CN107677321A - 一种基于can总线的用电信息采集系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CAN总线的用电信息采集及无线数据传输系统,本发明利用高速的控制器局部网将微控制器芯片采集所得的电压、电流、负荷、电量、温度、报警信息等数据进行汇总、处理,并最终通过GPRS模块以一定的数据格式发送至上位机,供上位机进行分析、处理,最终将实时数据集中监控并及时反馈给值班电工。本发明将变配电房各电力参数汇总到云端,可在连接互联网的设备端实时查看监测数据,大大降低了运行维护的人力及经济成本并可根据数据分析合理优化供配电使用情况;报警信息实时传送,可快速有效的定位报警类型,方便维修人员快速做出相应处理,大大提高工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及用电环境的用电信息采集、汇总,使用工业级双频GSM/GPRS模块将用电信息及报警信息上传至上位机系统。
背景技术
如今变配电房的运行维护、电力抢修等电力服务领域大多依靠电工定期巡视,检查的方式。该工作方法形式单一且工作效率偏低,对存在的安全隐患不能及时察觉。如电工在巡视过程中疏忽可能造成危害人身安全及严重的财产损失状况。供配电信息的实时采集及报警信息的及时上传将有效的提高电工的工作效率,降低人力及经济成本,能有效的对安全隐患做出判断,降低用电隐患带来的危害。
控制器局部网(CAN)具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点,特别适用于分布式测控系统之间的数据通讯,现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多领域。CAN通讯具有优先权和仲裁功能,多个控制模块通过CAN控制器挂到CAN-Bus上,形成多主机局部网络。
通用分组无线服务技术(GPRS)是第二代移动通信中的数据传输技术。GPRS具有高速数据传输,永远在线及仅按数据流量收费的优点。GPRS技术的实现使得用电信息的数据上传至因特网更加便捷,同时也降低了数据组网的成本。
发明内容
发明目的:为了克服现有技术中存在的不足,本发明提供了一种基于CAN总线的用电信息采集及无线数据传输系统,本发明利用高速的控制器局部网将微控制器芯片采集所得的电压、电流、负荷、电量、温度、报警信息等数据进行汇总、处理,并最终通过GPRS模块以一定的数据格式发送至上位机,供上位机进行分析、处理,最终将实时数据集中监控并及时反馈给值班电工。
技术方案:
一种基于CAN总线的用电信息采集系统,包括单节点控制模块、集中控制模块及为单节点控制模块和集中控制模块供电的24V开关电源;所述单节点控制模块包括电能计量模块、温度采集模块、通讯模块及微控制器;所述集中控制模块包括微控制器;
在所述单节点控制模块中,电能计量模块、温度采集模块及485通讯模块均与微处理器连接;所述电能计量模块采集电压、电流数据并进行分析处理,并将结果发送至微处理器;所述温度采集模块采集CAN总线上的温度并发送至微处理器;
各个单节点控制模块之间相互连接;各个单节点控制模块通过CAN总线与所述集中控制模块的微处理器连接;所述集中控制模块的微控制器通过GPRS/CDMA无线与移动基站相连;移动基站通过因特网与服务器连接;服务器连接有监控中心和移动终端。
同一网络内各单节点控制模块和所述集中控制模块间CAN总线通过屏蔽双绞线进行连接。
微控制器的主控制芯片采用STM32F103系列单片机。
电能计量模块采用分布式用电信息采集装置,分布式用电信息采集装置包括多相多功能电能计量IC、电压传感器以及电流传感器。
所述多相多功能电能计量IC带有高精度ADC,对电压、电流传感器接入的电压、电流信号进行采样、分析、处理;多相多功能电能计量IC通过内部处理器将计算的电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、频率、有功电能、无功电能参数放入内部相应寄存器,由外部的微控制器进行读取。
所述通讯模块为485通讯接口。
所述分布式用电信息采集装置与通讯模块连接;报警阈值通过通讯模块保存至EEPROM,通过实测值与报警阈值做比较,根据不同的报警条件输出对应的报警标志进行报警。
有益效果:将变配电房各电力参数汇总到云端,可在连接互联网的设备端实时查看监测数据,大大降低了运行维护的人力及经济成本并可根据数据分析合理优化供配电使用情况;报警信息实时传送,可快速有效的定位报警类型,方便维修人员快速做出相应处理,大大提高工作效率。
附图说明
图1本发明系统原理结构图;
图2本发明控制模块使用的微控制器最小系统原理图;
图3本发明所使用的电能计量IC电路原理图;
图4本发明所使用的一种电流、电压采用电路原理图;
图5本发明所使用的一种温度采集电路原理图;
图6本发明所使用的GPRS模块通讯电路原理图;
图7本发明所使用的485通讯及CAN通讯电路原理图;
图8本发明所使用的模块供电电路原理图;
图9本发明所使用的GPRS模块供电电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明实现的是一种基于CAN总线的用电信息采集及无线数据传输系统,如图1所示,包括单节点控制模块和集中控制模块及为单节点控制模块和集中控制模块供电的24V开关电源;其中,单节点控制模块包括微控制器、电能计量模块、温度采集模块、485通讯模块;集中控制模块包括微控制器;在单节点控制模块中,电能计量模块、温度采集模块、485通讯模块均与微处理器连接,各个单节点控制模块之间相互连接;各个单节点控制模块通过CAN总线与集中控制模块的微处理器连接;集中控制模块的微控制器通过GPRS/CDMA无线发送与移动基站相连;同一网络内各单节点控制模块和集中控制模块间CAN总线通过屏蔽双绞线进行连接;监控中心、移动终端即移动电话分别连接至服务器;服务器与移动基站之间通过因特网连接。
电能计量模块采用分布式用电信息采集装置,分布式用电信息采集装置包括多相多功能电能计量IC、电压传感器以及电流传感器;供配电线路通过电压、电流传感器接入分布式用电信息采集装置,电压、电流传感器采集所得的电压、电流数据进行滤波等处理后送入多相多功能电能计量IC,多相多功能电能计量IC带有高精度ADC,以一定速率通过对电压、电流传感器接入的电压、电流信号进行采样、分析、处理,多相多功能电能计量IC通过内部处理器将计算的电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、频率、有功电能、无功电能等参数放入内部相应寄存器,由外部与分布式用电信息采集装置连接的微控制器进行读取;温度采集模块为温度传感器,微控制器同时读取多相供电线缆上单总线数字温度传感器上的温度数据;分布式用电信息采集装置与485通讯接口连接,报警阈值通过485通讯接口保存至分布式用电信息采集装置内部的EEPROM,通过实测值与报警阈值做比较,根据不同的报警条件通过485通讯输出对应的报警标志进行报警;所述的485通讯接口也可与多功能电力仪表通讯,读取多功能电力仪表上各参数数值。
本发明采用一主多从的架构,主站定期读取挂载在CAN总线上所有从站数据,并将各从站数据进行打包、处理,最终将各从站数据以约定的数据帧格式通过GPRS无线模块发送至云端上位机,供上位机处理、分析。
微控制器的最小系统电路如图2所示,本发明采用STM32F103系列单片机作为微控制器的主控制芯片,该系列芯片是意法半导体公司生产的基于ARM 32位的Cortex-M3内核的CPU,最高工作频率可达72MHz。该芯片采用2.0~3.6V供电,拥有3个12位ADC;多达112个快速I/O端口;多达11个定时器;多达13个通讯接口,其中包括2个I2C接口、5个USART接口、3个SPI接口、CAN接口等。数据保存部分采用16K位非易失性铁电存储器FM24CL16B,该存储器可以像RAM一样快速读写,可读/写次数近乎无限,且掉电后可以保存45年。相对EEPROM或其他非易失性存储器,FM24CL16具有结构更简单,系统可靠性更高等诸多优点。FM24CL16采用快速两线串行接口,总线频率可达1MHZ,硬件上可直接替换EEPROM。
电能计量模块的芯片系统电路如图3所示,本发明采用亚德诺半导体技术有限公司生产的高精度、三相电能计量IC ADE7880。该器件内置多个二阶Σ-Δ型模数转换器(ADC)、数字积分器、基准电压源电路及所有必需的信号处理电路,实现总(基波和谐波)有功/视在功率测量和有效值计算,以及基波有功/无功功率、有功电能/无功电能测量。此外,ADE7880可以计算相位和零线电流以及相位电压上的谐波均方根、有功/无功/视在功率,以及所有相位的各谐波上功率因数和谐波失真。同时可针对所有电流和电压计算总谐波失真(THD)。ADE7880适合测量各种三线、四线的三相配置有功、无功和视在功率,例如Y形或三角形等。各相均具有系统校准功能,即均方根失调校正、相位校准和增益校准。CF1、CF2和CF3逻辑输出可提供许多功率信息:总有功/视在功率、电流有效值的和值或基波有功/无功功率。
电压、电流采样电路如图4所示,电流采样采用兵字的电流互感器TA1015-2,电流信号通过外部电流传感器接入,两阻值相等的高精度采样电阻R63、R69串联后跨接在A相电流互感器二次侧绕组两端,R65、C82、C83、R68串联连接后也跨接在A相电流互感器二次侧绕组两端;B、C、N相同理。电压采样采用兵字的电压互感器TV1013-1H,两个高精度电阻R84、R85与A相电压互感器一次侧串联进行限流,高精度采样电阻R88跨接在A相电压互感器的二次侧绕组两端,同样R89、C90串联后跨接在A相电压互感器二次侧绕组两端;B、C相同理。
温度采集模块的电路如图5所示,本发明采用的温度传感器是达拉斯半导体的DS18B20,每个DS18B20都有一个独一无二的64位序列号,一个单总线上可连接多个DS18B20设备。本发明提供2个温度采集通道,可接多个DS18B20设备,通道间通过双通道I2C隔离芯片ADUM1250进行隔离,ADUM1250具有极强的抗扰性能,不易受外部磁场的影响。
GPRS通讯电路如图6所示,本发明采用的GPRS模块为SIMCom生产的SIM900A模块,SIM900A为2频的GSM/GPRS模块,工作频段为EGSM 900MHz和DCS 1800MHz,SIM900A内嵌TCP/IP协议,正常工作温度为-30℃~+80℃。
通讯电路如图7所示,485通讯通过致远电子的隔离RS-485收发器RSM3485ECHT实现,该模块内部集成电源隔离、RS-485收发器及总线保护器件于一身,设计简单、稳定可靠;CAN通讯通过致远电子的CAN隔离收发器CTM1051实现,该模块主要将CAN控制器逻辑电平转换为CAN总线的差动电平,另外还具有对CAN控制器与CAN总线之间的隔离作用。
单节点控制模块供电电路如图8所示,其中模块大多数器件所需的5V电压通过金升阳公司的模块电源URB2405YMD-10WR3提供,各控制芯片所需的3.3V电压通过3.3V转换芯片SPX1117-3.3转换所得;GPRS模块供电电路如图9所示,该模块采用4.0V供电,采用的是高精度电压调节器MIC29302BU。
系统实现过程:供电线路信息通过电压、电流传感器器接入单节点控制模块,控制模块内的电能计量IC对输入的电压、电流信号进行处理、分析、计算,并将计算结果置于内部相应的寄存器内供控制模块微控制器读取,微控制器将读取的用电数据进行进一步的处理,同时微控制器根据挂载在温度采集总线上温度传感器的读写时序读取各温度传感器的温度值;控制器微控制器将实时采集的各数据与存入铁电存储器的数值进行比较、分析输出相应的报警信息;同时主控制模块不断的读取所有挂载在CAN总线上单节点控制模块上的实时数据、报警信息,并将所有数据进行处理、打包,主控制模块通过模块内GPRS模块将信息以上位机约定的数据帧格式移动基站转发至云端供上位机解析;上位机将接收到的数据解析后将数据呈现出来,并通过定制APP将各中信息呈现到移动终端,及时将报警信息主动推送至管理员移动手机。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于CAN总线的用电信息采集系统,其特征在于:包括单节点控制模块、集中控制模块及为单节点控制模块和集中控制模块供电的24V开关电源;
所述单节点控制模块包括电能计量模块、温度采集模块、通讯模块及微控制器;所述集中控制模块包括微控制器;
在所述单节点控制模块中,电能计量模块、温度采集模块及通讯模块均与微处理器连接;所述电能计量模块采集电压、电流数据并进行分析处理,并将结果发送至微处理器;所述温度采集模块采集CAN总线上的温度并发送至微处理器;
各个单节点控制模块之间相互连接;各个单节点控制模块通过CAN总线与所述集中控制模块的微处理器连接;所述集中控制模块的微控制器通过无线通讯与移动基站相连;移动基站通过因特网与服务器连接;服务器连接有监控中心和移动终端。
2.根据权利要求1所述的用电信息采集系统,其特征在于:同一网络内各单节点控制模块和所述集中控制模块间CAN总线通过屏蔽双绞线进行连接。
3.根据权利要求1所述的用电信息采集系统,其特征在于:微控制器的主控制芯片采用STM32F103系列单片机。
4.根据权利要求1所述的用电信息采集系统,其特征在于:电能计量模块采用分布式用电信息采集装置,分布式用电信息采集装置包括多相多功能电能计量IC、电压传感器以及电流传感器;
所述多相多功能电能计量IC带有高精度ADC,对电压、电流传感器接入的电压、电流信号进行采样、分析、处理;多相多功能电能计量IC通过内部处理器将计算的电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、频率、有功电能、无功电能参数放入内部相应寄存器,由与分布式用电信息采集装置连接的微控制器进行读取。
5.根据权利要求1所述的用电信息采集系统,其特征在于:所述通讯模块为485通讯接口。
6.根据权利要求1所述的用电信息采集系统,其特征在于:分布式用电信息采集装置与通讯模块连接,报警阈值通过通讯模块保存至EEPROM,通过实测值与报警阈值做比较,根据不同的报警条件通过通讯模块输出对应的报警标志进行报警。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180209 |