CN108020809A - 具有停电检测及告警功能的通信模块及停电检测告警方法 - Google Patents

Abstract

具有停电检测及告警功能的通信模块，包括：MCU；与所述MCU相连的弱电接口检测电路，所述弱电接口检测电路的输入端与电能表弱电接口相连，采集电能表弱电接口电源端的电压值；与所述MCU相连的强电接口检测电路，所述强电接口检测电路的输入端与电能表强电接口相连；与所述MCU相连的通信电路，所述通信电路与天线相连；与所述MCU相连的DC‑DC电路，所述DC‑DC电路的输入端与电能表弱电接口的电源端相连，并为所述MCU、通信电路及下述法拉电容电路供电；法拉电容电路，所述法拉电容电路分别与所述DC‑DC电路、MCU及通信电路相连。本发明可为电能表实现停电检测和停电告警功能，为电力企业提供故障信息。

Description

具有停电检测及告警功能的通信模块及停电检测告警方法

技术领域

本发明属于无线抄表技术领域，尤其涉及一种具有停电检测及停电告警功能的无线通信模块及停电检测告警方法。

背景技术

目前在国家电网和南方电网定义的智能电能表规范中，没有对电能表与通信模块之间的停电告警信息的传递进行规定。因此，符合国网和南网电能表规范的通信模块无法得知电能表是否停电，通信模块也不支持将停电信息上报至主站。这样电力企业无法及时得知用户的停电故障，也无法及时对故障进行排查检修。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有停电检测及停电告警功能的通信模块，以及基于该通信模块进行停电检测及停电告警的方法。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

具有停电检测及告警功能的通信模块，包括：MCU；与所述MCU相连的弱电接口检测电路，所述弱电接口检测电路的输入端与电能表弱电接口相连，采集电能表弱电接口电源端的电压值；与所述MCU相连的强电接口检测电路，所述强电接口检测电路的输入端与电能表强电接口相连；与所述MCU相连的通信电路，所述通信电路与天线相连；与所述MCU相连的DC-DC电路，所述DC-DC电路的输入端与电能表弱电接口的电源端相连，并为所述MCU、通信电路及下述法拉电容电路供电；法拉电容电路，所述法拉电容电路分别与所述DC-DC电路、MCU及通信电路相连。

可选的，所述MCU采用瑞萨公司型号为R7F0C902的微控制器。

可选的，所述弱电接口检测电路包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端与MCU的AD检测引脚相连、另一端与电能表弱电接口电源端相连；所述第二电阻的一端与MCU的AD检测引脚相连、另一端接地。

可选的，所述强电接口检测电路包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一二极管、光耦及第一电容；所述第一二极管的正极与强电接口端的零线相连、负极与相串联的第三电阻、第四电阻相连，所述第四电阻的另一端与所述光耦的发光二极管的正极相连；所述光耦的发光二极管的负极与强电接口端的火线相连；所述第五电阻并接在光耦的发光二极管的正极和负极之间；所述光耦的光敏三极管的集电极与MCU的中断输入引脚相连、集电极同时经所述第六电阻与DC-DC电路相连，发射极接地，所述第一电容并接在所述光耦的光敏三极管的集电极和发射极之间。

可选的，所述法拉电容电路包括法拉电容、第二二极管和第七电阻；所述法拉电容的正极与所述第二二极管的正极相连、负极接地，所述法拉电容的正极同时还与所述第七电阻相连，所述第七电阻的另一端与DC-DC电路相连；所述第二二极管的负极与DC-DC电路相连。

可选的，所述法拉电容的容值为1.5F。

可选的，所述法拉电容为多个电容并联或串联，或用充电电池替代。

可选的，所述DC-DC电路包含电源管理芯片、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、功率电感、第三二极管、第八电阻、第九电阻和第十电阻；所述电源管理芯片的BOOST引脚经第二电容与SW引脚相连，GND引脚接地，FB引脚经第十电阻接地，EN引脚经第九电阻与Vin引脚相连，Vin引脚与电能表弱电接口的电源端相连，SW引脚同时与功率电感和第三二极管的负极相连；所述第五电容和第六电容分别连接于Vin引脚与电能表弱电接口的电源端之间，第五电容和第六电容的另一端均接地；所述第三二极管的正极接地，所述功率电感的另一端与DC-DC电路相连，所述第三电容和第四电容分别连接于功率电感与DC-DC电路之间，所述第三电容和第四电容的另一端均接地，所述第八电阻连接于电源管理芯片的FB引脚和DC-DC电路之间。

可选的，所述通信电路包括无线收发芯片、发射匹配电路、接收匹配电路、收发切换开关及滤波电路，所述无线收发芯片的TX引脚与发射匹配电路相连，RX引脚与接收匹配电路相连，接收匹配电路和收发切换开关分别与收发切换开关相连，收发切换开关经滤波电路与天线相连。

基于前述具有停电检测及告警功能的通信模块进行停电检测告警的方法，包括以下步骤：

将通信模块的弱电接口检测电路的输入端与电能表弱电接口相连，MCU采集弱电接口电源端的电压值；

MCU检测强电接口电路的输出电平，若输出电平为周期信号，则认为强电没有断电，若在一定时间间隔内连续监测到强电接口检测电路的输出电平固定不变，则认为强电已经断电；

当MCU判断强电已经断电时，读取此时弱电接口电源端的电压值，记为V1，若V1＜+5V，则认为此时通信模块已拔出，不做告警上报；若V1＞+5V，持续监测弱电接口电源端的电压值，当出现弱电接口电源端的电压值小于+5V时，则认为电能表断电，通过通信电路上报停电告警。

由以上技术方案可知，本发明的通信模块利用弱电接口检测电路通过AD采样监测弱电接口的VCC端的电压值，同时强电接口检测电路通过光耦提取交流电压的过零点信号，MCU通过判断过零点信号的有无判断强电是否断电，并通过判断VCC端电压值的掉电速度来区分通信模块拔出状态和电能表停电状态，并通过通信电路实现停电检测和停电告警功能，可及时为电力企业提供故障信息，便于电力企业尽快采取应对措施。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的电路框图；

图2为本发明实施例弱电接口检测电路的电路图；

图3为本发明实施例强电接口检测电路的电路图；

图4为本发明实施例法拉电容电路的电路图；

图5为本发明实施例DC-DC电路的电路图；

图6为本发明实施例通信电路的框图。

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的具有停电检测及停电告警功能的通信模块包括：MCU、弱电接口检测电路、强电接口检测电路、法拉电容电路、DC-DC电路及通信电路。其中，弱电接口检测电路、强电接口检测电路、DC-DC电路、及通信电路分别MCU相连，法拉电容电路分别与DC-DC电路、MCU及通信电路相连，通信电路与天线相连。弱电接口检测电路的输入端与电能表的弱电接口相连，强电接口检测电路的输入端与电能表的强电接口相连，弱电接口和强电接口为符合国网2013规范单相电能表型式规范的接口。DC-DC电路的输入端与电能表弱电接口的+12V电源端VCC相连，DC-DC电路的输出端与MCU、通信电路及法拉电容电路相连，为MCU、通信电路及法拉电容电路供电。本实施例的MCU采用瑞萨公司型号为R7F0C902的微控制器，R7F0C902具有4个10位分辨率的AD检测引脚及3路串行输入接口。

如图2所示，弱电接口检测电路包括第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1的一端与MCU的AD检测引脚相连、另一端与电能表弱电接口的电源端VCC相连。第二电阻R2的一端与MCU的AD检测引脚相连、另一端接地。弱电接口检测电路通过电阻分压的方式将电源端VCC的电压分压到适合AD采样的电压值，通过MCU的AD检测引脚实时采样监测电源端VCC的电压值。

强电接口检测电路的输入端与电能表的220V交流强电接口端相连，输出端与MCU的中断输入引脚相连。如图3所示，强电接口检测电路包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一二极管D1、光耦D2及第一电容C1。第一二极管D1的正极与强电接口端的零线相连，负极与相串联的第三电阻R3、第四电阻R4相连，第四电阻R4的另一端与光耦D2的发光二极管的正极相连。光耦D2的发光二极管的负极与强电接口端的火线相连。第五电阻R5并接在光耦D2的发光二极管的正极和负极之间。光耦D2的光敏三极管的集电极与MCU的中断输入引脚相连，光敏三极管的集电极同时经第六电阻R6与DC-DC电路的+3.3V输出端相连，光敏三极管的发射极接地，在光耦D2的光敏三极管的集电极和发射极之间并接有第一电容C1。第六电阻R6为上拉电阻。火线和零线交换位置也可以实现相同的功能。

如图4所示，法拉电容电路包括法拉电容C、第二二极管V1和第七电阻R7。法拉电容C的正极与第二二极管V1的正极相连、负极接地，法拉电容C的正极同时还与第七电阻R7相连，第七电阻R7的另一端与DC-DC电路的+3.3V输出端相连。第二二极管V1的负极与DC-DC电路的+3.3V输出端相连。本实施例的法拉电容的容值为1.5F，可以供通信模块工作60秒。法拉电容可以采用多个电容并联或串联，或用可充电电池替代。当电能表正常供电时，通过第七电阻R7给法拉电容C充电；当电能表断电或者通信模块从电能表拔出时，通信模块无法从外部电能表获取电源，此时法拉电容C通过第二二极管V1给通信模块供电。

DC-DC电路的输入端(Vin引脚)与电能表弱电接口的+12V电源端VCC相连，输出端(SW引脚)与MCU、通信电路和法拉电容电路相连，DC-DC电路将电能表提供的电压转换为通信模块所需的直流电压，提供给MCU及通信电路。如图5所示，DC-DC电路包含电源管理芯片M1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、功率电感L1、第三二极管V2、第八电阻R8、第九电阻R9和第十电阻R10。本实施例的电源管理芯片的型号为MP2451。电源管理芯片M1的BOOST引脚(1脚)经第二电容C2与电源管理芯片M1的SW引脚(6脚)相连，GND引脚(2脚)接地，FB引脚(3脚)经第十电阻R10接地，EN引脚(4脚)经第九电阻R9与Vin引脚(5脚)相连，Vin引脚与电能表弱电接口的电源端VCC相连，第五电容C5和第六电容C6分别连接于Vin引脚与电能表弱电接口的电源端VCC之间，第五电容C5和第六电容C6的另一端均接地。电源管理芯片M1的SW引脚为DC-DC电路的输出引脚(+3.3V输出端)，SW引脚同时与功率电感L1和第三二极管V2的负极相连，第三二极管V2的正极接地，功率电感L1的另一端与DC-DC电路的+3.3V输出端相连，第三电容C3和第四电容C4分别连接于功率电感L1与DC-DC电路的+3.3V输出端之间，第三电容C3和第四电容C4的另一端均接地。在电源管理芯片M1的FB引脚和DC-DC电路的+3.3V输出端之间连接有第八电阻R8。

图6为通信电路的框图，本实施例的通信电路为无线通信电路，通信电路与MCU之间通过SPI接口相连，通信电路的射频接口与天线相连，天线可以是外置天线，也可以是内置天线。通信电路包括无线收发芯片、发射匹配电路、接收匹配电路、收发切换开关及滤波电路。本实施例的无线收发芯片采用siliconlabs公司的型号为si4438的无线收发芯片，收发切换开关采用skyworks公司的型号为as179的开关。无线收发芯片的TX引脚与发射匹配电路相连，RX引脚与接收匹配电路相连，接收匹配电路和收发切换开关分别与收发切换开关相连，收发切换开关与滤波电路相连。

当零线电压高于火线电压时，强电接口检测电路的第一二极管正向导通，通过电阻分压控制光耦导通，光耦输出低电平；当零线电压低于火线电压时，第一二极管不导通，光耦输出高电平。第一二极管的导通周期与强电接口220V交流电压的周期同步，为50Hz，则强电接口检测电路的输出电平每20毫秒变换一次。

MCU通过中断引脚检测强电接口电路输出的周期信号，若存在周期信号，则判断为强电没有断电；若连续监测到强电接口检测电路的输出电平固定不变，则判断强电已经断电。MCU通过监测与弱电接口检测电路相连的电源端VCC的电压值的掉电速度来区分电能表断电和模块从电能表拔出两种状态。下面对基于本发明通信模块进行停电检测及告警的方法进行说明，步骤如下：

将本发明的通信模块安装在电能表中，通信模块的弱电接口检测电路的输入端与电能表的电源端VCC，由于电能表内部VCC电压的信号线上并联有大于1000uF的电解电容，电能表断电时，VCC端的电压值从+12V降落到+5V的时间大于200毫秒，而通信模块DC-DC的VCC引脚上连接的第五电容C5、第六电容C6的电容值小于10uF，当通信模块为拔出状态时，VCC端的电压值从+12V降落到+5V的时间会小于10毫秒；

MCU通过中断输入引脚检测强电接口电路输出的20毫秒周期信号，若存在20毫秒周期信号，则判断为强电没有断电；若连续60ms监测到强电接口检测电路的输出电平固定不变，则判断强电已经断电；

当MCU判断强电已经断电，读取此时的VCC端电压值，记为V1，若V1＜+5V，则认为此时为模块拔出状态，不做告警上报；若V1＞+5V，持续监测VCC端的电压值，当VCC端的电压值小于+5V时，通过通信电路上报停电告警。

本发明无线通信模块具有停电检测及停电告警功能，同时可以判别出通信模块的拔出状态，对于更换通信模块等维护操作不进行误告警。本发明的通信模块与现场已大量安装的符合国家电网、南方电网规范的不具备停电告警上报功能的电能表兼容，通过更换电能表内的通信模块，即可实现停电告警信息上报，使电力企业及时获取故障信息并采取应对措施，提高用户的满意度。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之中。

Claims (10)

1.具有停电检测及告警功能的通信模块，其特征在于，包括：

MCU；

与所述MCU相连的弱电接口检测电路，所述弱电接口检测电路的输入端与电能表弱电接口相连，采集电能表弱电接口电源端的电压值；

与所述MCU相连的强电接口检测电路，所述强电接口检测电路的输入端与电能表强电接口相连；

与所述MCU相连的通信电路，所述通信电路与天线相连；

与所述MCU相连的DC-DC电路，所述DC-DC电路的输入端与电能表弱电接口的电源端相连，并为所述MCU、通信电路及下述法拉电容电路供电；

法拉电容电路，所述法拉电容电路分别与所述DC-DC电路、MCU及通信电路相连。

2.如权利要求1所述的具有停电检测及告警功能的通信模块，其特征在于：所述MCU采用瑞萨公司型号为R7F0C902的微控制器。

3.如权利要求1所述的具有停电检测及告警功能的通信模块，其特征在于：所述弱电接口检测电路包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻的一端与MCU的AD检测引脚相连、另一端与电能表弱电接口电源端相连；所述第二电阻的一端与MCU的AD检测引脚相连、另一端接地。

4.如权利要求1所述的具有停电检测及告警功能的通信模块，其特征在于：所述强电接口检测电路包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一二极管、光耦及第一电容；所述第一二极管的正极与强电接口端的零线相连、负极与相串联的第三电阻、第四电阻相连，所述第四电阻的另一端与所述光耦的发光二极管的正极相连；所述光耦的发光二极管的负极与强电接口端的火线相连；所述第五电阻并接在光耦的发光二极管的正极和负极之间；所述光耦的光敏三极管的集电极与MCU的中断输入引脚相连、集电极同时经所述第六电阻与DC-DC电路相连，发射极接地，所述第一电容并接在所述光耦的光敏三极管的集电极和发射极之间。

5.如权利要求1所述的具有停电检测及告警功能的通信模块，其特征在于：所述法拉电容电路包括法拉电容、第二二极管和第七电阻；所述法拉电容的正极与所述第二二极管的正极相连、负极接地，所述法拉电容的正极同时还与所述第七电阻相连，所述第七电阻的另一端与DC-DC电路相连；所述第二二极管的负极与DC-DC电路相连。

6.如权利要求5所述的具有停电检测及告警功能的通信模块，其特征在于：所述法拉电容的容值为1.5F。

7.如权利要求5或6所述的具有停电检测及告警功能的通信模块，其特征在于：所述法拉电容为多个电容并联或串联，或用充电电池替代。

8.如权利要求1所述的具有停电检测及告警功能的通信模块，其特征在于：所述DC-DC电路包含电源管理芯片、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、功率电感、第三二极管、第八电阻、第九电阻和第十电阻；所述电源管理芯片的BOOST引脚经第二电容与SW引脚相连，GND引脚接地，FB引脚经第十电阻接地，EN引脚经第九电阻与Vin引脚相连，Vin引脚与电能表弱电接口的电源端相连，SW引脚同时与功率电感和第三二极管的负极相连；所述第五电容和第六电容分别连接于Vin引脚与电能表弱电接口的电源端之间，第五电容和第六电容的另一端均接地；所述第三二极管的正极接地，所述功率电感的另一端与DC-DC电路相连，所述第三电容和第四电容分别连接于功率电感与DC-DC电路之间，所述第三电容和第四电容的另一端均接地，所述第八电阻连接于电源管理芯片的FB引脚和DC-DC电路之间。

9.如权利要求1所述的具有停电检测及告警功能的通信模块，其特征在于：所述通信电路包括无线收发芯片、发射匹配电路、接收匹配电路、收发切换开关及滤波电路，所述无线收发芯片的TX引脚与发射匹配电路相连，RX引脚与接收匹配电路相连，接收匹配电路和收发切换开关分别与收发切换开关相连，收发切换开关经滤波电路与天线相连。

10.基于权利要求1至9任一项所述的具有停电检测及告警功能的通信模块进行停电检测告警的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将通信模块的弱电接口检测电路的输入端与电能表弱电接口相连，MCU采集弱电接口电源端的电压值；

MCU检测强电接口电路的输出电平，若输出电平为周期信号，则认为强电没有断电，若在一定时间间隔内连续监测到强电接口检测电路的输出电平固定不变，则认为强电已经断电；

当MCU判断强电已经断电时，读取此时弱电接口电源端的电压值，记为V1，若V1＜+5V，则认为此时通信模块已拔出，不做告警上报；若V1＞+5V，持续监测弱电接口电源端的电压值，当出现弱电接口电源端的电压值小于+5V时，则认为电能表断电，通过通信电路上报停电告警。