基于智能網關的停電報警器設計

摘要：停電作為電力系統常見故障，嚴重影響人們的生活與工作。文章設計并實現了一種基于智能網關的遠程停電報警器，旨在提供全面監測和實時反饋功能，有效改善傳統停電報警方法的延遲問題。該報警器系統由智能網關、傳感器和報警裝置組成，傳感器負責實時監測電力系統狀態，智能網關處理數據并觸發報警裝置，以實現停電報警。實驗結果表明，該設計在檢測停電事件和實現遠程報警方面表現優異，為電力系統故障分析和優化提供了重要數據支持，為構建可靠和智能的電力系統奠定了基礎。

關鍵詞：遠程停電報警器；智能網關；傳感器技術；實時報警

中圖分類號：TN911" 文獻標志碼：A

0 引言

電力是現代社會運轉的重要組成部分。然而，停電作為電力系統中的一種常見故障，對人們的日常生活和工業生產造成了嚴重的影響，并嚴重影響重要設施和關鍵行業的正常運作。因此，對電力系統的及時監測與報警顯得尤為重要。

傳統的停電報警方法主要依賴于用戶或運維人員的手動檢測或報警，存在信息傳遞延遲和響應不及時的問題。為此，本研究設計了一種基于智能網關的遠程停電報警器，利用物聯網技術和智能數據處理技術，實現對電力系統的全面監測和實時反饋［1］，及時發現停電故障并減少故障排查時間，實現電力系統的全面監測和實時反饋。

1 相關研究

近年來，由于現代社會對電力監測的需求日益增加，停電報警器的研究領域正在向多個前沿方向發展，以達到更高的監測標準。

例如，基于屬性數學理論的評估方法雖然通過3個維度構建了一個綜合評估體系，但在某些特定情境下可能無法全面覆蓋所有停電情形［2］。改進的OPA模型增強了停電風險評估的全面性，但須在不同場景下重新訓練參數，進而增加系統的復雜性和維護成本［3］。多源停電數據驅動的輕量化停電感知模型利用多源異構數據融合技術實現了實時、高精度且低成本的感知，但在深度學習模型的應用中仍須面對重訓練的問題，可能需要大量的數據和計算資源［4］。改進的貝葉斯網絡模型用于大面積停電事件的應急情景動態推演，提高了應急決策的準確性，但模型構建復雜，需專業知識和技能［5］。多元異構數據模型融合技術應用于配電網的停電故障研判，雖然提高了研判的準確性和效率，但是在實際應用中須處理不同設備、網絡和環境的異構性［6］。采用STM32微控制器和SIM800C通信模塊的熱力站停電報警器注重成本效益，但面臨通信延遲和短信成本較高的問題［7］。新型攜帶型非接觸式停電檢測設備采用磁電感應原理，實現了無須接觸即可進行停電檢測的功能，便于攜帶，具有創新性和實用性，但其檢測范圍有限，可能受外部磁場干擾，且初期成本較高［8］。低壓配電網的停電監測報警器通過引入地理信息系統（Geographic Information System，GIS）平臺提升了監測的準確性，但系統復雜性和對技術水平的依賴可能成為新的問題［9］。使用Altium Designer 10開發的不間斷電源（Uninterruptible Power Supply， UPS）停電報警器確保了停電時系統的正常運行，但是受監測范圍和硬件設備的限制［10］。通過挖掘歷史數據來識別停電的模式，雖然具有智能性，但是對算法和數據質量有較高要求［11］。單片機控制的停電報警器雖然簡單可靠，但是在全面監測停電中具有局限性［12］。

2 技術選擇

為了解決傳統停電報警系統中的通信延遲和成本問題，本研究提出了一種基于ZigBee網關的停電報警系統，以彌補現有方案的不足。該系統通過采用ZigBee協議實現低功耗、短距離通信，有效降低了通信成本和延遲［13-14］。同時，系統通過智能化傳感器提高監測精度，避免對復雜GIS平臺的依賴，并通過UPS，確保系統在停電時的穩定運行。利用智能網關的功能，系統通過互聯網推送實時消息，增強了靈活性，擴大了應用范圍，簡化了系統的設計，同時降低了實施難度。

本停電報警系統專注于停電狀態的監測，在構建ZigBee網關的基礎上為關鍵場所提供了更為可靠和先進的解決方案。

3 系統設計

3.1 組件詳解

本系統主要由門窗傳感器、智能網關、云端服務器及用戶端應用組成。傳感器通過ZigBee協議向智能網關發送停電信號，智能網關再通過互聯網將報警信息推送至用戶的手機應用，從而實現全流程的遠程停電報警功能。此過程通過電磁鐵產生的靜磁場及電源斷電觸發的傳感器信號來保證停電事件的及時監測和通知。

3.2 系統架構

本系統的架構包括傳感器、智能網關、云端服務器和用戶端應用等。門窗傳感器負責監測停電事件，通過電磁鐵觸發開合信號傳送給智能網關，后者作為信息的橋梁，確保信號傳輸至云端服務器。云端服務器處理并存儲數據，監測停電事件，并將報警信息發送到用戶的手機應用［15］。用戶通過手機應用可以實時查看報警信息。整個系統通過合理的交互設計，確保了從傳感器到用戶端數據流的全過程監測和實時傳遞。遠程停電報警器網絡結構如圖1所示。

3.3 工作原理

系統通過連接12 V直流電源至電磁鐵上，產生靜磁場。當電力供應正常時，電磁鐵維持磁場，保持傳感器狀態為關閉。一旦停電發生，電磁鐵失去電源供電，磁場消失，傳感器狀態改變，并通過ZigBee協議將開啟信號發送給智能網關，后者則將停電警報通過互聯網推送至用戶手機，實現遠程停電報警的功能。

4 子系統設計

4.1 智能通信整合

在子系統設計中，ZigBee網關采用MQTT協議作為通信框架，整合來自傳感器的數據。這一設計不僅提高了數據處理效率，還優化了遠程控制的過程。傳感器模塊的設計包括電磁鐵和ZigBee協議的應用，使得停電監測更為精確。通信模塊使用MQTT協議與云端服務器相連接，并通過手機推送服務，實現了從傳感器到云端再到用戶手機的高效數據傳遞，確保了系統的可靠性和實時性，并為電力供應的安全提供了強有力的支持。

4.2 ZigBee網關

ZigBee網關是該系統的核心，負責數據整合、處理和遠程控制。該網關選用MQTT協議作為通信框架，有效提升了與其他設備和系統的通信效率［16］。網關作為數據傳輸的節點，高效地處理傳感器發來的信號并及時將信息傳遞到用戶端。

在通信流程方面，ZigBee網關在數據發送和接收過程中充分利用MQTT協議。該協議基于發布者/訂閱者模型，其中發布者負責發送消息，訂閱者則接收信息［17］。這種雙向通信模型使得ZigBee網關既能夠向其他設備和系統發送數據，又能夠接收來自其他設備和系統的關鍵信息。

在此系統中，ZigBee網關作為項目的核心組件，充當著傳感器與智能網關之間的重要通信媒介，負責接收來自門窗傳感器的開合信號，并通過ZigBee協議高效傳輸這些信號。同時，智能網關連接至無線路由器，通過互聯網將關鍵的報警信息即時推送至用戶的手機端。這一配置確保了ZigBee網關作為系統的關鍵通信樞紐，有效協調傳感器與互聯網之間的數據流動，確保了停電報警系統的順暢運行。

4.3 傳感器模塊

傳感器模塊是停電報警器的關鍵組成部分，主要任務是在監測到停電情況時迅速觸發報警，以確保及時采取應急措施。傳感器模塊利用干簧管作為監測元件，其敏感性能在永磁鐵的影響下改變開合狀態，從而迅速觸發停電報警，提高了傳感器的響應速度和準確性。

通過智能化改造，傳統的永磁體被替換為電磁鐵［18］，并通過市電供電。在正常供電狀態下，電磁鐵形成磁場，保持干簧管閉合狀態。一旦市電停電，電磁鐵失去電源供電，導致磁場消失，從而觸發干簧管產生打開信號［19］，標志著電力系統出現異常。

4.4 通信模塊

在本系統中，通信模塊的選擇旨在確保有效的數據傳輸和穩定的通信環境［20］。該模塊的功能主要涉及智能網關、互聯網通信、云端以及手機推送服務。首先，智能網關連接無線路由器，通過互聯網將門窗傳感器的狀態信息傳送至云端服務器。這一通信過程采用MQTT通信協議，確保數據的安全傳輸和云端服務器的穩定接收。云端服務器充當信息的中轉站，接收并處理來自智能網關的傳感器狀態信息。最后，云端服務器通過手機推送服務將停電報警信息即時發送至用戶的手機，使用戶能夠迅速了解停電狀態并采取必要的措施。通過這一通信模塊的協同工作，系統實現了從傳感器到云端再到用戶手機的高效數據傳遞，確保了實時的遠程停電報警功能，為電力供應的安全提供了可靠的通信基礎。

5 傳感器與電磁鐵設計

5.1 門窗傳感器

門窗傳感器的設計包括永磁體和干簧管。門窗傳感器工作原理如圖2所示。開合信號由一個干簧管觸發，永磁體的N/S極靠近干簧管兩端時，干簧管內部觸點吸合，觸發關閉信號；當永磁體離開干簧管兩端時，干簧管內部觸點分離，觸發打開信號。根據以上原理，本文將永磁體替換成電磁鐵，并用市電供電，在干簧管兩側有磁極靠近時吸合，內部電路以ZigBee協議向網關發送開合指令，進一步經互聯網推送到手機，從而實現停電信號的觸發。

5.2 傳感器設計

傳感器設計采用門窗傳感器結構，通過替換永磁體為電磁鐵，并用市電供電，由ZigBee協議向網關發送開合指令，實現互聯網及手機推送實時觸發停電報警。繼電器改造的電磁鐵結構確保了干簧管觸點的穩定開合，通過12 V、1 A直流電源供電，提高了傳感器的可靠性和穩定性，為停電報警系統奠定了堅實基礎。

5.3 繼電器改造電磁鐵

本文通過改造傳統繼電器的電磁鐵，去除吸合的觸點，僅保留側邊的導磁金屬，形成U形的電磁鐵結構，使其更適合于在停電檢測中使用。

本文將電磁鐵貼合在門窗傳感器內的干簧管兩端，使干簧管的觸點隨著電磁鐵的通/斷電而閉合/斷開。為了防止電磁鐵感應的高壓損壞其他器件，可以在電磁鐵的兩端反接一個二極管。選擇一個12 V、1 A的直流電源供電給電磁鐵。繼電器工作的電流較小（約80 mA），可以長時間穩定工作。這種設計不僅增加了設備的可靠性，還降低了由高電壓引起的潛在風險。

6 智能網關設計

6.1 硬件元件配置

智能網關硬件配置包括特定的進程管理塊（Process Control Block，PCB）、三端穩壓芯片、編碼開關、ESP32模塊（自帶BSL串口）及CC2652P模塊等元件。這些元件的精確配置和優化，保證了網關功能的高效實施。

元件應正確擺放并焊接在PCB上。PCB上的2組撥板開關用于切換ESP32和2652P模塊間的串口信號。

第一種情況，即WiFi模式下，須要將2組撥板開關的前兩位撥到ON位置，以使串口芯片直連ESP32模塊。該模塊隨后連接到CC2652模塊。

第二種情況，即USB模式下，直連USB端口的傳統ZigBee網關要求將撥碼開關的后兩位調至ON位置，以便串口芯片直連CC2652P模塊。

6.2 燒錄固件

為智能網關和相關模塊燒錄固件是配置過程的重要部分。通過WiFi模式，用戶可以簡便地為設備更新和安裝必要的軟件，保持系統的功能性和最新狀態。

（1）首先，用戶安裝CH340串口芯片驅動程序，使用Type-C線將模塊與電腦連接。

（2）用戶訪問tasmota.github.io網站，并將“tasmota zigbee bridge pro”固件燒錄至ESP32模塊；燒錄完成后，進行ESP32模塊的網絡配置。

（3）此階段，CC2652P模塊的固件已預先上傳至ESP32存儲器中，且CC2652P模塊已預裝BSL。接下來，用戶對CC2652P模塊進行固件燒錄。

（4）用戶訪問tasmota配置界面，當界面顯示“znp”時，表明固件已成功安裝且功能正常。

6.3 網關使用

網關的使用依賴于MQTT服務器的搭建。網關用來處理和管理來自各個設備的信息。通過合適的配置，網關可以與ZigBee設備進行通信，確保了系統的互操作性和擴展性。

（1）首先，用戶建立MQTT服務器以支持后續的設備通信。

（2）接著，用戶訪問“tasmota”配置界面并輸入MQTT信息，以便初始化ZigBee終端設備的配對過程。

（3）最后，用戶配置“MQTT-discovery”以將ZigBee設備集成進Home Assistant系統。

7 系統測試

在該系統的配置過程中，用戶首先應確保網關與無線路由器之間的成功連接，從而實現系統與互聯網的通信。隨后，將報警器配置為網關的子設備。子設備的配置包括智能行為的設定，使得系統能夠在根據門窗傳感器的閉合和打開的狀態下分別觸發相應的操作，例如向手機推送實時消息。在停電發生時，由于電磁鐵失去供電，門窗傳感器中的干簧管斷開，系統隨即向智能網關發送門窗打開指令，而網關則將該信號傳遞至用戶的手機，從而有效實現停電告警功能。此配置使得系統能夠在停電發生時迅速發出警報，為用戶提供及時的信息反饋，并確保采取緊急措施，以維護電力供應的安全和穩定。

8 結語

本研究成功地設計并實現了一種基于智能網關的遠程停電報警系統。該系統整合了先進的硬件設計和系統集成。在硬件方面，基于ZigBee協議的低功耗和短距離通信的特性，獨立開發了ZigBee網關，以優化系統通信性能，并協調傳感器與互聯網之間的數據流動。這種設計使傳感器與智能網關之間的數據傳輸更加可靠，從而提升了整個系統的協同工作能力。本文通過采用門窗傳感器和改造直流繼電器，成功實現對停電狀態的高效監測。這一設計提高了系統的敏感性和響應速度，使其能夠迅速應對電力供應中斷。在系統集成方面，本文通過配置網關和子設備，并利用互聯網進行實時消息推送，提供了一種高效的即時報警方法。通過在子設備中添加智能行為，系統能夠根據傳感器狀態變化自動采取相應措施，提升了系統的自動化程度。

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（編輯 王雪芬）

Design of power outage alarm based on intelligent gateway

ZHANG" Yinxi， YAO" Bin*， YANG" Ruijia

（Shaanxi University of Science and Technology， Xi’an 710021， China）

Abstract：" As a common fault in the power system， power outage has a serious impact on people’s lives and work. This paper implements a remote power outage alarm based on an intelligent gateway， aiming to provide comprehensive monitoring and real-time feedback functions， as well as efficiently improve the delay problem of power outage alarm method. The alarm system consists of an intelligent gateway， a sensor and an alarm device. The sensor is used to monitor the status of the power system in real time. The intelligent gateway implements data processing and analysis， and triggers the alarm device to implement a power outage alarm. Experimental results show that the designed power outage alarm shows good performance in detecting power outage events and achieving remote alarm， provides important data support for power system fault analysis and optimization， and lays a solid foundation for building a more reliable and intelligent power system.

Key words： remote power outage alarm; intelligent gateway; sensor technology; real-time alarm

基金項目：陜西科技大學大學生創新創業訓練計劃項目；項目編號：S202310708059。

作者簡介：張引曦（2003— ），男，本科生；研究方向：物聯網。

*通信作者：姚斌（1981— ），男，副教授，博士；研究方向：圖像特征讀取。