CN113030556A - 一种以太网电流测量电路及一种以太网终端系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种以太网电流测量电路及一种以太网终端系统，用于对以太网终端的工作状态进行判断，其中，以太网供电端通过以太网线对所述以太网终端供电，以太网供电端包括POE/PSE交换机或者普通交换机和电力注射器，以太网电流测量装置包括电流采集模块和数据传输模块，电流采集模块用于检测流经以太网供电端与以太网终端之间的电流值；数据传输模块与电流采集模块连接，用于将电流值传输至终端服务器，以判断以太网终端的工作状态，解决了互联网终端工作状态的判断方法准确率较低和普适性较差的技术问题，广泛应用于以太网供电技术领域。
Description
技术领域
本申请涉及以太网供电技术领域，尤其涉及一种以太网电流测量电路及一种以太网终端系统。
背景技术
随着越来越多的物联网远程终端设备联入网络，更加精确的判断远程设备的工作状态将为远程终端提供更为高效的服务和维修，物联网终端设备的维护和修理涉及到多专业和多部门，终端设备出现问题时由于涉及的专业范围广，正确地判断问题所在才能派出相应的专业技术人员携带必要的仪器和配件及时维修。传统的对远程终端状态的判断多数局限在编程下的设备状态，通过设备回答主机的询问或者按照预置程序传输装备状态信号，或应用前端机根据接收的信号来判断终端设备的工作状态、通过远程登陆操作来判断终端是否工作等。然而这种判断方式，当信号终端或者物联网终端没有反应时，很难判断终端设备的工作状态，准确率较低。
现有技术采用PoE(Power Over Ethernet)以太网供电测试仪对远程终端的工作状态进行检测，然而这种测量方式只是局限在测量POE设备是不是标准的POE设备、查看POE设备的分类级别等，其并不能长期安装在网络终端附近，成为网络终端辅助设备的一个部分，且市场上的POE设备的检测仪价格高，不适用非标准的POE网络中，普适性较差。
发明内容
本申请就是针对现有互联网终端工作状态的判断方法准确率较低和普适性较差的技术问题，提供一种准确率较高和普适性较好的一种以太网电流测量电路及一种以太网终端系统。
本申请实施例的第一方面提供了一种以太网电流测量装置，用于对以太网终端的工作状态进行判断，其中，以太网供电端通过以太网线对所述以太网终端供电，所述以太网电流测量装置包括：
电流采集模块，用于检测流经所述以太网供电端与所述以太网终端之间的电流值；
数据传输模块，与所述电流采集模块连接集成于同一电路板，用于将所述电流值传输至终端服务器，以判断所述以太网终端的工作状态。
在其中一实施例中，所述电流采集模块的两端分别通过RJ45接口与所述以太网供电端和所述以太网终端连接。
在其中一实施例中，所述电流采集模块靠近所述以太网终端设置。
在其中一实施例中，所述电流采集模块包括第一敏感电阻和第二敏感电阻，所述以太网线的第1芯和所述以太网线的第4芯分别设置所述第一敏感电阻和第二敏感电阻。
在其中一实施例中，所述数据传输模块包括：
运算放大电路，与所述电流采集模块连接，用于对所述电流值进行放大；
模数转换电路，与所述运算放大电路连接，用于对放大后的所述电流值进行模数转换；
控制电路，与所述模数转换电路连接，用于对模数转换后的所述电流值进行处理；
射频发射电路，与所述控制电路连接，用于将处理后的所述电流值传输至所述终端服务器。
在其中一实施例中，所述运算放大电路包括第一放大电路和第二放大电路，所述第一放大电路的输入端与所述第一敏感电阻连接，所述第二放大电路的输入端与所述第二敏感电阻连接，所述第二放大电路的输出端与所述第一放大电路的基准输入端连接，所述第一放大电路的输出端与所述模数转换电路连接。
在其中一实施例中，所述模数转换电路采用模数转换器ADS1100实现，所述模数转换电路通过I2C接口与所述控制电路连接。
在其中一实施例中，所述控制电路采用ESP8266处理器实现，所述控制电路通过SPI接口与所述射频发射电路连接。
在其中一实施例中，所述射频发射电路采用LoRa-SX1278芯片实现与所述终端服务器的远程传输。
本申请实施例的第二方面提供了一种以太网终端系统，包括：
终端服务器，和
如上述所述的以太网电流测量装置，所述终端服务器用于接收所述电流值，并根据所述电流值判断所述以太网终端的工作状态。
本发明与现有技术相比存在的有益效果是：上述的一种以太网电流测量电路及一种以太网终端系统，通过设置电流采集模块实时测量通过以太网线供给到以太网终端的直流电流值，并通过数据传输模块，本发明采用LoRa信号发射和LoRaWAN协议，将电流值远程传输至终端服务器，终端服务器根据电流值判断以太网终端的工作状态，便于远程判断；本方案可实时检测以太网终端的电流值大小，采用双电流检测回路，可以覆盖标准或者非标准的以太网供电模式A、模式B或者4芯通电模式，具有良好的普适性。采用的电流测量LoRaWAN网络是一个独立的无线网络平台，可以接受处于不同物联网的以太网终端的电流信号传输，所以该网络是一个跨物联网平台的网络。
附图说明
图1为本申请一实施例提供的一种以太网电流测量装置的结构模块示意图；
图2为本申请一实施例中以太网供电端的供电示意图；
图3为本申请又一实施例中以太网供电端的供电示意图；
图4为本申请又一实施例提供的一种以太网电流测量装置的结构模块示意图；
图5为对应图1所示的运算放大电路的电路原理示意图；
图6为运算放大器的电压误差曲线；
图7为对应图1所示的控制电路和射频发射电路的电路原理示意图；
图8为本申请一实施例提供的一种以太网终端系统的工作流程示意图；
图9为终端服务器的人机界面显示示意图。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1，为本申请一实施例提供的一种以太网电流测量装置的结构模块示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
在其中一实施例中，一种以太网电流测量装置，用于对以太网终端101的工作状态进行判断，其中，以太网供电端102通过以太网线对以太网终端101供电，以太网终端101可以设置为多个，也可以是在不同物联网平台上的设置多个的101以太网终端；以太网电流测量装置包括电流采集模块103和数据传输模块104，电流采集模块103和数据传输模块104集成于一个电路板上。
其中，电流采集模块103，用于检测流经以太网供电端102与以太网终端101之间的电流值。
具体地，如图2所示，以太网供电端102采用POE路由器数字信号和PSE直流供电，本实施例包括两个RJ45接口，分别为输入端RJ45和输出端RJ45，输入端RJ45直接接入从以太网供电端102输出的以太网线，输出端RJ45连接到以太网终端101，电流采集模块103靠近以太网终端101设置，实时测量通过以太网线供给到以太网终端101的直流电流值。
数据传输模块104与电流采集模块103连接，用于将电流值传输至终端服务器105，以判断以太网终端101的工作状态。
具体地，数据传输模块104通过LoRa射频将电流值传输至LoRa网络路由器，由LoRa网络路由器传输至终端服务器，终端服务器根据电流值判断以太网终端的工作状态，每个以太网终端101在不同的工作状态下功率大小不同，终端服务器针对每个以太网终端101不同状态下的功率大小，通过比较判断以太网终端101的工作状态。
在其中一实施例中，如图3所示，以太网供电端102采用普通交换机和电力注射器对以太网终端101供电。
请参阅图4，为本申请又一实施例提供的一种以太网电流测量装置的结构模块示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
在其中一实施例中，电流采集模块104包括第一敏感电阻R1和第二敏感电阻R2，以太网线的第1芯和以太网线的第4芯上分别设置第一敏感电阻R1和第二敏感电阻R2。
具体地，POE供电模式包括A模式、B模式和四芯模式，A模式以电芯(1/2)+为正极供电，(3/6)-为负极供电；B模式以电芯(4/5)+为正极供电，(7/8)-为负极供电；四芯模式以电芯(1/2)+、(4/5)+为正极供电，(3/6)-、(7/8)-为负极供电。本实施例采用两级电流感应回路单独对各个正极第1芯和第4芯进行电流测量，即将第一敏感电阻R1和第二敏感电阻R2分别设置在以太网线的第1芯和以太网线的第4芯上。数据传输模块104对第一敏感电阻R1和第二敏感电阻R2采集的电流值进行叠加，终端服务器105对以太网线的电流总值进行计算，对以太网线的第1芯和以太网线的第4芯中电流值的测量可以覆盖任何模式的网络输电。设定POE输电的端口电压在PSE端的电压范围是44伏到57伏，在以太网终端101端口的电压为37伏到57伏，在PSE端的功率输出为15.4瓦(802.3af模式A)到100瓦(802.3bt的四芯供电)，因此，用欧姆定律计算以太网线中单芯线的电流值范围如下表：
表1以太网线中单芯线的电流值范围
本发明通过两个敏感电阻形成双电流检测回路，对以太网线的线芯1/2/3/6和线芯4/5/7/8同时进行检测和叠加，可以覆盖标准或者非标准的POE供电模式A，模式B或者4芯通电模式，且敏感电阻的阻值很小，产生的电压降以毫伏计算，不会产生有影响的压降和功率损耗，不会对高频网络数据产生干扰。
在其中一实施例中，数据传输模块104包括运算放大电路1041、模数转换电路1042、控制电路1043及射频发射电路1044。
具体地，运算放大电路1041与电流采集模块103连接，用于对电流值进行放大；模数转换电路1042与运算放大电路1041连接，用于对放大后的电流值进行模数转换；控制电路1043与模数转换电路1042连接，用于对模数转换后的电流值进行处理；射频发射电路1044与控制电路1043连接，用于将处理后的电流值传输至终端服务器105。
请参阅图5，为对应图1所示的运算放大电路的电路原理示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
在其中一实施例中，运算放大电路1041包括第一放大电路1411和第二放大电路1412，第一放大电路1411的输入端与第一敏感电阻R1连接，第二放大电路1412的输入端与第二敏感电阻R2连接，第二放大电路1412的输出端与第一放大电路1411的基准输入端连接，第一放大电路1411的输出端与模数转换电路1042连接。
具体地，第一放大电路1411和第二放大电路1412均采用TI公司的INV282系列的电流感应运算放大器，两个运算放大器U1和U2采用菊链方式连接，可承受系统电压的范围为-14V到+80V，放大倍数为固定的50，有效带宽是10KHz，有效灵敏电阻压降为100mV，适合POE网络供电的电压标准，避免了采用轨至轨低电压运算发大器而需要增加分压电路的需求。
第一放大电路1411中运算放大器U1的两个输入端分别与第一敏感电阻R1的两端连接，第二放大电路1412中运算放大器U2的两个输入端分别与第二敏感电阻R2的两端连接，第二放大电路1412中运算放大器U2的输出端与第一放大电路1411中运算放大器U1的基准输入端连接，第一放大电路1411中运算放大器U1的输出端与模数转换电路1042连接。
运算放大器U1和运算放大器U2采用的供电电压均为3.3V，运算放大器U1的输出端输出至模数转换电路1042的最大电压为3.3V，以以太网线中单芯线流过的最大电流为计算条件，选择第一敏感电阻R1和第二敏感电阻R2的阻值。
运算放大器U1输出的最大电压为：
V输出最大＝(V测量电阻1+V测量电阻2)*放大倍数G+Vref1
当以太网线采用四芯供电时，最大电流为600mA；式中，V输出最大＝3.3V；G＝50V/V；Vref1＝0V，V测量电阻2或者V测量电阻1＝0，通过欧姆定律计算得出，R灵敏电阻4芯＝0.11Ω。
当以太网线采用八芯供电时，最大电流为480mA；式中，V输出最大＝3.3V；G＝50V/V；Vref1＝0V，通过欧姆定律计算得出，R灵敏电阻8芯＝0.07Ω。
目前市场上大多数的POE终端的最大功率是802.3at一类和802.3at二类，单芯电流的最大值是175mA和300mA，因此选择阻值为0.08Ω的敏感电阻可以照顾更多的POE终端设备，同时对802.3at三类和802.3atPOE终端设备电流测量时模式转换信号失真较少。
本实施例中模数转换电路种内部设有增益调节，通过变换增益系数可以利用数模转换压降的最大幅度，四类POE模式下最大和最小输出电压分别为：
模式802.3at I类：V输出最小＝0.54V；V输出最大＝0.7V；
模式802.3at II类：V输出最小＝1.05V；V输出最大＝1.2V；
模式802.3at III类：V输出最小＝2.1V；V输出最大＝2.4V；
模式802.3at IV类：V输出最小＝3.5V；V输出最大＝3.84V；
由此得出，在以太网线单芯电流最大，敏感电阻的压降为：
V测量电阻max＝R敏感*I测量max＝0.08Ω*600mA＝48mV
V测量电阻min＝R敏感*I测量min＝0.08Ω*125mA＝10mV
因此，敏感电阻的压降在单芯电流最大时为48mV，消耗的功率为3.84mW，完全不影响POE终端的正常使用。
在运算放大器的供电电压为3.3V时，其有效输入电压幅度为50mV，甚至更大；敏感电阻最大单线消耗功率为P单线最大＝I2*R＝0.62*0.08＝28mW。功率消耗对POE回路的影响很小。
利用均根方法计算电压误差，得出：
式中，Error_Vos为输入失调电压误差，Error_Vgain为增益电压误差，Error_Vlin为总线电压误差。
设定敏感电阻0.08Ω，最小电流135mA，最大电流600mA，供电电压3.3V，系统电压57V，对电压误差进行模拟仿真，如图6所示可知，电流接近最小电流135mA时的误差接近1.8％，电流接近最大电流600mA时误差下降至接近1.4％，误差较小。
在其中一实施例中，模数转换电路1042采用模数转换器ADS1100实现，模数转换电路1042通过I2C接口与控制电路1043连接。
具体地，模数转换电路1042采用TI公司生产的差分ADC模拟数字转换器，型号ADS1100，其具有PGA、振荡器和I2C的16位128SPS单通道Δ-ΣADC，模数转换器的供电电压为3.3V、负极信号输入Vin-连接地，正极信号输入Vin+与第一放大电路1411中运算放大器U1的输出端连接；模数转换器配有I2C串联接口，通过I2C接口与控制电路1043连接。
选择12位有内部增益模数转换器，增益系数的确定可以根据所需要检测电流的POE终端设备的功率大小确定，如不同POE模式的最大和最小运算放大器的输出电压。当采用802.3at IV类时，输出的最大功率为100W，增益系数可以调整为1；当采用802.3at I类时，最大输出功率为15.4W，敏感电阻的压降为10mV，通过调整模数转换器内部放大系数为4，以达到模数转换器输入电压为2.8伏，极大限度地利用模数转换器模拟转数字的分辨率；当采用其他类别的802.3atPOE终端时，可以调低模数转换器的内部增益参数。设置模数转换器的基准电压是3.3V，按照该最大有效输入电压3.3V和16位的分辨率计算其最低有效位为52μV，计算运算放大器的放大倍数为50，相当于单线POE功率分辨率为1mW的变化，完全可以适合物联网节点工作状态变换的分辨能力。
请参阅图7，为对应图1所示的控制电路和射频发射电路的电路原理示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
在其中一实施例中，控制电路1043采用ESP8266处理器实现，控制电路1043通过SPI接口与射频发射电路1044连接。
具体地，控制电路1043采用低成本的ESP8266处理器，26MHz晶振，系统频率可以配置160MHz。控制电路1043包括SPI和I2C串联接口，通过SPI接口与射频发射电路1044连接，射频发射电路采用LoRa-SX1278芯片实现与所述终端服务器的远程传输，LoRa-SX1278芯片的发射频率是410Mhz到525MHz之间，最大发射功率是18+/-1dBM，可编程比特率达300kbps，本实施例中选择的发射频率为433MHz，LoRa-SX1278芯片采用LoRa线性调节扩频技术具有抗干扰和支持长距离信号传输，支持FSK，GFSK，MSK，MGMSK和LoRa信号调制方式，供电最大电压为3.6V，本实施例采用3.3V电压供电，低功率消耗可以传输的距离至少5公里以上。
控制电路1043采用的ESP8266芯片没有硬件I2C和SPI接口，通过对ESP8266芯片中GPIO引脚的编程来设置串联接口，ESP8266做为I2C控制端，模数转换器做为I2C受控端，模数转换器可以是连续工作模式，也可以是单一工作模式，采用单一工作模式之间会中断供电，可以节省能量消耗。GPIO引脚的编程如表2：
表2 ESP8266芯片中GPIO引脚的编程
控制电路1043的编程采用USB和串口转换器，控制电路1043中外接DTR引脚，ESP8266芯片的GPIO16针脚和RST针脚连接，ESP8266在深度睡眠模式中触发GPIO16针脚启动RST使得该针脚产生低电平信号，重启ESP8266芯片，ESP8266芯片启动一定时间后根据编程预设的时间重新进入深度睡眠模式，可以有效的节约能源。ESP8266芯片的供电电压为3.3V，自带电池供电，重启过程不干扰POE终端设备的正常运行。
本申请实施例的第二方面提供了一种以太网终端系统，包括：
终端服务器105，和如上述所述的以太网电流测量装置。
其中，终端服务器105用于接收电流值，并根据电流值判断以太网终端101的工作状态。
需要说明的是，该以太网终端系统是在上述以太网电流测量装置的基础上增加了终端服务器105，因此关于以太网电流测量装置的功能描述及原理说明可参照图1-图7的实施例，此处不再详细赘述。
请参阅图8，为本申请一实施例提供的一种以太网终端系统的工作流程示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
在其中一实施例中，以太网终端系统的电流值判断过程，通过以下步骤：
S1、统计各以太网终端101的工作状态和功率关系；
S2、在终端服务器105进行应用编程和数据库编写；
S3、在终端服务器105启动电流采集应用界面，以太网电流测量装置进行电流值的采集；
S4、查询以太网终端101的ID信息，通过MQTT协议取得以太网终端101的电阻值数据，并进行判断，当与数据库信息相符时，继续进行电流值的采集，当与数据库信息不相符时，终端服务器105报告异常。
S4、启动批量处理命令，形成报表，当出现与数据库信息不相符的情况时，终端服务器105报告异常。
本实施例中的电流数据用LoRaWAN网络传输到LoRaWAN网关，经过网关上传到终端服务器105，以太网终端101以室外摄像头为例，在不同的情况下室外摄像头有相对应的不同工作状态，其功率不一样，所需要的电流大小不一样，室外摄像头的工作状态有着下列几种情况：白天光线理想时的正常工作状态，夜晚的红外线启动时的工作状态和冬季温度低需要启动加热装置的工作状态。如图9所示，在终端服务器105的人机界面中显示电流和功率值，通过对这些值和数据库预设值的比较判断相应的终端状态。“电流采集状态”是显示项，显示控制电路1043是否处于深度睡眠模式，“启动测量”是按钮，给控制电路1043中GPIO16针脚传输激活指令，控制电路1043在运行一定时间后会自动从进入深度睡眠模式，以减少耗电；本实施例中数据库中不同状态的功率值和电流值的大小一般是以太网终端厂家提供的，或者通过多次的测试结果得出。
用户可以根据LoRa传输的信息远程检测某个以太网终端101的工作状态，在终端服务器105中也可以通过程序接收所有装有以太网电流测量装置发送过来的电信号，进行批量性比较并形成信息报告，可以一次性了解所有以太网终端101是否是正常运行并进行处理，从而提高维护工作的效率。用户也可以建立一个独立的LoRaWan网络检测处于不同物联网平台上的以太网终端的状态。对于非POE交换机网络的终端设备也可以通过低成本的终端设备更新，增加本发明的电流检测器，也可以实施以太网终端的电流检测，而不需要关心普通交换机里没有PSE的MIB数据。
本发明与现有技术相比存在的有益效果是：上述的一种以太网电流测量电路及一种以太网终端系统，通过设置电流采集模块103实时测量通过以太网络线供给到以太网终端101的直流电流值，并通过数据传输模块104将电流值远程传输至终端服务器105，终端服务器105根据电流值判断以太网终端101的工作状态，便于远程判断；本方案可实时检测以太网终端101的电流值大小，采用双电流检测回路，可以覆盖标准或者非标准的以太网供电模式A、模式B或者4芯通电模式，具有良好的普适性。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种以太网电流测量装置，用于对以太网终端的工作状态进行判断，其中，以太网供电端通过以太网线对所述以太网终端供电，其特征在于，所述以太网电流测量装置包括：
电流采集模块，用于检测流经所述以太网供电端与所述以太网终端之间的电流值；
数据传输模块，与所述电流采集模块连接，用于将所述电流值传输至终端服务器，以判断所述以太网终端的工作状态。
2.根据权利要求1所述的以太网电流测量装置，其特征在于，所述电流采集模块的两端分别通过RJ45接口与所述以太网供电端和所述以太网终端连接。
3.根据权利要求1所述的以太网电流测量装置，其特征在于，所述电流采集模块靠近所述以太网终端设置。
4.根据权利要求1所述的以太网电流测量装置，其特征在于，所述电流采集模块包括第一敏感电阻和第二敏感电阻，所述以太网线的第1芯和所述以太网线的第4芯分别设置所述第一敏感电阻和第二敏感电阻。
5.根据权利要求4所述的以太网电流测量装置，其特征在于，所述数据传输模块包括：
运算放大电路，与所述电流采集模块连接，用于对所述电流值进行放大；
模数转换电路，与所述运算放大电路连接，用于对放大后的所述电流值进行模数转换；
控制电路，与所述模数转换电路连接，用于对模数转换后的所述电流值进行处理；
射频发射电路，与所述控制电路连接，用于将处理后的所述电流值传输至所述终端服务器。
6.根据权利要求5所述的以太网电流测量装置，其特征在于，所述运算放大电路包括第一放大电路和第二放大电路，所述第一放大电路的输入端与所述第一敏感电阻连接，所述第二放大电路的输入端与所述第二敏感电阻连接，所述第二放大电路的输出端与所述第一放大电路的基准输入端连接，所述第一放大电路的输出端与所述模数转换电路连接。
7.根据权利要求5所述的以太网电流测量装置，其特征在于，所述模数转换电路采用模数转换器ADS1100实现，所述模数转换电路通过I2C接口与所述控制电路连接。
8.根据权利要求5所述的以太网电流测量装置，其特征在于，所述控制电路采用ESP8266处理器实现，所述控制电路通过SPI接口与所述射频发射电路连接。
9.根据权利要求5所述的以太网电流测量装置，其特征在于，所述射频发射电路采用LoRa-SX1278芯片实现与所述终端服务器的远程传输。
10.一种以太网终端系统，包括：
终端服务器，和
如权利要求1-9任一项所述的以太网电流测量装置，所述终端服务器用于接收所述电流值，并根据所述电流值判断所述以太网终端的工作状态。
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