基于LoRaWAN技术的变电站电缆沟火灾监控系统的制作方法

本发明涉及电力系统自动化技术领域，尤其涉及一种基于lorawan技术的变电站电缆沟火灾监控系统。

背景技术：

变电站交直流电源系统为控制、信号、通讯、继电保护、自动装置及事故照明等提供可靠的电源保障。近年来，变电站电缆沟火灾事故时有发生，极大影响了电网安全稳定运行，如何降低变电站电缆沟火灾隐患风险是运维人员必须考虑的问题。

目前，运维单位已采用将传统绝缘电缆更换为阻燃电缆或耐火电缆，并将10kv及以上电力电缆与低压动力、控制和通信电缆分沟敷设，以及安装电缆沟防火在线监测系统等多种方式来降低电缆沟火灾隐患风险；但是，变电站电缆沟在线监测系统一般安装缆式或光纤线型感温火灾探测器，且使用有线传输的方式进行在线监测，存在部署难度大、网络化水平低以及数据可视化不足等问题。

技术实现要素：

本发明的目的旨在至少能解决上述的技术缺陷之一，特别是现有技术中变电站电缆沟在线监测系统存在部署难度大、网络化水平低以及数据可视化不足等的技术缺陷。

本发明实施例提供了一种基于lorawan技术的变电站电缆沟火灾监控系统，包括：多传感器复合型电缆沟火灾探测器和电缆沟火灾监测平台；

所述多传感器复合型电缆沟火灾探测器与所述电缆沟火灾监测平台之间通过lorawan网络架构实现通信连接；

其中，所述多传感器复合型电缆沟火灾探测器包括传感器数据采集与信号处理模块、控制模块、lora通信模块以及声光报警模块；

所述传感器数据采集与信号处理模块将采集到的信号进行一次处理后发送至所述控制模块，通过所述控制模块进行二次处理，并根据二次处理后的信号控制所述声光报警模块进行声光报警；

以及，利用所述lora通信模块与所述lorawan网络架构通信连接，将所述二次处理后的信号发送至所述电缆沟火灾监测平台，通过所述电缆沟火灾监测平台进行分析及预测。

可选地，所述多传感器复合型电缆沟火灾探测器还包括超声波驱鼠模块；

所述传感器数据采集与信号处理模块将采集到的信号进行一次处理后发送至所述控制模块，通过所述控制模块进行二次处理，并根据二次处理后的信号控制所述超声波驱鼠模块进行驱鼠。

可选地，所述多传感器复合型电缆沟火灾探测器还包括电源模块，所述电源模块为所述控制器提供电源。

可选地，所述传感器数据采集与信号处理模块包括传感器数据采集模块和信号处理模块；

所述传感器数据采集模块包括剩余电流传感器、烟雾传感器和红外热释放传感器，所述信号处理模块包括放大滤波模块和a/d转换模块。

可选地，所述剩余电流传感器、烟雾传感器和红外热释放传感器将采集到的信号发送至所述放大滤波模块中放大、滤波后，经所述a/d转换模块进行模数转换。

可选地，所述控制模块采用stm32f103ze控制板。

可选地，所述stm32f103ze控制板利用pwm模块驱动所述声光报警模块中的mosfet开关管动作，以产生声光报警信号。

可选地，所述lora通信模块采用sx1278芯片，所述sx1278芯片与所述stm32f103ze控制板之间通过spi进行数据传输。

可选地，所述lorawan网络架构包括lora通信网络、lora网关、网络服务器和应用服务器；

所述lora通信网络与所述lora通信模块连接，用于将所述lora通信模块发送的信号经所述lora网关、所述网络服务器和所述应用服务器发送至所述电缆沟火灾监测平台。

可选地，所述电缆沟火灾监测平台包括web客户端和移动app；

所述电缆沟火灾监测平台通过所述lorawan网络架构将所述lora通信模块发送的信号呈现在所述web客户端和所述移动app。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

1、本发明提供的一种基于lorawan技术的变电站电缆沟火灾监控系统，其中，电缆沟火灾监测平台采用lorawan技术，具有覆盖广、穿透性强、功耗低等特点，可接收到电缆沟深处的信号；

2、利用多传感器复合型电缆沟火灾探测器获取变电站电缆沟的实时环境信息，并对实时环境信息进行多次处理后发送至电缆沟火灾监测平台，能精确采集到各种物理量；

3、在多传感器复合型电缆沟火灾探测器中添加了声光信号报警电路，当处理结果中发现电缆沟存在火灾隐患时，立即发出声光报警信号；

4、将数据发送至电缆沟火灾监测平台后，电缆沟火灾监测平台的大数据处理、人工智能分析等模块，可以实现变电站电缆沟火灾数据全面分析、火情预警及预测，以先进的手段最大化地消除变电站电缆沟火灾隐患。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的变电站电缆沟火灾监控系统总体框架示意图；

图2为本发明实施例提供的红外热释放以及超声波驱鼠电路的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的多传感器复合型电缆沟火灾探测器的硬件结构图；

图4为本发明实施例提供的剩余电流传感器的电路结构示意图；

图5为本发明实施例提供的烟雾传感器的电路结构示意图；

图6为本发明实施例提供的声光报警模块的电路结构示意图；

图7为本发明实施例提供的sx1278芯片的引脚示意图；

图8为本发明实施例提供的sx1278芯片的数据收发电路结构示意图；

图9为本发明实施例提供的stm32f103ze控制板与sx1278芯片之间的连接结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像本申请实施例中一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的变电站电缆沟火灾监控系统总体框架示意图；本发明实施例提供了一种基于lorawan技术的变电站电缆沟火灾监控系统，包括：多传感器复合型电缆沟火灾探测器和电缆沟火灾监测平台；所述多传感器复合型电缆沟火灾探测器与所述电缆沟火灾监测平台之间通过lorawan网络架构实现通信连接。

其中，所述多传感器复合型电缆沟火灾探测器包括传感器数据采集与信号处理模块、控制模块、lora通信模块以及声光报警模块；所述传感器数据采集与信号处理模块将采集到的信号进行一次处理后发送至所述控制模块，通过所述控制模块进行二次处理，并根据二次处理后的信号控制所述声光报警模块进行声光报警；以及，利用所述lora通信模块与所述lorawan网络架构通信连接，将所述二次处理后的信号发送至所述电缆沟火灾监测平台，通过所述电缆沟火灾监测平台进行分析及预测。

本实施例中，变电站电缆沟火灾监控系统中包括有多传感器复合型电缆沟火灾探测器和电缆沟火灾监测平台，该多传感器复合型电缆沟火灾探测器用于实时监测电缆沟的环境信息以及运行信息等，并对采集到的相关信息进行多次处理后，通过lorawan网络架构发送至电缆沟火灾监测平台。

如图1所示，该lorawan网络架构可以包括lora通信网络、lora网关、网络服务器和应用服务器，且在多传感器复合型电缆沟火灾探测器端设置有lora终端节点，其与lora通信网络连通后，可实现将多传感器复合型电缆沟火灾探测器端的信息发送至电缆沟火灾监测平台，以将数据呈现在web端或移动端，实现数据可视化。

其中，多传感器复合型电缆沟火灾探测器包括但不限于传感器数据采集与信号处理模块、控制模块、lora通信模块以及声光报警模块。

传感器数据采集与信号处理模块可以实时采集电缆沟的环境信息以及运行信息等，并将采集到的信号进行一次处理后发送至控制模块，通过控制模块中的相关算法对一次处理后的信号进行二次处理，并根据二次处理后的信号控制声光报警模块进行声光报警。

并且，控制模块还可利用lora通信模块与lorawan网络架构进行通信连接，并将二次处理后的信号通过lorawan网络架构发送至电缆沟火灾监测平台，通过电缆沟火灾监测平台进行分析及预测，如通过电缆沟火灾监控平台的大数据处理、人工智能分析等模块，可以实现变电站电缆沟火灾数据全面分析、火情预警及预测，以先进的手段最大化地消除变电站电缆沟火灾隐患。

在一个实施例中，所述多传感器复合型电缆沟火灾探测器还可以包括超声波驱鼠模块；所述传感器数据采集与信号处理模块将采集到的信号进行一次处理后发送至所述控制模块，通过所述控制模块进行二次处理，并根据二次处理后的信号控制所述超声波驱鼠模块进行驱鼠。

由于电缆井中电缆的绝缘层被老鼠咬坏的情况十分常见，一旦裸露的电线相互触碰短路，就会引发电缆井火灾。普通防测工作需要抬起盖板，而且进入狭小通道容易碰头，安装捕鼠装置对操作人员有一定危险性。同时剩捕鼠笼和捕鼠板能起到一定效果，但随机性较大，不稳定。

因此，本实施例中，利用超声波的驱鼠方式具有覆盖范围广、作用时间长、无化学污染以及维护简单的优点；多传感器复合型电缆沟火灾探测器中的超声波驱鼠模块可以根据传感器数据采集与信号处理模块中采集到的相关信号，并由控制模块进行相关处理后，依据控制模块发送的控制信号产生相应的超声波进行驱鼠。

如图2所示，以红外热释放传感器采集是否有生物活动迹象来进行说明，图2为本发明实施例提供的红外热释放以及超声波驱鼠电路的结构示意图；图2中，该电路的测量元件为红外热释放传感器hc-sr501，在没有可以生物入侵的情况下，红外热释放传感器输出低电平信号，当检测到生物发出的红外信号时，传感器输出高电平信号，此时si2300-2将会导通，控制模块输出的pwm1信号经过si2300-1和si2300-3到达tda2030的同相输入端，随后，高频pwm信号经过tda2030进行功率放大后驱动超声喇叭。

并且，当控制模块使用stm32f103ze控制板时，为了避免鼠类对某一超声频段的适应性，stm32f103ze控制板可输出连续的无规律高频pwm信号驱动超声波发生电路，从而达到强劲、长时驱鼠的效果。

另外，当发出随机频率超声波信号进行驱鼠时，可同时将生物入侵信息上传至web客户端和移动app提醒工作人员注意。

在一个实施例中，所述多传感器复合型电缆沟火灾探测器还可以包括电源模块，所述电源模块为所述控制器提供电源。

在一个实施例中，如图3所示，图3为本发明实施例提供的多传感器复合型电缆沟火灾探测器的硬件结构图；所述传感器数据采集与信号处理模块可以包括传感器数据采集模块和信号处理模块；所述传感器数据采集模块包括剩余电流传感器、烟雾传感器和红外热释放传感器，所述信号处理模块包括放大滤波模块和a/d转换模块。

本实施例中，如图3所示，多传感器复合型电缆沟火灾探测器中的传感器数据采集与信号处理模块可以包括传感器数据采集模块和信号处理模块，其中，传感器数据采集模块包括但不限于剩余电流传感器、烟雾传感器和红外热释放传感器，信号处理模块包括但不限于放大滤波模块和a/d转换模块；另外，多传感器复合型电缆沟火灾探测器中还包括控制模块，如stm32f103ze控制板，声光报警模块、超声波驱鼠模块、lora通信模块以及电源模块。

在一个实施例中，所述剩余电流传感器、烟雾传感器和红外热释放传感器将采集到的信号发送至所述放大滤波模块中放大、滤波后，经所述a/d转换模块进行模数转换。

本实施例中，剩余电流传感器中的剩余电流，即通过剩余电流动作保护装置主回路电流矢量和。剩余电流有正常和异常之分，正常剩余电流一般不会引起火灾，通常所说的由剩余电流引起的电缆沟火灾指的是由异常剩余电流引起。因此，及早发现并排除异常剩余电流故障，在一定程度上可以预防电缆沟火灾的发生。

如图4所示，图4为本发明实施例提供的剩余电流传感器的电路结构示意图；其工作原理如下：图4中的剩余电流传感器为剩余电流互感器，被保护的相线、中性线穿过环形铁心，构成电流互感器的一次线圈，当线路发生漏电时，相线、中性线电流向量和不为零，二次线圈上产生感应电动势；其次，电压信号经过由lm258-1芯片与相应电阻构成的第一级差分放大电路，将电压信号放大一定倍数，放大倍数与r4/r3有关；lm258-1运算放大器与相应电阻构成第二级差分放大电路，进一步放大电压信号；lm258-2运算放大器与相应电阻电容构成二阶低通滤波电路，将电压信号中的高频噪声和干扰信号滤除，提高信号的采样精度；最后，利用电阻r8和双向稳压管来限制输出端adc1的电压和电流幅值。

本实施例中的烟雾传感器，通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，当电缆沟内低压动力电缆发生火灾时，会产生剧烈的浓烟，浓烟在密闭的电缆沟中四处扩散，将很快的被烟雾传感器检测到，并发出警报。

如图5所示，图5为本发明实施例提供的烟雾传感器的电路结构示意图，本电路测量元件为旁热式烟雾传感器mq-2，在没有烟雾的情况下，烟雾传感器的阻值较高(20k),当烟雾进入传感器时，阻值急剧下降，a与b两端电压下降，于是，mq-2芯片中输出端6端电压升高，电压信号经过由电阻r2、r5与lm258-1运算放大器构成的反相放大电路，将电压信号放大至一定的范围内以降低模数转换误差，其放大倍数与r5/r2有关；r6、r7与lm258-1运算放大器构成反相放大电路，进一步放大电压信号；lm258-2运算放大器与相关电阻构成正向跟随电路，以便实现前后级隔离与增大运放的驱动能力；lm258-2运算放大器与相应电阻电容构成二阶低通滤波电路，将电压信号中的高频噪声和干扰信号滤除，提高信号的采样精度；并采用电阻r3和双向稳压管来限制输出端adc2的电压和电流幅值。

本实施例中的a/d转换模块可配合控制模块来选取，如控制模块采用stm32f103ze芯片，由于stm32f103ze芯片adc模块为12位的模数模块，为提高采样精度，控制板外围电路可采用ad7606bstz芯片，该芯片是16位、8通道同步采样模数数据采集芯片，内置模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、16位电荷再分配逐次逼近型adc、灵活的数字滤波器、2.5v基准电压源、基准电压缓冲以及高速串行和并行接口；采用5v单电源供电，可以处理±10v真双极性输入信号，同时所有通道均能以高达200ksps的吞吐速率采样，抗混叠滤波器的3db截止频率为22khz；当采样速率为200ksps时，它具有40db抗混叠抑制特性。当该芯片输出数字信号为0～2047时，则意味着传感器输出的信号为负，当该芯片输出数字信号为2049～4095时，意味着传感器输出的信号为正；本系统利用ad7606bstz可以极大提高信号的模数转换精度。

在一个实施例中，所述控制模块可以采用stm32f103ze控制板。

本实施例中，由于lora终端节点的复杂度很高，它需要驱动lora通信模块，这需要处理很多事件，如接收数据超时，接收数据错误等；它需要实现网络算法，申请入网，主动上报，低功耗唤醒，断网续连等；它需要管理本地设备，采集传感器数据，并根据相应控制算法进行处理等。

因此，本系统可依据lora终端节点的特性，选择stm32f103ze控制板作为控制模块。stm32f103ze为支持浮点运算的一款stm32系列处理器，具有功耗低、性能高、处理速度快且外设集成度高等一系列优点；且stm32f103ze工作频率为72mhz，内置高速存储器，丰富的增强i/o端口和联接到两条apb总线的外设，包含3个12位的adc、4个通用16位定时器和2个pwm定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个i2c接口、3个spi接口、2个i2接口、5个usart接口、一个usb接口和一个can接口。此外，stm32f103ze控制芯片内有温度传感器，温度传感器能产生一个随温度线性变化的电压。

在一个实施例中，所述stm32f103ze控制板利用pwm模块驱动所述声光报警模块中的mosfet开关管动作，以产生声光报警信号。

本实施例中，stm32f103ze控制板可利用相关算法对多种传感器采集的数据进行处理，当判定电缆沟电缆发热严重、存在火灾隐患或已发生火灾时，在将处理结果通过lora通信模块发送到电缆沟火灾监测平台的同时，可通过声光报警模块发出声光报警信息，引起变电站运维人员的注意，并依靠光报警信号在电缆沟中确定出现异常的具体位置。

如图6所示，图6为本发明实施例提供的声光报警模块的电路结构示意图；图6中，由于stm32f103ze控制板中i/o端口的输出电流较小，驱动能力较弱，无法直接驱动mosfet动作，因而，本系统选用驱动能力强、延迟时间短的ixdd509pi芯片来驱动mosfet动作，并采用hcpl4504光耦来隔离stm32f103zei/o端口与驱动电路。当探测器需要发出声光报警信号时，stm32f103zei/o端口产生pwm信号，通过隔离与驱动电路驱动mosfet动作，实现声光报警。

在一个实施例中，所述lora通信模块采用sx1278芯片，所述sx1278芯片与所述stm32f103ze控制板之间通过spi进行数据传输。

本实施例中，lora通信模块可采用semtech公司的sx1278芯片，该芯片完全符合lorawan协议中对功耗和通信距离的要求，是一款高性能和低功耗无线通信芯片，该芯片采用了lora调制解调器，工作频段范围为137mhz至525mhz,支持多种调制方式，并内置温度传感器。sx1278引脚图如图7所示，图7为本发明实施例提供的sx1278芯片的引脚示意图，其重要引脚的功能在下表中详细列出：

并且，由于sx1278是半双工收发器，因此收发数据时要进行模式切换；如图8所示，图8为本发明实施例提供的sx1278芯片的数据收发电路结构示意图；图8中，u1为模拟开关，通过ctrl引脚和vdd引脚的高低电平来选择天线连接的是接收电路还是发射电路。当vdd为低电平，ctrl为高电平，rf1接通rfc，sx1278芯片工作于接收数据模式；当vdd为高电平，ctrl为低电平，rf2接通rfc，sx1278芯片工作于发送数据模式。微控制器stm32f103ze的i/o端口输出信号st_cp和st_cp1来对sx1278的工作模式进行切换。

sx1278接收电路中，l1、l7、c10和c9组成了滤波电路，需根据实际通信频率，选择合适的参数。由于各种电子设备的使用，实际无线电环境非常复杂，各种频率的无线电都会被天线接收，进入sx1278芯片，从而对sx1278芯片正常工作造成影响。sawfilter的作用就是过滤通信频率外的信号，只让特定频率信号通过。sx1278发射电路中采用了多个滤波器，l6和c19、l17和c5组成了两组串联谐振电路，c15和l4、c13和l3组成了两组并联谐振电路，根据不同的通信频率，选择合适的器件参数，以达到最佳的发射状态。

此外，如图9所示，图9为本发明实施例提供的stm32f103ze控制板与sx1278芯片之间的连接结构示意图；sx1278芯片同微控制器stm32f103ze主要通过spi进行数据传输，着重关注sck，miso，mosi以及nss这4个引脚。nss是片选信号引脚，当为低电平时表示被mcu片选，可以开始spi数据传输；sck是时钟信号引脚，由mcu提供，在数据传输时需要持续提供；miso和mosi是数据输入输出引脚，当mcu是主设备，sx1278是从设备时，miso是数据输出引脚，mosi是数据输入引脚。

在一个实施例中，如图1所示，所述lorawan网络架构包括lora通信网络、lora网关、网络服务器和应用服务器；所述lora通信网络与所述lora通信模块连接，用于将所述lora通信模块发送的信号经所述lora网关、所述网络服务器和所述应用服务器发送至所述电缆沟火灾监测平台。

在一个实施例中，如图1所示，所述电缆沟火灾监测平台包括web客户端和移动app；所述电缆沟火灾监测平台通过所述lorawan网络架构将所述lora通信模块发送的信号呈现在所述web客户端和所述移动app。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。