CN113625370A - 基于多传感融合预警的变电站现场多功能气象监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于多传感融合预警的变电站现场多功能气象监测装置，包括杆体、太阳能电池板和主机箱，所述杆体的外周设置有用于支撑太阳能电池板和主机箱的横担，杆体的顶部设置有气象监测设备，该气象监测设备与杆体顶部之间螺纹连接；所述气象监测设备包括上壳体、下壳体、百叶箱以及安装腔体，上壳体与下壳体之间设置有多个支撑管；所述上壳体的顶面安装有太阳辐射传感器和雨量传感器；所述下壳体的顶面安装有风速风向传感器，所述百叶箱设置在下壳体的底面，百叶箱的内部设置有温湿度气压传感器；所述安装腔体的内部设置有采样控制板、备用电池和温差发电片；该装置结构简单，便于安装，能够实现在主机断电情况下完成气象数据的发送及故障预警。
Description
技术领域
本发明涉及气象监测技术领域，尤其涉及基于多传感融合预警的变电站现场多功能气象监测装置。
背景技术
随着社会经济的发展，气象灾害对电网安全运行的影响越来越明显，由于架空输电线路范围广，户外变电站设备经常暴露于自然环境中，一旦大风、暴雨、雷电等气象灾害来临，电力系统的安全运行将面临巨大考验，线路跳闸时有发生，严重影响电力系统供电安全生产，因此，在变电站区域布设气象监测设备尤为重要。
现有的气象监测设备通常是将多个传感器安装在杆塔上，传感器采集的气象数据通过主机箱完成对数据的处理和无线发送，变电站气象监测人员根据监测的数据对各个变电站区域的天气变化情况进行预警，由于各个传感器是单独安装，其布线繁杂，各个传感器由主机统一供电，一旦主机故障传感器将无法工作，而且采集的数据将会丢失，不便于对变电站区域的天气变化情况进行实时监测和预警，因此，我们提出一种基于多传感融合预警的变电站现场多功能气象监测装置很有必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有变电站气象监测传感器因独立安装，布线繁杂，一旦主机故障传感器将无法工作，而且采集的数据丢失，不便于对变电站区域的天气变化情况进行实时监测、预警的问题，公开了基于多传感融合预警的变电站现场多功能气象监测装置，具有结构简单，便于安装，能够实现在主机断电情况下完成气象数据的发送以及故障预警。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于多传感融合预警的变电站现场多功能气象监测装置，包括杆体、太阳能电池板和主机箱，所述杆体的底部设置有与地面固定的安装座，所述杆体的外周靠近顶部位置设置有两根横担，该横担分别用于支撑所述太阳能电池板和主机箱，所述杆体的顶部设置有气象监测设备，该气象监测设备与杆体顶部之间螺纹连接；
所述气象监测设备包括上壳体、下壳体、百叶箱以及安装腔体，所述上壳体与下壳体之间等间隔纵向设置有多个支撑管，该支撑管的两端分别伸入至上壳体与下壳体的内部；
所述上壳体的顶面安装有太阳辐射传感器和雨量传感器，该太阳辐射传感器和雨量传感器的底部分别内嵌在上壳体的内部；
所述下壳体的顶面中部安装有风速风向传感器，该风速风向传感器的底部内嵌在下壳体的内部；
所述百叶箱设置在下壳体的底面中部位置，该百叶箱的内部设置有温湿度气压传感器；
所述安装腔体设置在百叶箱的下方，该百叶箱的底部与安装腔体的顶面固定连接，所述安装腔体的底部设置有安装底座；
所述安装腔体的内部设置有采样控制板、备用电池和温差发电片，该采样控制板设置在安装腔体的内底面上，所述备用电池通过金属支架固定在采样控制板表面一端的PCB板上，所述温差发电片环形布设在安装腔体的内侧面上。
优选的，所述杆体为管状中空结构，在所述杆体的顶部内壁设置有内螺纹；
所述安装底座为管状中空结构，安装底座的外周设置有与杆体顶部的内螺纹配合的外螺纹，该杆体与气象监测设备之间通过内螺纹配合外螺纹固定连接。
优选的，所述支撑管的内部为中空结构，该支撑管内部分别用于引出所述太阳辐射传感器和雨量传感器的线缆。
优选的，所述安装腔体的顶部内壁环形设置有四组固定块，该固定块的顶部水平设置有隔板，所述隔板的外周与安装腔体的接触面之间设置有环形密封圈，该环形密封圈与安装腔体之间通过胶粘的方式固定连接。
优选的，所述温差发电片为半导体材料制成，该温差发电片通过胶粘的方式固定在安装腔体的内侧壁。
优选的，所述采样控制板上还设置有控制电路、电源电路和接线端，所述接线端通过焊接的方式与连接线缆一端连接，该连接线缆另一端与主机箱连接。
优选的，所述控制电路包括ARM处理器、RS485接口电路一、RS485接口电路二、RS485接口电路三、RS485接口电路四、时钟电路、主机供电电压采样电路、北斗模块、DDR3、EMMC以及RS485接口电路五，所述ARM处理器的UART口分别与RS485接口电路一、RS485接口电路二、RS485接口电路三、RS485接口电路四以及RS485接口电路五连接，所述ARM处理器的I/O口分别与时钟电路、DDR3和EMMC连接，所述ARM处理器的A/D端口与主机供电电压采样电路连接，所述ARM处理器的SPI口与北斗模块连接。
优选的，所述电源电路包括充电电路、电源切换电路和电源管理电路，所述电源切换电路为两路输入，一路与主机供电电压连接，另一路与备用电池的输出端连接，该备用电池的充电输入端通过充电电路与温差发电片连接，所述电源切换电路的输出端与电源管理电路连接，该电源管理电路输出多路电压分别给温湿度气压传感器、风速风向传感器、太阳辐射传感器和雨量传感器提供工作电压。
优选的，所述电源切换电路由单向二极管1和单向二极管2组成，单向二极管1的正向端连接主机供电电压，单向二极管2的正向端连接备用电池供电输出端，单向二极管1的反向端和单向二极管2的反向端均与电源管理电路的输入端连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：基于多传感融合预警的变电站现场多功能气象监测装置，结构设计简单、布线合理，便于安装，能够实现对变电站区域内的温度、湿度、大气压、雨量、风速、风向等气象数据的采集，达到了气象预警的目的；
本发明通过在安装腔体中布设温差发电片和备用电池，能够利用安装腔体的壳体内外产生的温差通过温差发电片转换为电能储存在备用电池中，在主机断电情况下，通过电源切换电路自动切换到备用电池上给采样控制板及各个传感器供电，并完成对采样数据的存储，避免了主机断电后造成气象监测数据的丢失；
本发明通过在控制电路上设置北斗模块，在主机断电情况下，利用北斗模块将采集的气象数据发送给变电站气象监测平台，气象监测人员能够根据接收的数据信息获知主机箱存在故障情况，实现了故障预警；
本发明通过在控制电路上设置EMMC存储芯片，能够实现大容量数据的存储。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明局部剖面结构示意图；
图3为本发明图2中A处放大示意图；
图4为本发明采样控制板结构示意图；
图5为本发明采样控制电路原理框图；
图6为本发明电源电路原理框图；
图7为本发明电源切换电路原理图；
图8为本发明主机供电电压采样电路原理图；
图9为本发明软件执行流程图。
图中：1、杆体；2、太阳能电池板；3、主机箱；4、安装座；5、横担；6、气象监测设备；
601、上壳体；602、下壳体；603、支撑管；604、太阳辐射传感器；605、雨量传感器；606、风速风向传感器；607、百叶箱；608、温湿度气压传感器；609、安装腔体；610、温差发电片；611、采样控制板；612、备用电池；613、隔板；614、固定块；615、环形密封圈；616、安装底座；617、穿线管；618、连接线缆；619、天线；
6110、控制电路；6111电源电路；6112、接线端；6113、ARM处理器；6114、RS485接口电路一；6115、RS485接口电路二；6116、RS485接口电路三；6117、RS485接口电路四；6118、时钟电路；6119、主机供电电压采样电路；6120、北斗模块；6121、DDR3；6122、EMMC；6123、RS485接口电路五；6124、电源管理电路；6125、电源切换电路；6126、充电电路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：基于多传感融合预警的变电站现场多功能气象监测装置，包括杆体1、太阳能电池板2和主机箱3，所述杆体1的底部设置有与地面固定的安装座4，该安装座4通过设置多组尖锥形螺柱与地面固定，所述杆体1的外周靠近顶部位置设置有两根横担5，该横担5分别用于支撑太阳能电池板2和主机箱3；太阳能电池板2通过安装架固定在横担5上表面，本实施例中在主机箱3的背部还设置有与杆体1固定的卡箍(图中未示出)，在杆体1上对应主机箱3位置横向设置有一组贯穿杆体1的通孔，该通孔用于引出太阳能电池板的连接线和气象监测设备6的连接线缆与主机箱3连接；
所述杆体1的顶部设置有气象监测设备6，该气象监测设备6与杆体1顶部之间螺纹连接；
所述气象监测设备6包括上壳体601、下壳体602、百叶箱607以及安装腔体609，所述上壳体601与下壳体602之间等间隔纵向设置有多个支撑管603，该支撑管603的两端分别伸入至上壳体601与下壳体602的内部；本实施例中支撑管603设置有四根，均匀分布在上壳体601与下壳体602相对应的四角处；
所述上壳体601的顶面安装有太阳辐射传感器604和雨量传感器605，该太阳辐射传感器604和雨量传感器605的底部分别内嵌在上壳体601的内部，上壳体601的底部设置有盖板，该盖板与上壳体601的底部之间通过螺钉固定连接；本实施例中在上壳体601的顶面开设有用于安装太阳辐射传感器604和雨量传感器605的安装孔，该安装孔与传感器的接触面之间均胶粘有防水密封圈，避免外部的潮气及灰尘侵入到上壳体601的内部，降低传感器的适用寿命；
所述下壳体602的顶面中部安装有风速风向传感器606，该风速风向传感器606的底部内嵌在下壳体602的内部；该下壳体602的底部盖板与下壳体602之间通过螺钉固定连接；本实施例中在下壳体602的顶面开设有用于安装风速风向传感器606的安装孔，该安装孔与风速风向传感器606的接触面之间胶粘有防水密封圈，避免外部的潮气及灰尘侵入到下壳体602的内部，降低风速风向传感器的适用寿命；
所述百叶箱607设置在下壳体602的底面中部位置，该百叶箱607的内部设置有温湿度气压传感器608；
所述安装腔体609设置在百叶箱607的下方，该百叶箱607的底部与安装腔体609的顶面固定连接，所述安装腔体609的底部设置有安装底座616，该安装底座616与安装腔体609为一体，该安装腔体609与安装底座616均为金属材质制成，安装腔体609与安装底座616的表面均涂敷有耐高温绝缘漆；
本实施例中下壳体602的底部盖板的中部对应百叶箱607的位置开设有安装孔，该安装孔的内壁设置有内螺纹，百叶箱607的顶面外周设置有与内螺纹配合的外螺纹，该百叶箱607与下壳体602之间通过螺纹固定连接。
所述安装腔体609的内部设置有采样控制板611、备用电池612和温差发电片610，该采样控制板611设置在安装腔体609的内底面上，该采样控制板611的四角处通过紧定螺钉固定在安装腔体609的内底面上；该备用电池612选用大容量的锂电池；
所述备用电池612通过金属支架(图中未示出)固定在采样控制板611表面一端的PCB板上，该金属支架的两侧均设置有与PCB板固定的螺钉，所述温差发电片610环形布设在安装腔体609的内侧面上。
请参阅图3，所述杆体1为管状中空结构，在杆体1的顶部内壁设置有内螺纹；所述安装底座616为管状中空结构，安装底座616的外周设置有与杆体1顶部的内螺纹配合的外螺纹，该杆体1与气象监测设备6之间通过内螺纹配合外螺纹固定连接。
请参阅图2，所述支撑管603的内部为中空结构，该支撑管603内部分别用于引出所述太阳辐射传感器604和雨量传感器605的线缆。
请参阅图3，所述安装腔体609的顶部内壁环形设置有四组固定块614，该固定块614的顶部水平设置有隔板613，隔板613的外周与安装腔体609的接触面之间设置有环形密封圈615，该环形密封圈615与安装腔体609之间通过胶粘的方式固定连接。本实施例中隔板613与固定块614之间通过紧定螺钉固定连接，四组固定块614均通过焊接的方式固定在安装腔体609的内壁上。
请参阅图3，所述隔板613的中部位置设置有开孔，该开孔用于固定所述温湿度气压传感器608的底座，该温湿度气压传感器608的顶部伸入至百叶箱607的内部；
所述隔板613上对应开孔位置的两侧对称设置有一组过线孔，过线孔的内部安装有穿线管617，该穿线管617顶部通过百叶箱607伸入至下壳体602的内部。
请参阅图3，所述温差发电片610为半导体材料制成，该温差发电片610通过胶粘的方式固定在安装腔体609的内侧壁。
请参阅图4，所述采样控制板611上还设置有控制电路6110、电源电路6111和接线端6112，接线端6112通过焊接的方式与连接线缆618一端连接，该连接线缆618另一端与主机箱3连接。
请参阅图5，所述控制电路6110包括ARM处理器6113、RS485接口电路一6114、RS485接口电路二6115、RS485接口电路三6116、RS485接口电路四6117、时钟电路6118、主机供电电压采样电路6119、北斗模块6120、DDR3、EMMC6122以及RS485接口电路五6123，所述ARM处理器6113的UART口分别与RS485接口电路一6114、RS485接口电路二6115、RS485接口电路三6116、RS485接口电路四6117以及RS485接口电路五6123连接，ARM处理器6113的I/O口分别与时钟电路6118、DDR3和EMMC6122连接，ARM处理器6113的A/D端口与主机供电电压采样电路6119连接，ARM处理器6113的SPI口与北斗模块6120连接，该北斗模块6120连接的天线619安装在百叶箱607上(图中未示出)；
本实施例中太阳辐射传感器604通过RS485接口电路一6114与ARM处理器连接，雨量传感器605通过RS485接口电路二6115与ARM处理器连接，风速风向传感器606通过RS485接口电路三6116与ARM处理器连接，温湿度气压传感器608通过RS485接口电路四6117与ARM处理器连接，ARM处理器通过RS485接口电路五6123与主机连接；
太阳辐射传感器604、雨量传感器605、风速风向传感器606和温湿度气压传感器608通过对变电站区域内气象信息的采样，经RS485接口将数据信息发送给ARM处理器6113，ARM处理器6113对接收到的数据信号进行处理，输出一路数据通过RS485接口发送给主机，该主机是安装在主机箱3内部的数据处理控制板，由数据处理控制板对采样的数据进行集中管理，并通过无线模块发送到变电站内部的气象监测平台，由气象监测平台对接收的气象数据进行分析计算获取变电站区域内的温度、湿度、大气压、风速、风向、太阳总辐射以及雨量的气象信息，能够对变电站区域内的天气变化情况进行及时预警，该气象监测装置适用于安装户外变电站或者无人值守的区域。
请参阅图6，所述电源电路6111包括充电电路6126、电源切换电路6125和电源管理电路6124，所述电源切换电路6125为两路输入，一路与主机供电电压连接，另一路与备用电池612的输出端连接，该备用电池612的充电输入端通过充电电路6126与温差发电片610连接，电源切换电路6125的输出端与电源管理电路6124连接，该电源管理电路6124输出多路电压分别给温湿度气压传感器608、风速风向传感器606、太阳辐射传感器604和雨量传感器605提供工作电压。
另外电源管理电路还给控制电路6110中的ARM处理器6113、RS485接口电路一6114、RS485接口电路二6115、RS485接口电路三6116、RS485接口电路四6117、时钟电路6118、主机供电电压采样电路6119、北斗模块6120、DDR3、EMMC存储芯片以及RS485接口电路五6123提供工作电压(图中未示出)。
本实施例中的温湿度气压传感器608、风速风向传感器606、太阳辐射传感器604和雨量传感器605均选用已有成熟技术的传感器，测量精度高，稳定性好。温湿度气压传感器608集温度、湿度、气压测量于一体，采用管式结构，便于安装，测量数据精度高，搭配百叶箱能够防止野外雨雪等侵蚀；风速风向传感器606选用超声波风速风向传感器，能够实现360度全方位测量，数据测量准确可靠；太阳辐射传感器604选用光电式太阳总辐射传感器，能够测量光谱范围为0.3-1.1μm的太阳总辐射，测量精度高；雨量传感器605采用压电式雨量传感器，安装简单，数据准确，对大雨可精准测量。
请参阅图7，所述电源切换电路6125由单向二极管1和单向二极管2组成，单向二极管1的正向端连接主机供电电压，单向二极管2的正向端连接备用电池612供电输出端，单向二极管1的反向端和单向二极管2的反向端均与电源管理电路6124的输入端连接；该主机供电输入电压范围为12-24V,备用电池612的供电输入电压范围为8-12V,通过电源管理电路6124输出12V电压分别给温湿度气压传感器608、风速风向传感器606、太阳辐射传感器604和雨量传感器605供电。
实施例中电源切换电路6125选用单向二极管1和单向二极管2，根据二极管的单向导通作用，能够根据输入电压的参数范围在硬件上实现供电方式的自动切换，当主机供电电压低于12V时系统将会自动切换备用电池612供电。
请参阅图8，所述主机供电电压采样电路6119由电阻R1、R2组成，电阻R1与电阻R2串联连接，U0为采样电压，U1为主机工作电压，该电压范围为12-24V，以12V电压为例：
U0随着12V线性电压的变化，当低于12V时系统认为主机供电断开。
本实施例中所描述的主机供电是来自主机箱3内部的电池，该电池的电量来自太阳能电池板2所产生的电能。
请参阅图9，程序执行流程图：
步骤一：开始，系统上电初始化，完成CPU的寄存器、SPI口及UART口的设置；
步骤二：处理器读取北斗数据以及各个传感器数据，将所有数据按照协议打包；
步骤三：系统进行低电检测，当检测数据正常时，通过RS485接口发送数据，程序结束，返回步骤二继续执行；
步骤四：当低电检测电压过低时，保存数据，通过北斗模块发送数据，程序结束，返回步骤二继续执行。
系统所涉及的通信协议：
| 2字节 | 2字节 | 4字节 | 3字节 | 2字节 | 2字节 |
| 数据头 | 采集合编号 | 经纬度信息 | 时间 | 太阳总辐射 | 雨量 |
| 2字节 | 2字节 | 2字节 | 2字节 | 2字节 | 2字节 |
| 风速 | 风向 | 温度 | 湿度 | 大气压 | 校验 |
本实施例中选用EMMC存储芯片，能够实现大容量数据的存储，该EMMC存储芯片的存储容量为128GB，DDR3内存存储容量为1GB。
本实施例的控制电路中设置北斗模块6120的目的是当主机供电不足或断电情况下气象监测设备6能够通过北斗模块将各个传感器采集的气象数据发送给变电站气象监测平台，变电站气象监测平台工作人员能够根据接收的数据信息获知主机箱存在故障情况。
本实施例中在传感器监测设备6的安装腔体609中设置温差发电片610及备用电池612能够利用安装腔体609壳体内外产生的温差通过温差发电片610转换为电能储存在备用电池612中，当主机供电电压采样电路6119采集到主机供电低于系统设定的工作电压值时，通过电源切换电路6125切换到备用电池612上给采样控制板611及各个传感器供电，并完成对采样数据的存储，通过北斗模块6120及天线619完成数据的发送，避免了主机断电后造成气象监测数据的丢失。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.基于多传感融合预警的变电站现场多功能气象监测装置，包括杆体、太阳能电池板和主机箱，所述杆体的底部设置有与地面固定的安装座，所述杆体的外周靠近顶部位置设置有两根横担，该横担分别用于支撑所述太阳能电池板和主机箱，其特征在于：所述杆体的顶部设置有气象监测设备，该气象监测设备与杆体顶部之间螺纹连接；
所述气象监测设备包括上壳体、下壳体、百叶箱以及安装腔体，所述上壳体与下壳体之间等间隔纵向设置有多个支撑管，该支撑管的两端分别伸入至上壳体与下壳体的内部；
所述上壳体的顶面安装有太阳辐射传感器和雨量传感器，该太阳辐射传感器和雨量传感器的底部分别内嵌在上壳体的内部；
所述下壳体的顶面中部安装有风速风向传感器，该风速风向传感器的底部内嵌在下壳体的内部；
所述百叶箱设置在下壳体的底面中部位置，该百叶箱的内部设置有温湿度气压传感器；
所述安装腔体设置在百叶箱的下方，该百叶箱的底部与安装腔体的顶面固定连接，所述安装腔体的底部设置有安装底座；
所述安装腔体的内部设置有采样控制板、备用电池和温差发电片，该采样控制板设置在安装腔体的内底面上，所述备用电池通过金属支架固定在采样控制板表面一端的PCB板上，所述温差发电片环形布设在安装腔体的内侧面上。
2.根据权利要求1所述的基于多传感融合预警的变电站现场多功能气象监测装置，其特征在于：所述杆体为管状中空结构，在所述杆体的顶部内壁设置有内螺纹；
所述安装底座为管状中空结构，安装底座的外周设置有与杆体顶部的内螺纹配合的外螺纹，该杆体与气象监测设备之间通过内螺纹配合外螺纹固定连接。
3.根据权利要求1所述的基于多传感融合预警的变电站现场多功能气象监测装置，其特征在于：所述支撑管的内部为中空结构，该支撑管内部分别用于引出所述太阳辐射传感器和雨量传感器的线缆。
4.根据权利要求1所述的基于多传感融合预警的变电站现场多功能气象监测装置，其特征在于：所述安装腔体的顶部内壁环形设置有四组固定块，该固定块的顶部水平设置有隔板，所述隔板的外周与安装腔体的接触面之间设置有环形密封圈，该环形密封圈与安装腔体之间通过胶粘的方式固定连接。
5.根据权利要求1所述的基于多传感融合预警的变电站现场多功能气象监测装置，其特征在于：所述温差发电片为半导体材料制成，该温差发电片通过胶粘的方式固定在安装腔体的内侧壁。
6.根据权利要求1所述的基于多传感融合预警的变电站现场多功能气象监测装置，其特征在于：所述采样控制板上还设置有控制电路、电源电路和接线端，所述接线端通过焊接的方式与连接线缆一端连接，该连接线缆另一端与主机箱连接。
7.根据权利要求6所述的基于多传感融合预警的变电站现场多功能气象监测装置，其特征在于：所述控制电路包括ARM处理器、RS485接口电路一、RS485接口电路二、RS485接口电路三、RS485接口电路四、时钟电路、主机供电电压采样电路、北斗模块、DDR3、EMMC以及RS485接口电路五，所述ARM处理器的UART口分别与RS485接口电路一、RS485接口电路二、RS485接口电路三、RS485接口电路四以及RS485接口电路五连接，所述ARM处理器的I/O口分别与时钟电路、DDR3和EMMC连接，所述ARM处理器的A/D端口与主机供电电压采样电路连接，所述ARM处理器的SPI口与北斗模块连接。
8.根据权利要求6所述的基于多传感融合预警的变电站现场多功能气象监测装置，其特征在于：所述电源电路包括充电电路、电源切换电路和电源管理电路，所述电源切换电路为两路输入，一路与主机供电电压连接，另一路与备用电池的输出端连接，该备用电池的充电输入端通过充电电路与温差发电片连接，所述电源切换电路的输出端与电源管理电路连接，该电源管理电路输出多路电压分别给温湿度气压传感器、风速风向传感器、太阳辐射传感器和雨量传感器提供工作电压。
9.根据权利要求8所述的基于多传感融合预警的变电站现场多功能气象监测装置，其特征在于：所述电源切换电路由单向二极管1和单向二极管2组成，单向二极管1的正向端连接主机供电电压，单向二极管2的正向端连接备用电池供电输出端，单向二极管1的反向端和单向二极管2的反向端均与电源管理电路的输入端连接。
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