，RG200U-CN模塊展現出了極高的穩定性和可靠性，其卓越性能使其特別適用于高速數據傳輸場景，能夠滿足需要快速響應的IoT應用。本模塊可以將ARM最小控制系統中得到的三相缺相報警信息、人體紅外檢測信息及環境溫度檢測信息上傳至手機云平臺，實現實時監控功能。

2.4 三相缺相模擬檢測模塊

本模塊用于檢測三相電源中是否存在缺相現象，電路原理圖如圖5所示。本系統中的缺相檢測模塊包含三個缺相檢測端子J501、J502、J503，分別代表三相電A 相、B 相和C 相。黃燈D501、綠燈D502 和紅燈D503分別為A、B、C三相的帶電指示燈。當每一相供電正常時，對應的指示燈熄滅；當短接J501、J502或J503中的任一端子時，模擬該相電缺相，且對應指示燈點亮[7]。

本系統采用TLP185光電耦合器檢測缺相信號，由STM32F103C8T6芯片的10、11、12腳接收A、B、C相位信息。當未出現缺相時，對應引腳輸入為高電平；而當出現缺相時，驅動該相對應的光電耦合器工作，將對應引腳的電位拉低，同時點亮對應的缺相指示燈[8]。

2.5 液晶驅動模塊

本模塊負責將圖像數據信號轉換為液晶屏能夠理解的格式，并控制液晶屏的顯示。在本系統中，液晶屏顯示缺相信息、語音報警信息、紅外檢測信息及環境溫度信息，電路原理圖如圖6所示。

本系統采用LCD1602工業字符型液晶顯示屏，它由字符型液晶顯示屏（LCD） 、控制驅動主電路HD44780及其擴展驅動電路、少量電阻、電容元件和結構件等組成，可以同時顯示兩行，每行16個字符，共32 個字符。LCD1602主要由STM32F103C8T6芯片控制，負責將外部輸入的數據和指令轉化為液晶的顯示。

LCD1602的驅動方式包括寫入模式和顯示模式。在寫入模式下，STM32F103C8T6 芯片向LCD1602 發送所需顯示的字母、數字或符號的ASCII碼，并通過引腳將這些數據傳遞給驅動器。驅動器將這些數據轉化為高低電平信號，進而建立電場，控制液晶分子的排列狀態，實現像素的顯示。

2.6 語音報警模塊

本模塊是一種基于特定芯片和電路設計的報警系統。在本系統中，它用于播報缺相信息及有人靠近的提醒，能夠為現場工作人員提供安全保護。原理圖如圖7所示。

該部分電路包括KT404C語音芯片、W25Q80存儲器、HAA2018功放、USB接口以及用于數據更新和連接的MICROUSB。語音文件通過MICROUSB接口從CPU傳輸到W25Q80存儲器中，KT404C語音芯片從W25Q80 中讀取語音文件，并根據需要控制HAA2018功放進行播放。通過串口UART，可以實現對KT404C的精確控制。

2.7 紅外檢測模塊

本模塊由Biss0001芯片、熱釋電紅外傳感器（PIR） 和少量外接元器件組成，這是一款高性能的傳感信號處理電路，主要應用于紅外檢測領域。原理圖如圖8所示。

電路包含數模混合設計，Biss0001芯片是由運算放大器、電壓比較器、狀態控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構成的數模混合專用集成電路。當有人或其他物體進入探測器的探測范圍時，PIR會探測到紅外輻射并將其轉換為電信號。該信號經過運算放大器的放大和雙向鑒幅器的處理后，由Biss0001芯片進行分析和判斷。如果信號超過一定的閾值或持續時間，芯片會輸出控制信號，觸發相應的報警，并上傳至5G云平臺，同時語音播報“有電危險”。

2.8 溫度檢測模塊

本模塊包含環境溫度檢測功能，能夠實時采集環境溫度，并通過液晶顯示屏顯示，同時通過5G網絡上傳到手機云平臺。溫度檢測電路采用NTC 10K電阻式溫度傳感器，通過讀取AD采樣值，計算出電阻值，根據相應的溫度阻值表，換算成實際溫度值，并在液晶顯示屏上顯示溫度值。電路原理圖如圖9所示。

3 系統軟件設計

系統軟件設計采用分層架構，主要包括底層驅動層、應用層和數據處理層，軟件設計流程如圖10所示。當設備上電后，首先對單片機的時鐘、串口、IC等進行基礎初始化，同時對傳感器模塊和5G通信模塊進行初始化。初始化成功后，建立5G通信連接，進行數據采集和數據處理。

系統將環境溫度通過液晶顯示屏進行顯示，并將數據打包，通過串口通信發送到5G通信模塊。同時，通過AT指令控制將數據上傳。系統還會判斷三相電路是否存在缺相現象，若存在，則進行語音和顯示屏報警，并通過5G通信將報警信息發送至手機云平臺。此外，系統還通過紅外傳感器檢測是否有人存在，若有，則通過5G通信將信息發送至手機云平臺，并進入低功耗模式。

4 系統平臺搭建

系統平臺采用云-邊協同架構，云平臺負責數據存儲、處理、分析和用戶交互，而邊緣設備則負責數據采集和初步處理，通過5G網絡進行數據傳輸。

4.1 云平臺系統設計

在三相缺相報警系統中，云平臺處于絕對核心地位，不僅處理和分析來自傳輸層的關鍵數據，還為用戶提供了一個直觀、友好的可視化操作界面。云平臺具備實時數據監控功能，能夠準確反映三相缺相報警系統的工作狀態，并及時識別異常情況，確保系統的穩定運行和安全性。

在本設計中，我們選擇了阿里云物聯網平臺作為云平臺。阿里云物聯網平臺支持多種主流設備通信協議，滿足不同用戶和應用場景的需求。該平臺提供產品快速部署、設備便捷接入等功能，簡化了開發流程，降低了項目的復雜度和實施難度，從而幫助開發者提高項目開發效率和運行穩定性。

云平臺提供高效的數據傳輸通道，簡化了數據傳輸流程。使用HTTP/2通道技術，確保數據傳輸的效率和穩定性。同時，云平臺利用規則引擎進行數據實時處理，提高數據處理效率和響應速度。

云平臺與手機端微信小程序無縫對接，用戶能夠隨時隨地掌握設備狀態。微信小程序提供直觀、易用的管理界面，方便用戶管理系統設備，支持設備狀態查看、報警信息接收和遠程操作。

4.2 功能實現

系統平臺具備數據分析、實時監控和報警處理全跟蹤等功能。

1） 數據分析。系統具備強大的數據分析能力，能夠對傳感器數據進行分析，發現潛在的異常情況。系統能夠對三相缺相報警進行準確判斷，及時捕捉潛在隱患并給出預警，確保系統的穩定運行。

2） 實時監控。系統具備實時監控功能，能夠實時采集環境溫度、缺相信息等數據，并允許用戶設置數據上報的時間間隔和次數。

App 實時監控功能如圖11所示。

3） 報警處理過程全跟蹤。系統具備報警處理全跟蹤功能，能夠記錄每一個報警處理過程，并提供故障處理記錄查詢功能。

App報警受理功能如圖12所示。

5 總結

本文提出了一種基于5G通信的三相缺相報警系統，該系統融合了5G通信技術的高速數據傳輸、低延遲和廣覆蓋優勢，并結合了三相缺相檢測電路和云平臺數據分析功能，實現了三相電源缺相故障的實時檢測和遠程報警。該系統可廣泛應用于各類需要監測三相電源狀態的場所，有效提高電力設備的安全性和穩定性，為用戶提供更加便捷、高效的設備管理方式。

本方案適用于各類需要監測三相電源狀態的場所，如工業生產線、數據中心、商業建筑等[9]。通過集成5G通信技術和缺相檢測電路，本方案能夠有效提高電力設備的安全性和穩定性，降低因缺相故障導致的設備損壞和停機風險。同時，其智能化管理功能也為用戶提供了更加便捷、高效的設備管理方式[10]。