CN109256847A - 电气线路火灾智能预警物联感知终端的充放电方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电气线路火灾智能预警物联感知终端的充放电方法及系统，终端的主机获取电流互感器的电流值及所述超级电容的电压值；充电时，所述主机判断电流值是否小于所述终端的工作需求，如否，则主机控制电流互感器以维持终端的工作需求的速率为所述超级电容充电，如是，则主机控制电流互感器以当前最大速率为超级电容充电，同时控制终端按预设休眠机制进行周期性的休眠；放电时，主机控制超级电容在供电期间工作在预设电压范围内，超出该范围则所述超级电容停止供电。该方法通过控制电流互感器和超级电容的充放电过程，实现通过电流互感器为超级电容充电及超级电容为终端的长期有效供电，从而为终端的有效工作提供基础。

Description

电气线路火灾智能预警物联感知终端的充放电方法及系统

技术领域

本发明涉及，特别涉及一种电气线路火灾智能预警物联感知终端的充放电方法及系统。

背景技术

传感器电源是保障传感器稳定持续工作的电力基础，传感器供电一般采用干电池或锂电池供电方式或者直接接线。由于外部接电源的方式以其施工需停电、不安全而不被采用；干电池或锂电池供电方式电量有限持续性收到限制；一般被用于采集频度和通讯要求不密集的应用场景。

此外，由于电气线路火灾稍纵即逝，要求对应用场景做出及时的判断和预警，采集频度和通讯要求密集比较高，干电池或锂电池供电方式根本不适合其应用，更何况每层楼安装1个感知终端的密度，更换电池是巨大的工作量。

随着技术的发展，已经出现了电流互感器，其可以实现用户线路电流的获取，而一般居民家庭时刻都在用电，这为电流互感器产生供电的电流提供了必要的条件，同样为感知终端提供持续的电流，进而为感知终端实现长期的供电需求提供了可能。

然而，由于居民楼层用电变化范围比较大，导致电流互感器无法持续获取稳定的电流，难以实现采用电流互感器的直接供电。因此，目前尚未有相关技术或产品直接利用用户火线电流对电气线路火灾智能预警终端进行供电。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电气线路火灾智能预警物联感知终端的充放电方法及系统，以解决通过电流互感器配合超级电容实现对电气线路火灾智能预警终端的长期稳定供电，并通过对终端进行有效的充放电控制有效提高充电效果。

为实现上述目的，本发明提供了一种电气线路火灾智能预警物联感知终端的充放电方法，终端包括：感知单元、主机及电流互感器，所述电流互感器通过感应用户火线电流对所述主机内置的超级电容进行充电，并通过所述超级电容为所述主机及感知单元提供电能，则充放电控制方法包括：

终端的主机获取电流互感器的电流值及所述超级电容的电压值；

充电时，所述主机判断所述电流值是否小于所述终端的工作需求，如否，则所述主机控制电流互感器以维持所述终端的工作需求的速率为所述超级电容充电，如是，则所述主机控制电流互感器以当前最大速率为所述超级电容充电，同时控制所述终端按预设休眠机制进行周期性的休眠；

放电时，所述主机控制所述超级电容在供电期间工作在预设电压范围内，超出该范围则所述超级电容停止供电。

较佳地，所述预设休眠机制为根据历史检测的用户火线电流与终端的工作需求的关系数据确定，以使电流互感器的充电速度满足终端的工作需求；其中，用户火线电流大，则电流互感器获取的电流大，用户火线电流小，则电流互感器获取的电流小；终端的工作需求的电量包括：通讯用电、主机及感知单元用电、超级电容自身漏电。

较佳地，所述预设休眠机制为：

终端检测到需要报警时，以预设休眠时间进行休眠，否则按历史检测获得的用户火线电流与休眠时间关系进行休眠。

较佳地，历史检测获得的用户火线电流与休眠时间关系进行休眠具体为：

用户火线电流小于最低阈值时，控制所述终端逐次延长休眠周期直至休眠周期达到24小时，至出现用户用电时停止休眠；

用户火线电流大于最低阈值时，控制所述终端进行预设频率的周期性休眠以使终端工作需求及超级电容内电量达到均衡。

较佳地，所述预设频率包括三种：

用户火线电流大于或等于20A时，控制所述终端以第一频率进行工作；

用户火线电流大于或等于5A但小于20A时，控制所述终端以第二频率进行工作；

用户火线电流大于或等于1A但小于5A时，控制所述终端以第三频率进行工作；

用户火线电流小于1A但大于最低阈值时，控制所述终端控制所述终端以第四频率进行工作。

较佳地，所述第二频率、第三频率及第四频率为根据用户火线电流与休眠时间的关系曲线的斜率确定。

较佳地，所述最低阈值为0.05A，出现用户火线电流小于或等于0.05A后，若连续两次检测到用户火线电流小于或等于0.05A，则休眠时间延长1倍，并逐次延长休眠周期直至休眠周期达到24小时。

较佳地，所述预设电压范围包括过度充电门限电压及过度放电门限电压，当所述电压值大于所述过度充电门限电压时，所述主机控制所述电流互感器停止充电，当所述电压值小于所述过度放电门限电压时，所述主机控制所述电流互感器停止放电。

较佳地，所述过度充电门限电压为2.93V，所述过度放电门限电压为1.6V。

本发明还提供了一种电气线路火灾智能预警物联感知终端的充放电系统，终端包括：感知单元、主机及电流互感器，所述电流互感器通过感应用户火线电流对所述主机内置的超级电容进行充电，并通过所述超级电容为所述主机及感知单元提供电能，则充放电控制系统包括：

数据采集单元，设于主机内并用于获取电流互感器的电流值及所述超级电容的电压值；

充电控制单元，设于主机内并用于判断所述电流值是否小于所述终端的工作需求，如否，则所述主机控制电流互感器以维持所述终端的工作需求的速率为所述超级电容充电，如是，则所述主机控制电流互感器以当前最大速率为所述超级电容充电，同时控制所述终端按预设休眠机制进行周期性的休眠；

放电控制单元，设于主机内并用于控制所述超级电容在供电期间工作在预设电压范围内，超出该范围则所述超级电容停止供电。

本发明具有以下有益效果：

通过控制电流互感器和超级电容的充放电过程，实现通过电流互感器为超级电容充电及超级电容为终端的长期有效供电，从而为终端的有效工作提供基础。根据大量历史数据中超级电容充电速度关系以及超级电容一次充电量与电流互感器的反应电流大小和充电时间成正比特点，为了使超级电容存储的电量大于感知终端用电，能支撑感知终端的持续用电的需求，感知终端主机根据感知到的电流大小按规则调整休眠、苏醒的时间频度，从而使超级电容自动适应电流互感器电流大、小提供合适充电时间的目的，实现了超级电容有充足的电能来支撑感知终端长期持续运行。

该终端能够避免现有的火灾报警器的缺陷，可以实现既安装简单，不需要布线或尽可能少布线的电气防火终端及系统，同时终端的多种传感器又可为基于物联网的大数据分析等后续数据处理及应用提供数据基础。

附图说明

图1为本发明优选实施例提供的终端组成示意图；

图2为本发明优选实施例的检测电流与休眠时间关系图。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。

本实施例提供了一种电气线路火灾智能预警物联感知终端的充放电方法，用于电气线路火灾智能预警终端的充放电控制，这里的电气线路火灾智能预警终端参考图1所示，包括：感知单元10、主机20及电流互感器30，电流互感器30通过感应用户火线电流对主机20内置的超级电容进行充电，并通过超级电容为主机20及感知单元10提供电能。感知单元10包括温度传感器、湿度传感器及烟雾传感器；主机20用于获取感知单元10采集的温度、湿度、烟雾数据并上传至上位机设备。该终端采用电流互感器的电流对超级电容充电，当感知终端需要用电时，让超级电容放电来支撑感知终端的用电，实现持续供电并完成对环境的温度、湿度及烟雾的检测，从而进行长期有效的电器线路火灾预警。

则本实施例的充放电控制方法包括：

终端的主机获取电流互感器的电流值及所述超级电容的电压值；

充电时，所述主机判断所述电流值是否小于所述终端的工作需求，如否，则所述主机控制电流互感器以维持所述终端的工作需求的速率为所述超级电容充电，如是，则所述主机控制电流互感器以当前最大速率为所述超级电容充电，同时控制所述终端按预设休眠机制进行周期性的休眠；

放电时，所述主机控制所述超级电容在供电期间工作在预设电压范围内，超出该范围则所述超级电容停止供电。

其中，上述的预设休眠机制为根据历史检测的用户火线电流与终端的工作需求的关系数据确定，以使电流互感器的充电速度满足终端的工作需求；其中，用户火线电流大，则电流互感器获取的电流大，用户火线电流小，则电流互感器获取的电流小；终端的工作需求的电量包括：通讯用电、主机及感知单元用电、超级电容自身漏电。

主要是由于居民楼层用电变化范围比较大，电流互感器产生的电流一般非常微弱，根据如下居民用电与超级电容充电速度关系进行控制充放电可有效提高终端工作的稳定性，避免因没电无法工作。本发明根据历史检测的数据，得到的居民用电与超级电容充电速度关系特点如下：当居民用电电流大时，电流互感器产生的电流比较大，超级电容充电速度比较快；当居民用电电流小时，电流互感器产生的电流比较小，超级电容充电速度比较慢。

实际中，感知终端即使采用低功耗的元器件，要完成一次完整的采集数据和网络通讯也需要一定量的电量。超级电容充电量与感知终端用电的平衡是确保终端持续运行的关键技术之一：

(1)耗电部分：

电气线路火灾智能预警(物联)感知终端最耗电是通讯部分，LoRa、LoRaWAN完成一次一般通讯需要消耗120mA的电量，NB-loT需要210mA的电量，通讯所需电量下面简称Y；

主板CPU元器件及采集模块，其所需电量下面简称C；

超级电容自身漏电，其漏电电量下面简称M；

感知终端耗电量≈Y+C+超级电容自身漏电M；

(2)取电部分：

超级电容充电完全依赖电流互感器获取的电流，当负载大，获取的电流也大，反之亦然。

本实施例以电流互感器获取的电流维持每次采集和数据通讯所需电量为前提而设计，同时也要考虑休眠时间与检测电流，温度和烟雾有关。则预设休眠机制为：

终端检测到需要报警时，以预设休眠时间进行休眠，否则按历史检测获得的用户火线电流与休眠时间关系进行休眠。本实施例具体应用时，在温度与烟雾达到报警阈值时需要报警，此时自动生成的休眠时间为2分钟。若没有达到报警阈值，休眠时间则与检测电流成多段线性关系，休眠时间最小为2分钟，此时的用户火线电流与休眠时间关系如下：

参考图2所示，根据检测电流范围分4段调整休眠时间，则历史检测获得的用户火线电流(检测电流)与休眠时间关系进行休眠具体为：

用户火线电流小于最低阈值时，控制所述终端逐次延长休眠周期直至休眠周期达到24小时，至出现用户用电时停止休眠；

用户火线电流大于最低阈值时，控制所述终端进行预设频率的周期性休眠以使终端工作需求及超级电容内电量达到均衡。

这里的预设频率包括三种：

用户火线电流大于或等于20A时，控制所述终端以第一频率进行工作；

用户火线电流大于或等于5A但小于20A时，控制所述终端以第二频率进行工作；

用户火线电流大于或等于1A但小于5A时，控制所述终端以第三频率进行工作；

用户火线电流小于1A但大于最低阈值时，控制所述终端控制所述终端以第四频率进行工作。

这里的第二频率、第三频率及第四频率为根据用户火线电流与休眠时间的关系曲线的斜率确定。具体计算方式如下：

休眠时间参数a乘以-1为斜率，时间参数b为截距。

休眠时间＝b-a*检测电流/10；

其中：检测电流以检测点为准，在休眠过程中产生的电流突变和波动，采用误差平衡法，通过如上分段充放电算法将其综合平衡；

获取电量≈休眠时间*检测电流；

获取电量≈感知终端耗电量；

根据以上公式，本发明在检测电流有电(电流大于0.05A)的情况下，为了使在获取电量与感知终端耗电量获得平衡，采用3种不同的斜率，将检测不同的电流与相应休眠时间配合起来产生相对平衡的感知终端耗电量，如上图，从而满足感知终端采集数据和通讯传输所需的电能。

其中，上述的最低阈值为0.05A，出现用户火线电流小于或等于0.05A(视为无电流)的特殊情况后，采用逐步延长法，即若连续两次检测到用户火线电流小于或等于0.05A(检测电流视为0)，则休眠时间延长1倍，并逐次延长休眠周期直至休眠周期达到24小时。当在检测电流为0的特殊情况下，出现用户用电时，感知终端会检测到有电流，立即中断原定的休眠时间，感知终端恢复按有电情况下的采集数据和休眠频率。

根据上面的超级电容充电速度关系以及超级电容一次充电量与电流互感器的反应电流大小和充电时间成正比特点，为了使超级电容存储的电量大于感知终端用电，能支撑感知终端的持续用电的需求，感知终端主机根据感知到的电流大小按规则调整休眠、苏醒的时间频度，从而使超级电容自动适应电流互感器电流大、小提供合适充电时间的目的，实现了超级电容有充足的电能来支撑感知终端长期持续运行。

此外，本实施例方法中的预设电压范围包括过度充电门限电压及过度放电门限电压，当所述电压值大于所述过度充电门限电压时，所述主机控制所述电流互感器停止充电，当所述电压值小于所述过度放电门限电压时，所述主机控制所述电流互感器停止放电。过度充电门限电压为2.93V，所述过度放电门限电压为1.6V。这样设置预设电压范围主要是由于超级电容放电的电压变化在一定范围内比较稳定，容易用电路控制使其稳定为感知终端提供电能。而当超级电容出现电压过高产生过度充电时主机控制立即停止充电，当超级电容出现电压过低产生过度放电时主机控制立即停止放电，通过电路控制实现避免超级电容过度充电或过度放电的情况发生，从而延长超级电容充放电寿命。

根据超级电容的充放电特性以及结合超级电容放电的最佳有效性，本发明通过电路将电流互感器对超级电容的充电限电压控制在2.93V，放电最低控制在1.6V；从而使超级电容在2.93V～1.6V之间完成安全充放电。

本发明还提供了一种电气线路火灾智能预警物联感知终端的充放电系统，包括：

数据采集单元，设于主机内并用于获取电流互感器的电流值及所述超级电容的电压值；

充电控制单元，设于主机内并用于判断所述电流值是否小于所述终端的工作需求，如否，则所述主机控制电流互感器以维持所述终端的工作需求的速率为所述超级电容充电，如是，则所述主机控制电流互感器以当前最大速率为所述超级电容充电，同时控制所述终端按预设休眠机制进行周期性的休眠；

放电控制单元，设于主机内并用于控制所述超级电容在供电期间工作在预设电压范围内，超出该范围则所述超级电容停止供电。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电气线路火灾智能预警物联感知终端的充放电方法，其特征在于，终端包括：感知单元、主机及电流互感器，所述电流互感器通过感应用户火线电流对所述主机内置的超级电容进行充电，并通过所述超级电容为所述主机及感知单元提供电能，则充放电控制方法包括：

终端的主机获取电流互感器的电流值及所述超级电容的电压值；

充电时，所述主机判断所述电流值是否小于所述终端的工作需求，如否，则所述主机控制电流互感器以维持所述终端的工作需求的速率为所述超级电容充电，如是，则所述主机控制电流互感器以当前最大速率为所述超级电容充电，同时控制所述终端按预设休眠机制进行周期性的休眠；

放电时，所述主机控制所述超级电容在供电期间工作在预设电压范围内，超出该范围则所述超级电容停止供电。

2.根据权利要求1所述的电气线路火灾智能预警物联感知终端的充放电方法，其特征在于，所述预设休眠机制为根据历史检测的用户火线电流与终端的工作需求的关系数据确定，以使电流互感器的充电速度满足终端的工作需求；其中，用户火线电流大，则电流互感器获取的电流大，用户火线电流小，则电流互感器获取的电流小；终端的工作需求的电量包括：通讯用电、主机及感知单元用电、超级电容自身漏电。

3.根据权利要求1或2所述的电气线路火灾智能预警物联感知终端的充放电方法，其特征在于，所述预设休眠机制为：

终端检测到需要报警时，以预设休眠时间进行休眠，否则按历史检测获得的用户火线电流与休眠时间关系进行休眠。

4.根据权利要求3所述的电气线路火灾智能预警物联感知终端的充放电方法，其特征在于，历史检测获得的用户火线电流与休眠时间关系进行休眠具体为：

用户火线电流小于最低阈值时，控制所述终端逐次延长休眠周期直至休眠周期达到24小时，至出现用户用电时停止休眠；

用户火线电流大于最低阈值时，控制所述终端进行预设频率的周期性休眠以使终端工作需求及超级电容内电量达到均衡。

5.根据权利要求4所述的电气线路火灾智能预警物联感知终端的充放电方法，其特征在于，所述预设频率包括三种：

用户火线电流大于或等于20A时，控制所述终端以第一频率进行工作；

用户火线电流大于或等于5A但小于20A时，控制所述终端以第二频率进行工作；

用户火线电流大于或等于1A但小于5A时，控制所述终端以第三频率进行工作；

用户火线电流小于1A但大于最低阈值时，控制所述终端控制所述终端以第四频率进行工作。

6.根据权利要求5所述的电气线路火灾智能预警物联感知终端的充放电方法，其特征在于，所述第二频率、第三频率及第四频率为根据用户火线电流与休眠时间的关系曲线的斜率确定。

7.根据权利要求4所述的电气线路火灾智能预警物联感知终端的充放电方法，其特征在于，所述最低阈值为0.05A，出现用户火线电流小于或等于0.05A后，若连续两次检测到用户火线电流小于或等于0.05A，则休眠时间延长1倍，并逐次延长休眠周期直至休眠周期达到24小时。

8.根据权利要求1所述的电气线路火灾智能预警物联感知终端的充放电方法，其特征在于，所述预设电压范围包括过度充电门限电压及过度放电门限电压，当所述电压值大于所述过度充电门限电压时，所述主机控制所述电流互感器停止充电，当所述电压值小于所述过度放电门限电压时，所述主机控制所述电流互感器停止放电。

9.根据权利要求1所述的电气线路火灾智能预警物联感知终端的充放电方法，其特征在于，所述过度充电门限电压为2.93V，所述过度放电门限电压为1.6V。

10.一种电气线路火灾智能预警物联感知终端的充放电系统，其特征在于，终端包括：感知单元、主机及电流互感器，所述电流互感器通过感应用户火线电流对所述主机内置的超级电容进行充电，并通过所述超级电容为所述主机及感知单元提供电能，则充放电控制系统包括：

数据采集单元，设于主机内并用于获取电流互感器的电流值及所述超级电容的电压值；

充电控制单元，设于主机内并用于判断所述电流值是否小于所述终端的工作需求，如否，则所述主机控制电流互感器以维持所述终端的工作需求的速率为所述超级电容充电，如是，则所述主机控制电流互感器以当前最大速率为所述超级电容充电，同时控制所述终端按预设休眠机制进行周期性的休眠；

放电控制单元，设于主机内并用于控制所述超级电容在供电期间工作在预设电压范围内，超出该范围则所述超级电容停止供电。