CN111042198A - 低功耗简易通用型电缆井盖监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低功耗简易通用型电缆井盖监测装置，包括行程开关，行程开关设置在所要监测的井盖的内部下沿井壁上，行程开关上设置有井盖状态监测单元，井盖状态监测单元与MCU控制单元连接，MCU控制单元分别与无线通讯单元、时钟单元、数据存储单元、电池及电压转换单元、电源控制单元和调试串口连接，MCU控制单元通过井盖状态监测单元电路实时监测井盖的开关状态，时钟单元按照预先设定的时间间隔定时开启MCU控制单元为无线通讯单元模块和数据存储单元供电，并通过无线通讯单元及时上报当前井盖状态，与后台监控中心连接。本发明实现了对电缆井盖状态的实时监测并及时报警的功能，提高了电缆井盖的安全防护性。
Description
技术领域
本发明涉及一种电缆井盖监测装置，特别是涉及一种低功耗简易通用型电缆井盖监测装置。
背景技术
随着电力建设的高速发展，电力电缆隧道及电缆沟的建设数量越来越多，电缆井盖数量也是随之变大非常庞大，由于电缆隧道及电缆沟内敷设的高压电缆是城市的命脉，一旦发生不法份子非法入侵并实施破坏或者盗窃行为时，造成电缆运行故障或者设备设施遭到破坏和盗窃，甚至会造成大面积停电，将会造成一起极大的安全事故，但是目前大部分井盖还都是普通非智能井盖，就是普通的铸造机械井盖，所以为提高输电的可靠性和安全性，需要对这些井盖的开关状态进行实时监测，提高安防措施，避免有非法入侵，破坏电力设施的事情发生，并且井盖所处的位置一般都没有外部供电电源可用，监测装置需要采用大容量电池供电，所以设计方案要求一定要低功耗设计，通过采取一些功耗控制方式降低设备的耗电量，但是如何能够把监测装置设计的更低功耗也是一个比较难于解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种能够有效降低监测装置功耗，提高电池供电寿命的低功耗简易通用型电缆井盖监测装置。
本发明为解决技术问题所采取的的技术方案是：
一种低功耗简易通用型电缆井盖监测装置，包括行程开关，所述行程开关设置在所要监测的井盖的内部下沿井壁上，所述行程开关上设置有井盖状态监测单元，所述井盖状态监测单元与MCU控制单元连接，所述MCU控制单元分别与无线通讯单元、时钟单元、数据存储单元、电池及电压转换单元、电源控制单元和调试串口连接，所述MCU控制单元通过所述井盖状态监测单元电路实时监测所述井盖的开关状态，所述无线通讯单元上设置有NB-IOT模块，所述时钟单元按照预先设定的时间间隔定时开启所述MCU控制单元，所述MCU控制单元被开启后，通过将所述电源控制单元上的NB_POWER信号置高电平，使三极管Q2处于导通状态从而驱动P沟道MOS管MOS1 导通，为所述无线通讯单元模块供电，接着置所述无线通讯单元上的NB_REST为低电平200ms后再置高电平，使所述无线通讯单元上的NB-IOT模块复位，建立与后台监控中心的连接，并通过所述电源控制单元上的V33_CTL信号给所述数据存储单元上电，所述井盖状态监测单元检测所述井盖状态并把状态数据存储到所述数据存储单元中，并通过所述无线通讯单元及时上报当前井盖状态，与后台监控中心连接。
所述MCU控制单元采用意法半导体ST的32位ARM处理器STM32L151C8T6作为主控MCU，该芯片具有64KB的ROM、10KB的RAM、4KB的EEPROM，而且具有低功耗的特性，本装置正常工作时，MCU通过井盖状态监测单元电路，实时判断井盖下安装行行程开关的状态变化，当井盖被掀开时，行程开关的摆臂会自动弹起，从而行程开的输出有变化，装置就是产生井盖状态变化的告警事件，通过无线通讯单元（载带物联网模块NB-IOT）实现告警数据的上报，上报到监控中心的相关负责人，有负责人执行进一步的核实处理，如果在一定时间没行程开关输出状态没有变化，MCU就会进入低功耗模式，首先切断外围电路和无线通讯单元的电源，使外围器件彻底掉电，然后MCU配置自身IO口为无上拉模拟输入，并且关闭了IO口时钟，串口时钟，定时器时钟，实现低功耗；行程开关的状态量输入引脚IN0是接到主控MCU的唤醒引脚（PA0-WKUP）上的，当井盖状态监测的行程开关状态有变化时，就会产生电平变化，唤醒主控MCU，装置的程序重新启动，程序控制先给外围器件上电，通过所述无线通讯单元与后台监控中心连接，如果一段时间井盖状态没有变化，主控MCU还会再次进入休眠模式，实现系统运行的低功耗设计；另外，本装置设计有定时唤醒功能，按照一定的时间间隔装置唤醒运行，检测一次井盖状态，并上报后台监控中心，随后再次进入休眠模式。
所述时钟单元采用爱普生公司的低功耗实时时钟芯片RX-8025SA和备用纽扣电池CR2032，以及2个防反向肖特基二级管1N5819组成，RX-8025SA具有高可靠性及稳定性、低功耗的性能，可达工业级要求。
所述行程开关为长行程的自复位可调滚轮转臂式行程开关所述无线通讯单元采用低功耗载带物联网模块NB-I0T，通过所述MCU控制单元控制上电和建立连接的流程，实现数据的通讯，所述无线通讯单元的电路组成主要由NB-I0T模块以及NB-IOT模块的运行指示电路、SIM卡电路、天线电路和复位控制电路组成，所述SIM卡电路采用ESDA6V8AV5防雷防静电芯片，支持SIM卡的热插拔，NB－I0T是I0T领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网（LPWAN），NB－I0T支持待机时间长、对网络连接要求较高的设备的高效连接，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。
所述数据存储单元采用铁电存储器FM24CL64-G存储数据，掉电不丢失数据，当主控MCU休眠后，数据存储单元就会处于掉电状态，不因无电而丢失数据，铁电存储器将ROM的非易失性数据存储特性和RAM的无限次读写、高速读写以及低功耗等优势结合在一起，非常适合井盖监测装置设计需求。
所述井盖状态监测单元用于检测井盖的状态变化，通过光耦U30（NEC2701）实现电压隔离，通过周围电路（电容、二极管、TVS管）提高设备的抗干扰能力，实现对MCU的保护。
所述电源控制单元包括两路电源的控制，一路是控制所述无线通讯模块的电源、一路是控制所述数据存储单元的电源，该部分电路主要有大功率P沟道MOS管和控制三极管（9014）等器件组成，当MCU休眠后，控制引脚NB_POWER和V33_CTL都配置成无上拉模拟输入，所以无法驱动MOS管供电，后级电路电源就自然被关断；其中一路是对无线通讯模块（NB-IOT），以及外围电路、SIM卡电路的电源通断管理，无线通讯模块的功耗是在整个装置中是比较大的，所以也采用切断电源得方式，以降低功耗；另一路电源控制是控制铁电存储器的电源，同样，MCU休眠后，该部分电路也是电源被关断的。
所述电池及电压转换单元中电池采用4.2V/20000mAh聚合物锂电池,输出电流可达2A，电池供电时输出的3.7V-4.2V的电压通过电源芯片RT8059实现3.3V的电压转换，供给所述MCU控制单元、数据存储单元以及其外围电路，该电源芯片RT8059是一个高效率的脉宽调制（PWM）的降压型DC / DC转换器，能够提供1A的输出电流在较宽的输入电压范围2.8V至5.5V，该RT8059是非常适合于便携式由单节锂离子电池供电的电子设备或由范围内的其他电源的。
所述调试串口采用TTL电平的串口通信模式，主要是和MCU进行通讯，设置一些参数，包括唤醒间隔，井盖安装地址，以及装置自身的ID号；设备生产日期等参数，也可以读取参数和事件数据。
本发明的积极有益效果是：
1、本发明解决了对一些普通非智能电缆隧道井盖的监测问题，施工改造工作量小，安装简单，改造成本低，不需要更换井盖，只需要加装一套井盖监测装置即可。
2、本发明通过低功耗的设计方法实现井盖监测装置的开发，可以及时掌握井盖的状态信息，并在井盖移动或者被破坏时利用NB-IoT网络向服务器发出告警信息，通知监控中心管理人员，从而最大程度的避免电缆井盖的入侵和电力设施遭到破坏和损失。
3、本发明通过采用新窄带物联网NB-iot技术，实现无线数据传输功能，该技术具低功耗、低成本、广覆盖，支持超大连接等优点，都与传统的物联网模式有了极大的提升和优化，完美的解决了以往窨井盖监测所遇到的通讯问题。
附图说明
图1是本发明低功耗简易通用型电缆井盖监测装置的逻辑连接图；
图2是图1中MCU主控单元的电路原理图；
图3是图1中无线通讯单元的电路原理图；
图4是图1中井盖状态监测单元的电路原理图；
图5是图1中电源控制单元的电路原理图；
图6是图1中电池及电压转换单元的电路原理图；
图7是图1中数据存储单元的电路原理图；
图8是图1中时钟单元的电路原理图；
图9是图1中调试串口的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8和图9和具体实施例对本发明作进一步的解释和说明：
实施例：一种低功耗简易通用型电缆井盖监测装置，包括行程开关，所述行程开关设置在所要监测的井盖的内部下沿井壁上，所述行程开关上设置有井盖状态监测单元，所述井盖状态监测单元与MCU控制单元连接，所述MCU控制单元分别与无线通讯单元、时钟单元、数据存储单元、电池及电压转换单元、电源控制单元和调试串口连接，所述MCU控制单元通过所述井盖状态监测单元电路实时监测所述井盖的开关状态，所述无线通讯单元上设置有NB-IOT模块，所述时钟单元按照预先设定的时间间隔定时开启所述MCU控制单元，所述MCU控制单元被开启后，通过将所述电源控制单元上的NB_POWER信号置高电平，使三极管Q2处于导通状态从而驱动P沟道MOS管MOS1 导通，为所述无线通讯单元模块供电，接着置所述无线通讯单元上的NB_REST为低电平200ms后再置高电平，使所述无线通讯单元上的NB-IOT模块复位，建立与后台监控中心的连接，并通过所述电源控制单元上的V33_CTL信号给所述数据存储单元上电，所述井盖状态监测单元检测所述井盖状态并把状态数据存储到所述数据存储单元中，并通过所述无线通讯单元及时上报当前井盖状态，与后台监控中心连接。
所述MCU控制单元采用意法半导体ST的32位ARM处理器STM32L151C8T6作为主控MCU，该芯片具有64KB的ROM、10KB的RAM、4KB的EEPROM，而且具有低功耗的特性，本装置正常工作时，MCU通过井盖状态监测单元电路，实时判断井盖下安装行行程开关的状态变化，当井盖被掀开时，行程开关的摆臂会自动弹起，从而行程开的输出有变化，装置就是产生井盖状态变化的告警事件，通过无线通讯单元（载带物联网模块NB-IOT）实现告警数据的上报，上报到监控中心的相关负责人，有负责人执行进一步的核实处理，如果在一定时间没行程开关输出状态没有变化，MCU就会进入低功耗模式，首先切断外围电路和无线通讯单元的电源，使外围器件彻底掉电，然后MCU配置自身IO口为无上拉模拟输入，并且关闭了IO口时钟，串口时钟，定时器时钟，实现低功耗；行程开关的状态量输入引脚IN0是接到主控MCU的唤醒引脚（PA0-WKUP）上的，当井盖状态监测的行程开关状态有变化时，就会产生电平变化，唤醒主控MCU，装置的程序重新启动，程序控制先给外围器件上电，通过所述无线通讯单元与后台监控中心连接，如果一段时间井盖状态没有变化，主控MCU还会再次进入休眠模式，实现系统运行的低功耗设计；另外，本装置设计有定时唤醒功能，按照一定的时间间隔装置唤醒运行，检测一次井盖状态，并上报后台监控中心，随后再次进入休眠模式。
所述时钟单元采用爱普生公司的低功耗实时时钟芯片RX-8025SA和备用纽扣电池CR2032，以及2个防反向肖特基二级管1N5819组成，RX-8025SA具有高可靠性及稳定性、低功耗的性能，可达工业级要求。
所述行程开关为长行程的自复位可调滚轮转臂式行程开关所述无线通讯单元采用低功耗载带物联网模块NB-I0T，通过所述MCU控制单元控制上电和建立连接的流程，实现数据的通讯，所述无线通讯单元的电路组成主要由NB-I0T模块以及NB-IOT模块的运行指示电路、SIM卡电路、天线电路和复位控制电路组成，所述SIM卡电路采用ESDA6V8AV5防雷防静电芯片，支持SIM卡的热插拔，NB－I0T是I0T领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网（LPWAN），NB－I0T支持待机时间长、对网络连接要求较高的设备的高效连接，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。
所述数据存储单元采用铁电存储器FM24CL64-G存储数据，掉电不丢失数据，当主控MCU休眠后，数据存储单元就会处于掉电状态，不因无电而丢失数据，铁电存储器将ROM的非易失性数据存储特性和RAM的无限次读写、高速读写以及低功耗等优势结合在一起，非常适合井盖监测装置设计需求。
所述井盖状态监测单元用于检测井盖的状态变化，通过光耦U30（NEC2701）实现电压隔离，通过周围电路（电容、二极管、TVS管）提高设备的抗干扰能力，实现对MCU的保护。
所述电源控制单元包括两路电源的控制，一路是控制所述无线通讯模块的电源、一路是控制所述数据存储单元的电源，该部分电路主要有大功率P沟道MOS管和控制三极管（9014）等器件组成，当MCU休眠后，控制引脚NB_POWER和V33_CTL都配置成无上拉模拟输入，所以无法驱动MOS管供电，后级电路电源就自然被关断；其中一路是对无线通讯模块（NB-IOT），以及外围电路、SIM卡电路的电源通断管理，无线通讯模块的功耗是在整个装置中是比较大的，所以也采用切断电源得方式，以降低功耗；另一路电源控制是控制铁电存储器的电源，同样，MCU休眠后，该部分电路也是电源被关断的。
所述电池及电压转换单元中电池采用4.2V/20000mAh聚合物锂电池,输出电流可达2A，电池供电时输出的3.7V-4.2V的电压通过电源芯片RT8059实现3.3V的电压转换，供给所述MCU控制单元、数据存储单元以及其外围电路，该电源芯片RT8059是一个高效率的脉宽调制（PWM）的降压型DC / DC转换器，能够提供1A的输出电流在较宽的输入电压范围2.8V至5.5V，该RT8059是非常适合于便携式由单节锂离子电池供电的电子设备或由范围内的其他电源的。
所述调试串口采用TTL电平的串口通信模式，主要是和MCU进行通讯，设置一些参数，包括唤醒间隔，井盖安装地址，以及装置自身的ID号；设备生产日期等参数，也可以读取参数和事件数据。
工作时，本发明在正常情况下是按照预设的时间间隔定时唤醒工作运行的，主控MCU被唤醒后，系统程序重新运行，首先是控制无线通信单元上电，通过将引脚NB_POWER信号置高电平，使三极管Q2处于导通状态，从而驱动P沟道MOS管MOS1 导通，电池提供的电源为NB-IOT模块供电；接着是置引脚NB_REST为低电平200ms后再置高电平，使NB-IOT模块复位，实现数据和事件的上报；同样的原理控制V33_CTL信号给铁电存储器U2（FM24CL64-G）上电，并通过井盖状态监测单元检测井盖状态并把状态数据存储到铁电存储器中，如果井盖状态有变化会产生井盖事件数据也存储到铁电存储器中，并通过NB-IOT无线通讯模块及时上报当前井盖状态，告知后台监控中心；当MCU 延时一段时间后还会再次进入休眠低功耗状态，首先切断外围电路和无线通讯模块的电源，使外围器件彻底掉电，然后主控MCU配置自身IO口为无上拉模拟输入，并且关闭了IO口时钟，串口时钟，定时器时钟，实现低功耗；如果MCU在休眠状态时井盖被打开，行程开关输出状态有变化，通过井盖状态监测单元电路，光耦导通使IN0信号由低电平变为高电平，实现了输入电平的变位，由于IN0信号是连接到主控MCU的唤醒引脚，所以致使MCU被唤醒，程序重新运行，装置会产生井盖被打开的告警事件，通过无线通信NB-IOT模块实现告警事件的上报，通知后台监控中心相关人员及时确认井盖是否有异常打开发生；另外本发明还设计有时钟芯片U3 （RX-8025SA），上报事件中会带有事件发生的时间和预设置的井盖的安装位置信息，这样使后台监控中心能够根据时标和位置信息快速进行事件异常的判断，在设计方面，为了保证时钟的准确性，要求后台主站在应答报文中也带有后台服务器当前时间的时标，该装置会根据该时标校准自身的时钟，使于服务器时钟保持一致。
以上所述，仅是本发明的优先实施例而已，并未对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (4)
1.一种低功耗简易通用型电缆井盖监测装置，包括行程开关，其特征是：所述行程开关设置在所要监测的井盖的内部下沿井壁上，所述行程开关上设置有井盖状态监测单元，所述井盖状态监测单元与MCU控制单元连接，所述MCU控制单元分别与无线通讯单元、时钟单元、数据存储单元、电池及电压转换单元、电源控制单元和调试串口连接，所述MCU控制单元通过所述井盖状态监测单元电路实时监测所述井盖的开关状态，所述无线通讯单元上设置有NB-IOT模块，所述时钟单元按照预先设定的时间间隔定时开启所述MCU控制单元，所述MCU控制单元被开启后，通过将所述电源控制单元上的NB_POWER信号置高电平，使三极管Q2处于导通状态从而驱动P沟道MOS管MOS1 导通，为所述无线通讯单元模块供电，接着置所述无线通讯单元上的NB_REST为低电平200ms后再置高电平，使所述无线通讯单元上的NB-IOT模块复位，建立与后台监控中心的连接，并通过所述电源控制单元上的V33_CTL信号给所述数据存储单元上电，所述井盖状态监测单元检测所述井盖状态并把状态数据存储到所述数据存储单元中，并通过所述无线通讯单元及时上报当前井盖状态，与后台监控中心连接。
2.根据权利要求1所述的低功耗简易通用型电缆井盖监测装置，其特征是：所述MCU控制单元采用意法半导体ST的32位ARM处理器STM32L151C8T6作为主控MCU，主控MCU上的的PA0-WKUP引脚与所述井盖状态监测单元上的行程开关状态量输入引脚IN0连接，当所述井盖状态监测单元监测的行程开关状态有变化时，就会产生电平变化，启动MCU并上电，通过所述无线通讯模块单元与所述后台监控中心连接，若井盖状态一段时间没有变化，主控MCU会进入休眠模式。
3.根据权利要求1所述的低功耗简易通用型电缆井盖监测装置，其特征是：所述行程开关为长行程的自复位可调滚轮转臂式行程开关，所述无线通讯单元采用低功耗载带物联网模块NB-I0T，通过所述MCU控制单元控制上电和建立连接的流程，实现数据的通讯，所述无线通讯单元的电路组成主要由NB-I0T模块以及NB-IOT模块的运行指示电路、SIM卡电路、天线电路和复位控制电路组成，所述SIM卡电路采用ESDA6V8AV5防雷防静电芯片，支持SIM卡的热插拔。
4.根据权利要求1所述的低功耗简易通用型电缆井盖监测装置，其特征是：所述数据存储单元采用铁电存储器FM24CL64-G存储数据，所述电源控制单元包括两路电源的控制，一路是控制所述无线通讯模块的电源、一路是控制所述数据存储单元的电源；所述电池及电压转换单元中电池采用4.2V/20000mAh聚合物锂电池,输出电流可达2A，电池供电时输出的3.7V-4.2V的电压通过电源芯片RT8059实现3.3V的电压转换，供给所述MCU控制单元、数据存储单元以及其外围电路。
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| CN201911158459.3A Pending CN111042198A (zh) | 2019-11-22 | 2019-11-22 | 低功耗简易通用型电缆井盖监测装置 |
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|---|---|
| CN (1) | CN111042198A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114189035A (zh) * | 2020-08-24 | 2022-03-15 | 成都秦川物联网科技股份有限公司 | 一种物联网智能燃气表供电方法 |
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2019
- 2019-11-22 CN CN201911158459.3A patent/CN111042198A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114189035A (zh) * | 2020-08-24 | 2022-03-15 | 成都秦川物联网科技股份有限公司 | 一种物联网智能燃气表供电方法 |
| CN114189035B (zh) * | 2020-08-24 | 2024-03-26 | 成都秦川物联网科技股份有限公司 | 一种物联网智能燃气表供电方法 |
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