基于NB-IoT与单片机的组合式电气火灾探测器设计与实现

随着电气自动化设备日益普及，社会用电负荷急剧上升，提高了火灾的发生率。目前，国内电气火灾探测器的生产厂家一般采用传统的现场通信技术。针对市场上传统的有线组网组合式电气火灾探测器部署难、采集精度不高、不能实时报警等问题，设计了一套基于NB-IoT无线通信组合式电气火灾探测器。通过对剩余电流、电压、电流、温度等的监测，以NB-IoT无线通信的方式将经过调理电路处理过的信息上传到物联网平台，在网页客户端能够实时查询采集到的数据、状态以及定位等信息。探测器安装无需大量布线，能够将现场用电设备的信息通过无线方式实时推送给用户，降低电气火灾发生率，保障人身和财产安全，对电气火灾事故的发生起到预警作用。

基于NB-IoT与单片机的组合式电气火灾探测器通过传感器采集现场用电设备及输电线路的电参量与温参量，若判断超出设定参数阈值，则现场自动报警。以NB-IoT无线通信的方式将采集到的信息上传到物联网平台上，用户通过智能手机和电脑等设备登录网页，查看探测器采集到的数据、状态以及定位等信息。

组合式电气火灾探测器的硬件结构主要由电源模块、主控模块、电能采集模块、温度采集模块、通信模块、LCD液晶显示模块、声光警报模块、存储模块、人机交互按键模块等组成。

电能采集模块，BL6522B芯片是一款低功耗、高性能的三相计量专用芯片，具有高速SPI通信接口。设计中，主控制器芯片通过SPI对BL6522B进行读写，获取三相电压、三相电流、三相有功功率以及剩余电流。电流采样用电流互感器差分输入的方法，选用的电流互感器是CT132T，变化比为2000：1，精度0.2级。

在剩余电流采集调理电路中，TVS（瞬态抑制二极管）防止浪涌脉冲及静电对其电路中电子器件的损毁。电路中采用了自恢复保险丝，其最大电压为15V，超过此值，保险丝被击穿，不能恢复；维持电流为0.1A，在此电流情况下低电阻状态可保持无限长的时间；跳闸电流为0.3A，是自恢复保险丝的最小稳态电流，若超过此电流则保险丝会自动跳闸。当线路发生过载或短路时，电路中电流会急剧上升，自恢复保险丝自动跳闸，限制电流过大破坏电子器件，从而对工作电路进行保护。当电路故障消除后，保险丝回复到原来的状态，电路会再次导通，从而完成对剩余电流采集调理电路的保护，保证了整个设备安全运行。

采集的信号再经过电路中的电阻电容的去耦合和缓冲调理，分别输入到BL6522B芯片与STM32芯片。

温度采集调理电路是探测器的核心采集电路之一，电路中采用了热敏电阻温度传感器。电气火灾探测器能够对0～150℃范围内的温度进行有效监测。

探测器采集到的电量数据、报警和故障状态等信息通过NB-IoT传输至物联网平台。系统NB-IoT无线接入模块选用移远通信BC28无线通信模块，具有无线远距离数据传输基本功能。将实现TTL串口通信转化为NB-IoT无线通信方式，资费低，传输速度快。N

采用STM32F103VCT6单片机作为主控芯片，是一款基于ARMCortex-M内核的32位微处理器，它具有高达1MB的闪存、32KB的程序存储器、72MHz运行速度以及高速SRAM。因此，其运行功耗低、运算速度快，与无线模块TTL电平连接，无中间电路，稳定性高，结构简单。

基于NB-IoT无线通信组合式电气火灾探测器的软件设计是在Keil开发环境下采用C语言实现的。软件设计主要由信息采集模块、NB-IoT无线通信模块组成。

信息采集模块对温度、电流、三相电压及漏电等电气故障信息进行采集。温度传感器与电流互感器将采集温度及漏电信息上传给探测器处理，若发现故障信息，则探测器发出声光警报及屏幕显示故障信息，同时将数据信息上传物联网平台。上电后系统主程序首先进行端口初始化操作，初始化完成后通过传感器进行信息采集，定时器时间进入到A/D采样处理程序，会将其采集的信息与设定的漏电阈值、温度阈值进行比较。若超过设定的阈值则探测器发出声光警报且显示屏显示故障信息，并将数据上传物联网平台，若没有超过设定的阈值，继续对漏电、温度、线路是否有开路与短路等故障进行判断，若有故障则立刻发出报警信号，若没有故障则显示正常，重新返回进入到A/D采样处理程序。

移远BC28通信芯片有正常、空闲、省电3种工作模式，通过读取程序寄存器中的指令来选取相应的工作模式。对通信芯片BC28、定时器、Flash等进行初始化，对发送功率以数据帧结构进行设置。在参数设置后进入主循环程序进行数据的采集，然后判断Flash是否存储满数据，进入工作模式，将数据无线发送，每组数据发送成功后收发器将进入空闲模式等待下次指令从而降低功耗。

对所设计的基于单片机与物联网组合式电气火灾探测器进行了现场测试。测试时将温度报警阈值设置为50℃，在测试4路温度时，有3路超过50℃，探测器显示其数值，并成功发出声光警报。

剩余电流报警阈值设置为500mA，三相电压的电压阈值设定为187、342V。4路温度、1路剩余电流及三相电压检测都能正常报警并成功将数据上传到物联网平台。测试所设计的基于NB-IoT无线传输技术的电气火灾监控系统反应灵敏，稳定性高，可以保证其设备稳定运行，能够有效达到对电气火灾无线预警的要求，减少电气火灾事故发生，保障人身和财产安全。

利用NB-IoT无线通信技术的组合式电气火灾探测器，设计了采集电路并优化了整个电路布局，解决了电路的电磁兼容性，实现了采集信号精度高，运行平稳。在探测器上增加了NB-IoT远程通信功能,解决了传统有线组网组合式电气火灾监控系统部署难的问题，使组合式电气火灾探测器实现了部署容易、使用方便和网络化的目标。