叶选镇 翟连钢
乾友科技有限公司 325604 浙江人民电器有限公司 325604
摘要
根据公安部消防局发布的《中国火灾统计年鉴》，我国70%的电气火灾是由开关引起的。主要原因是普通配电开关断路器起不到保护作用。因此，提高断路器的可靠性，对配电线路进行全天候的安全监测具有重要意义。为了提高用电的安全性，本文设计了一种新型的物联网断路器系统来代替传统的断路器。物联网断路器系统的设计分为五个部分：传感器模块电路硬件设计、系统主控电路硬件设计、软件程序设计、协议需求设计和云平台接入设计。研制的物联网断路器具有安全性高、可靠性高、管理精细、操作方便直观等特点。
关键词：智能断路器；实施操作系统；云平台
1.引言
物联网断路器系统具有监控、保护、通讯等功能。它方便用户终端进行控制，具有广泛的智能控制解决方案。物联网断路器作为智能电源控制系统的重要组成部分，实现了对门内监控电源的终端控制和管理。该系统主要实现了在家庭端对电源参数（电压、电流、电量、频率等）的实时采集，并对数据进行实时处理。最后，将处理后的数据显示并上传到云平台。该系统能处理特定的故障并报警。物联网断路器系统可以实时测量家庭终端的电源参数和开关状态，通过云平台进行数据处理和实时交互。为用户提供可靠的信息，及时处理各种故障。用户端能够高效、方便地管理用电，并能对紧急故障的发生进行预防、处理和监控。
2.系统总体方案设计
2.1系统功能需求
物联网断路器系统作为智能功率控制的重要组成部分，主要负责电能参数采集、断路器状态量检测、温度检测、各种故障检测等，并对相关数据进行计算、分析、统计和保存，对故障进行及时的诊断、处理和报警，并能及时向云平发送数据和状态。因此，传感器模块可以采集各种模拟信号，处理各种故障。主控程序需要具有实时任务调度功能和较强的数据处理能力。
2.4主程序设计方案
本文选择了实时操作系统的程序体系结构。主控程序主要处理三部分数据：传感器相关数据；任务调度与决策；云平台相关数据。
2.5云平台接入方案
本文选取百度物联网云平台。云平台接收来自通信模块的电压、电流、电能数据，通过规则引擎和实时计算进行转发和推送。云平台需要订阅相关主题并发布相关主题，通过规则引擎处理主题之间和主题内部的约束，然后通过主题转发设备与云平台之间的数据和指令。终端实时显示电压、电流、电量及相应的开关状态量，可对相应的开关进行控制。在上层服务中可以进行用户数据分析和实时计算。
3.物联网断路器硬件设计
3.1系统硬件框架设计
系统硬件电路按模块化设计，便于系统维护和后期开发。系统硬件如图3-1所示，按功能分为：传感器模块电路和通信模块电路。传感器模块负责电源参数采集、状态监测、泄漏电流监测、电机驱动、防雷检测、温度检测等功能。通信模块电路负责接收传感器模块的数据和指令，处理云平台的数据和指令，规划实时任务并发等功能。功能模块电路互不干扰，是一个完整的模块电路，具有独立的电源模块，可以独立工作。
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图3-1系统硬件框架示意图
3.2传感器模块主控电路设计
传感器模块的主控系统主要包括：电源电路、时钟电路、启动电路、下载调试电路等，stm32f103c8t6的电源电压为3.3V，选用LDO器件（lm1117s），5V输入，3.3V输出。两个22pf电容器连接在晶体振荡器的两端和GND之间。连接10K电阻后，BOOTO和boot1都接地。引脚的输入电流减小，芯片启动模式改变为启动主闪存。选择主闪存作为启动区域。下载调试电路采用SWD方式。
3.3传感器功能设计
电压由微型电压互感器dl-pt202d采集，微型电压互感器内部隔离一次绕组和二次绕组的最大输入电流为10mA，匝数比为1000:1000=1:1。建议输入电流为2mA，绝缘耐压为4KV。变压器另一侧感应的电流通过50欧姆的采样电阻器产生电压。
采用片式热敏电阻和金属薄膜电阻串联采集电压。该热敏电阻在25℃时电阻值为10K，功率为400MW，精度为±1%，满足设计要求。
本文采用机械动作方式实现空气开关的分、合闸动作，采用差动齿轮实现手动和电机驱动控制空气开关的分、合闸。电机驱动部分选用L9110s作为电机驱动芯片。该芯片主要用于驱动普通直流电机。内置功率管可实现电机桥式驱动，待机电流低。
3.4通讯模块主控电路设计
通信模块主控电路最小系统主要包括：电源电路、时钟电路、启动电路、下载调试电路。Stm32f103rct6电源电压3.3V，LDO器件（lm1117s），5V输入输出3.3V电源。引脚的输入电流减小，芯片启动模式改变为启动主闪存。选择主闪存作为启动区域。下载调试电路采用SWD方式。
3.5射频模块电路设计
射频模块采用两种方案：esp8266的WiFi模块方案和ENC28J60的有线网络接口模块方案。考虑到上述方案部分支持SPI，部分支持串行通信和高效编程，WiFi通信模块和主控中心采用串行通信，以太网通信模块和主控中心采用SPI通信。
3.6供电模块电路设计
根据系统性能指标，采用12V电源输入。通信板需要3.3V和5V电源。3.3V电源主要用于最低系统电源，通信芯片电源采用5V电源，如图3-2所示，采用三端电压调节器78m05，最大输出电流可达1.5A，满足设计要求。
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图3-2通讯模块电路图
4.物联网断路器软件设计
本系统的软件设计主要基于实时操作系统的主控程序设计和各采集模块的数据采集程序设计。为了实现实时性，主控程序采用嵌入式实时操作系统架构，以任务的形式运行所有操作。同时，对来自云平台的数据和来自采集板传感器的数据进行处理，并发送和接收指令。该软件是在keil5.15平台上用C/C++语言编写的。
5.云平台接入
硬件部分负责设备侧传感器驱动、数据采集和程序设计。要实时监控设备的状态，需要连接到云平台。云平台主要负责数据接收、数据转发和主题代理。物联网破坏者利用百度智能云对象接入IotHub，以海量级并发支持千万台设备，千万台设备同时接入正常稳定运行。Mqtt协议用于通信模式选择。客户端通过代理服务器传输消息，实现多对多传输。客户端发布消息，代理服务器转发消息并根据主题规则订阅主题。XMPP可扩展消息处理字段协议是基于可扩展标记语言（XML）协议的，基于实时在线检测。
云平台编程采用非OS-SDK编程，芯片的整体编程架构只剩下上层应用开发的用户模式，隐藏底层网络实现细节。整个程序体系结构使用四种类型的函数：应用函数、回调函数、用户任务和中断服务程序（ISR）。
程序主要由内核状态和用户状态组成。设置esp8266使用tcpclient模式，在station模式下工作，在LAN中分配LP地址。调用回调函数后，TCP服务器连接在成功连接到网络后建立。
6.系统性能测试及结果分析
对物联网断路器系统进行了测试，样机测试过程需要测试以下六个方面：系统采集电压电流精度测试、系统泄漏电流测试、系统电机测试、系统温度测试、云平台通信测试、终端控制测试。验证了理论和设计的可行性。详细分析了测试原理和方法。测试内容包括采集功率参数精度测试、漏电流测试、系统电机驱动测试、云平台接入测试。所有测试结果均满足设计指标和功能要求。
结论
本文设计了物联网断路器的传感器模块和通信模块。针对电能参数的采集，设计了对称电桥电路和V/I转换电路，将小电流转换为电压，使测量准确、高效，提高了测量宽度。采用模拟电路和数字电路隔离设计，隔离模拟和数字电源，保证电路的可靠性。介绍了一种开源嵌入式实时操作系统RT-thread，设计了主控程序框架。云平台接入采用百度智联云接入成熟稳定的物联网枢纽方案。通信协议采用高效、稳定、成熟的mqtt协议，提高了开发效率。
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