CN116593759A - 一种用电设备通电、水浸状态在线监测装置 - Google Patents

一种用电设备通电、水浸状态在线监测装置 Download PDF

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Abstract

一种用电设备通电、水浸状态在线监测装置，涉及仪器设备运行状态监测技术领域，包括供电部分、核心控制单元部分、通电状态监测部分、水浸状态监测部分、物联网通信部分、本地显示媒介部分。所述的核心控制单元部分通过数据线单向连接通电状态监测部分、水浸状态监测部分、本地显示媒介部分；所述的核心控制单元部分通过数据线双向连接物联网通信部分。所述的供电部分为整个装置提供电源。该用电设备通电、水浸状态在线监测装置，可对被测设备是否通电以及是否被水浸泡进行在线实时监测，有助于提高被测设备的信息化管理水平。

Description

一种用电设备通电、水浸状态在线监测装置
技术领域
本发明涉及仪器设备运行状态监测技术领域，具体涉及一种用电设备通电、水浸状态在线监测装置。
背景技术
对仪器设备的运行状态实现在线实时监测，在生产、生活诸多领域有着重要的意义。比如存放预苗、生化类实验药品等对环境温度参数敏感物品的电冰箱等仪器，一旦断电则会产生严重后果，另外贵重仪器设备如果被水淹则可能会损坏，或引发火灾等。
发明内容
本发明的目的是解决用电设备通电、水浸状态在线实时监测的问题。
本发明的技术方案是：
一种用电设备通电、水浸状态在线监测装置，包括供电部分、核心控制单元部分、通电状态监测部分、水浸状态监测部分、物联网通信部分、本地显示媒介部分，所述的核心控制单元部分通过数据线单向连接通电状态监测部分、水浸状态监测部分、本地显示媒介部分，所述的核心控制单元部分通过数据线双向连接物联网通信部分；
通电状态监测部分包括用于感知用电设备通电状态的传感器接口JSi、三级管Q1、电阻R1、电阻R2、三极管Q2、电阻R3、三极管Q3、电阻R4、电阻R7、运算放大器U1、电阻R8、电容C2、电容C1，其中用于感知用电设备通电状态的传感器接口JSi与三级管Q1的基极相连，三级管Q1的集电极与电阻R1相连，电阻R1的另外一端与3.3V电源相连，三级管Q1的发射极与电阻R2相连，电阻R2的另外一端与三极管Q2的基极相连，三级管Q2的发射极与电阻R3相连，电阻R3的另外一端与三极管Q3的基极相连，三级管Q2的集电极与电阻R4相连，电阻R4的另外一端与3.3V电源相连，三级管Q3的发射极接地，三级管Q3的集电极与电阻R7相连，电阻R7的另外一端与3.3V电源相连，电阻Q3的集电极与运算放大器U1的第3脚相连，运算放大器U1的第2脚接地，运算放大器U1的第1脚与运算放大器U1的第4脚及电阻R8、电容相连，电阻R8、电容C2的另外一端接地，运算放大器U1第5脚与3.3V电源及电容C1相连，电容C1另外一端接地；
水浸状态监测部分包括用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-1、用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-2、电阻R9、电阻R5、电容C4、运算放大器U2、电阻R10、电阻R6、电容C5、电容C3，其中用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-1的第1脚与电阻R9相连，电阻R9的另外一端与3.3V电源相连，用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-1的第2脚与电阻R5、电容C4及运算放大器U2的第3脚相连，电阻R5、电容C4的另外一端接地，用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-2的第1脚与电阻R10相连，电阻R10的另外一端与3.3V电源相连，用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-2的第2脚与电阻R6、电容C5及运算放大器U2的第5脚相连，电阻R6、电容C5的另外一端接地，运算放大器U2的第4脚接地，运算放大器U2的第8脚接3.3V电源及电容C3，电容C3另外一端接地，运算放大器U2的第1脚接运算放大器U2的第2脚，运算放大器U2的第6脚接运算放大器U2的第7脚。
进一步的，核心控制单元部分为STM32F103C8T6嵌入式处理器。
进一步的，物联网通信部分的物联网通信Wi-Fi模块型号为ESP-01S，通信协议采用MQTT协议。
进一步的，本地显示媒介部分为OLED屏。
进一步的，三级管Q1、三极管Q2、三极管Q3的型号为9014C。
进一步的，运算放大器U1的型号为OPA365。
进一步的，运算放大器U2的型号为OPA2365。
本发明的优点和有益效果：
1）设备通电状态的非侵入式监测：利用漆包线缠成闭环线圈（线圈直径5厘米、5匝），作为传感器，检测用电设备电源插头附近的电场强度，判断附近是否有市电存在，进而可以实现非侵入式感知被测设备的电源是否接通。
2）设备水浸状态的监测：利用2.54mm脚距的单排镀金铜针（2针）作为传感器，采用直流阻抗法测量是否有水存在。
3）在线实时性：利用Wi-Fi模块将设备的通电状态及水浸状态实时传送到远端的云服务器进而实现了对上述状态参数的在线实时监测。
附图说明
图1是本发明涉及的用电设备通电、水浸状态在线监测装置的结构框图。
图2是本发明通电状态监测部分电路原理图。
图3是本发明水浸状态监测部分电路原理图。
图1中，1.供电部分，2.核心控制单元部分，3.通电状态监测部分，4.水浸状态监测部分，5.物联网通信部分，6.本地显示媒介部分。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。由附图1可知，本发明用电设备通电、水浸状态在线监测装置，包括供电部分、核心控制单元部分、通电状态监测部分、水浸状态监测部分、物联网通信部分、本地显示媒介部分；所述的核心控制单元部分通过数据线单向连接通电状态监测部分、水浸状态监测部分、本地显示媒介部分；所述的核心控制单元部分通过数据线双向连接物联网通信部分。其中：
1.供电部分
采用单节18650锂电池为整个装置供电。
2.核心控制单元部分
采用STM32F103C8T6嵌入式处理器作为核心控制单元。
3.通电状态监测部分
该部分的电路原理如图2所示。
该通电状态监测部分主要包括：由高增益NPN型三极管（型号：9014C）构成的高增益放大电路及由运算放大器（型号：OPA365）构成的缓冲电路这两部分内容。具体包括：用于感知用电设备通电状态的传感器接口JSi、三级管Q1、电阻R1、电阻R2、三极管Q2、电阻R3、三极管Q3、电阻R4、电阻R7、运算放大器U1、电阻R8、电容C2、电容C1，连接关系如下：用于感知用电设备通电状态的传感器接口JSi与三级管Q1的基极相连。三极管Q1的集电极与电阻R1（阻值：1MΩ）相连，电阻R1的另外一端与3.3V电源相连，三极管Q1的发射极与电阻R2（阻值：0Ω）相连，电阻R2的另外一端与三极管Q2的基极相连。三极管Q2的发射极与电阻R3（阻值：0Ω）相连，电阻R3的另外一端与三极管Q3的基极相连，三极管Q2的集电极与电阻R4（阻值：100kΩ）相连，电阻R4的另外一端与3.3V电源相连。三级管Q3的发射极接地，三极管Q3的集电极与电阻R7（阻值：10kΩ）相连，电阻R7的另外一端与3.3V电源相连。三极管Q3的集电极与运算放大器U1（型号：OPA365）的第3脚相连，运算放大器U1的第2脚接地，运算放大器U1的第1脚与运算放大器U1的第4脚及电阻R8（阻值：10kΩ）、电容C2（0.1μF）相连，电阻R8、电容C2另外一端接地，运算放大器U1第5脚与3.3V电源及电容C1（0.1μF）相连，电容C1另外一端接地。
通电状态的具体监测方法：利用漆包线缠成闭环线圈（线圈直径5厘米、5匝），作为用于感知用电设备通电状态的传感器，放置在用电设备的电源插头处。利用型号为9014C的高增益的NPN型三极管Q1~Q3对用电设备电源插头处的微弱感应电压信号进行放大，然后再利用型号OPA365的运算放大器U1对放大后的信号进行缓冲得到电压信号Vout，最终利用STM32F103C8T6嵌入式处理器的I/O口PA7来采样该信号。实测结果表明，Vout为与市电同频率的方波（频率50Hz），用电设备电源插头处的感应电压信号越强，则该方波的占空比越小。实测结果表明，设定该方波的占空比门限为90%，可以很好的检测出该用电设备是否通电，即：当PA7的输入电压占空比小于90%时表明该用电设备已经接通电源、否则未接通电源。
4.水浸状态监测部分
该部分的电路原理如图3所示。
该水浸状态监测部分具体：包括用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-1、用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-2、电阻R9、电阻R5、电容C4、运算放大器U2、电阻R10、电阻R6、电容C5、电容C3，连接关系如下：用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-1的第1脚与电阻R9（阻值：1kΩ）相连，电阻R9的另外一端与3.3V电源相连，用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-1的第2脚与电阻R5（阻值：100kΩ）、电容C4（容值：0.1μF）及运算放大器U2（型号：OPA2365）的第3脚相连，电阻R5、电容C4的另外一端接地。用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-2的第1脚与电阻R10（阻值：1kΩ）相连，电阻R10的另外一端与3.3V电源相连，用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-2的第2脚与电阻R6（阻值：100kΩ）、电容电容C5（容值：0.1μF）及运算放大器U2的第5脚相连，电阻R6、电容C5的另外一端接地。运算放大器U2的第4脚接地，第8脚接3.3V电源及电容C3（容值0.1μF），电容C3另外一端接地，运算放大器U2的第1脚接运算放大器U2的第2脚，运算放大器U2的第6脚接运算放大器U2的第7脚。
水浸状态的具体监测方法：利用2.54mm脚距的单排镀金铜针（2针）作为用于感知用电设备水浸状态的传感器，放置在用电设备的底部附近。通过检测单排针2针脚间的等效直流电阻阻值来判断是否有水浸泡针脚，即设备的水浸状态。当针脚间有水时，等效直流电阻阻值为70k~90kΩ，当针脚间没有水时，等效直流电阻阻值远远大于90kΩ。图3中运算放大器U2为OPA2365运算放大器，该运算放大器连接成电压跟随器的形式，因而VR1的电压与PA1处的电压相等，VR2的电压与PA2处的电压相等，进而可以通过STM32F103C8T6嵌入式处理器内置的ADC采集PA1、PA2点的电压值获得VR1、VR2的电压值。电阻R9、电阻R5与用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-1连接成串联模式；电阻R10、电阻R6与用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-2连接成串联模式。通过测量VR1、VR2的电压，结合公式（1）可计算得到用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-1、用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-2的等效直流电阻阻值：RJS-1、RJS-2。
（1）
设定RJS-1、RJS-2阻值门限为100kΩ，当RJS-1、RJS-2阻值均小于100kΩ时，认为该用电设备被水浸泡。实测结果表明，上述方法可以很好的检测出该用电设备是否被水浸泡。
5.物联网通信部分
物联网通信（Wi-Fi）模块型号为ESP-01S，利用该模块并采用MQTT协议，将采集到的设备通电、水浸状态参数上传至物联网云平台。
6.本地显示媒介部分
利用0.96英寸OLED屏作为本地显示媒介，该OLED屏的分辨率为128×64像素。
本发明监测方法实例：
1）通电状态监测：利用漆包线缠成闭环线圈（线圈直径5厘米、5匝），作为用于感知用电设备通电状态的传感器，放置在用电设备的电源插头处。如图2所示，利用型号9014C的高增益的NPN型三极管Q1~Q3对用电设备电源插头处的微弱感应电压信号进行放大，然后再利用OPA365运算放大器U1对放大后的信号进行缓冲得到电压信号Vout，最终利用STM32F103C8T6嵌入式处理器的I/O口PA7来采样该信号。Vout为与市电同频率的方波（频率50Hz），用电设备电源插头处的感应电压信号越强，则该方波的占空比越小。设定该方波的占空比门限为90%，可以很好的检测出该用电设备是否通电，即：当PA7的输入电压占空比小于90%时表明该用电设备已经接通电源、否则未接通电源。
2）水浸状态监测：利用2.54mm脚距的单排镀金铜针（2针）作为用于感知用电设备水浸状态的传感器，放置在用电设备的底部附近。通过检测单排针2针脚间的等效直流电阻阻值来判断是否有水浸泡针脚，即设备的水浸状态。当针脚间有水时，等效直流电阻阻值为70k~90kΩ，当针脚间没有水时，等效直流电阻阻值远远大于90kΩ。如图3所示，运算放大器U2连接成电压跟随器的形式，因而VR1的电压与PA1处的电压相等，VR2的电压与PA2处的电压相等，进而可以通过STM32F103C8T6嵌入式处理器内置的ADC采集PA1、PA2点的电压值获得VR1、VR2的电压值。电阻R9、电阻R5与用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-1连接成串联模式；电阻R10、电阻R6与用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-2连接成串联模式。通过测量VR1、VR2的电压，结合公式（1）可计算得到用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-1、用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-2的等效直流电阻阻值：RJS-1、RJS-2。设定RJS-1、RJS-2阻值门限为100kΩ，当RJS-1、RJS-2阻值均小于100kΩ时，认为该用电设备被水浸泡。

Claims (7)

1.一种用电设备通电、水浸状态在线监测装置，其特征在于：包括供电部分、核心控制单元部分、通电状态监测部分、水浸状态监测部分、物联网通信部分、本地显示媒介部分，所述的核心控制单元部分通过数据线单向连接通电状态监测部分、水浸状态监测部分、本地显示媒介部分，所述的核心控制单元部分通过数据线双向连接物联网通信部分；
通电状态监测部分包括用于感知用电设备通电状态的传感器接口JSi、三级管Q1、电阻R1、电阻R2、三极管Q2、电阻R3、三极管Q3、电阻R4、电阻R7、运算放大器U1、电阻R8、电容C2、电容C1，其中用于感知用电设备通电状态的传感器接口JSi与三级管Q1的基极相连，三级管Q1的集电极与电阻R1相连，电阻R1的另外一端与3.3V电源相连，三级管Q1的发射极与电阻R2相连，电阻R2的另外一端与三极管Q2的基极相连，三级管Q2的发射极与电阻R3相连，电阻R3的另外一端与三极管Q3的基极相连，三级管Q2的集电极与电阻R4相连，电阻R4的另外一端与3.3V电源相连，三级管Q3的发射极接地，三级管Q3的集电极与电阻R7相连，电阻R7的另外一端与3.3V电源相连，电阻Q3的集电极与运算放大器U1的第3脚相连，运算放大器U1的第2脚接地，运算放大器U1的第1脚与运算放大器U1的第4脚及电阻R8、电容相连，电阻R8、电容C2的另外一端接地，运算放大器U1第5脚与3.3V电源及电容C1相连，电容C1另外一端接地；
水浸状态监测部分包括用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-1、用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-2、电阻R9、电阻R5、电容C4、运算放大器U2、电阻R10、电阻R6、电容C5、电容C3，其中用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-1的第1脚与电阻R9相连，电阻R9的另外一端与3.3V电源相连，用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-1的第2脚与电阻R5、电容C4及运算放大器U2的第3脚相连，电阻R5、电容C4的另外一端接地，用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-2的第1脚与电阻R10相连，电阻R10的另外一端与3.3V电源相连，用于感知用电设备水浸状态的传感器接口JS-2的第2脚与电阻R6、电容C5及运算放大器U2的第5脚相连，电阻R6、电容C5的另外一端接地，运算放大器U2的第4脚接地，运算放大器U2的第8脚接3.3V电源及电容C3，电容C3另外一端接地，运算放大器U2的第1脚接运算放大器U2的第2脚，运算放大器U2的第6脚接运算放大器U2的第7脚。
2.根据权利要求1所述的用电设备通电、水浸状态在线监测装置，其特征在于：核心控制单元部分为STM32F103C8T6嵌入式处理器。
3.根据权利要求1所述的用电设备通电、水浸状态在线监测装置，其特征在于：物联网通信部分的物联网通信Wi-Fi模块型号为ESP-01S，通信协议采用MQTT协议。
4.根据权利要求1所述的用电设备通电、水浸状态在线监测装置，其特征在于：本地显示媒介部分为OLED屏。
5.根据权利要求1所述的用电设备通电、水浸状态在线监测装置，其特征在于：三级管Q1、三极管Q2、三极管Q3的型号为9014C。
6.根据权利要求1所述的用电设备通电、水浸状态在线监测装置，其特征在于：运算放大器U1的型号为OPA365。
7.根据权利要求1所述的用电设备通电、水浸状态在线监测装置，其特征在于：运算放大器U2的型号为OPA2365。
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Application publication date: 20230815

Assignee: TIANJIN KEYVIA ELECTRIC Co.,Ltd.

Assignor: NANKAI University

Contract record no.: X2024980005347

Denomination of invention: An online monitoring device for the electrification and water immersion status of electrical equipment

Granted publication date: 20230922

License type: Common License

Record date: 20240507