CN203811289U - 一种低压电源电涌保护器温度在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种低压电源电涌保护器温度在线监测装置，属于电子、电气设备监测领域。包括至少一个数据采集模块、至少一个ZigBee网络模块以及一个终端处理器模块，所述的数据采集模块包括分层设置的若干个传感器节点，以及与每层传感器节点连接的若干I/O数据总线；所述ZigBee网络模块包括协调器节点、多个终端节点以及电源模块，每根I/O数据总线连接一终端节点，终端节点与协调器节点之间通过ZigBee无线网络通信连接；所述终端处理模块包括上位机、USB/SD存储设备以及与上位机相连接的RS485总线。本实用新型解决了现有在线监测系统存在的监测成本过高，可靠性较差的问题，利于在线监测产业的推广。

Description

一种低压电源电涌保护器温度在线监测装置

技术领域：

本实用新型涉及一种低压电源电涌保护器温度在线监测装置，属于电子、电气设备监测领域。

背景技术：

电涌保护器（SPD）作为低压配电系统的过电压防护装置，由于其拥有优越的过电压抑制同大电流泄放能力，从而得到了广泛的使用。然而其核心部件氧化锌压敏电阻在运行过程中，由于受到雷电流冲击以及各种操作过电压的作用，不可避免地存在老化劣化现象，具体表现为泄漏电流增大，绝缘性能变差，老化严重时甚至可能因器件发热而导致供电系统起火爆炸。基于以上原因，为了保证电源系统的正常运行，必须对电涌保护器进行相应的在线监测，从而消除潜在的安全隐患。

目前针对SPD的在线监测大多是基于监测泄漏电流的方式，例如专利智能数字式氧化锌避雷器在线监测仪（申请号：201220231520.X）采用电流传感器采集压敏电阻漏电流，传感器所采集的数据经单片机处理后，通过RS485接口后传入人机界面中，从而实现在线监测的功能，本专利基于RF无线网络的避雷器在线监测装置（申请号：201320304487.3）通过高压型电流传感器，实现在线监测SPD的全电流，阻性电流的功能，从而分析和判断SPD的运行状况。专利氧化锌避雷器在线监测装置(申请号：201320119648.1)通过电流传感器监测氧化锌压敏电阻的漏电流，从而计算出谐波数值，将其同压敏电阻运行良好时的谐波数值进行对比，从而能评估压敏电阻的性能。

然而在工频电压作用下，低压电源SPD的漏电流数量级仅在μA级别，即使当低压电源SPD严重老化劣化初期，其泄漏电流也仅仅为mA量级，这就对电流互感器的灵敏度和抗干扰能力有着相当严格的要求。一般来说，制作此类电流互感器的难度和成本过高，在电涌保护器安装节点较多的场合并不适用，这在很大程度上限制了SPD在线监测的发展，因此需要一种新的方式，来满足以满足低压电源SPD在线监测节点数目多，监测成本低的要求。

发明内容：

本实用新型所要解决现有在线监测系统存在的监测成本过高，可靠性较差的问题而提供一种低压电源电涌保护器温度在线监测装置。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种低压电源电涌保护器温度在线监测装置，包括至少一个数据采集模块、至少一个ZigBee网络模块以及一个终端处理器模块，所述的数据采集模块包括分层设置的若干个传感器节点，以及与每层传感器节点连接的若干I/O数据总线；所述ZigBee网络模块包括协调器节点、多个终端节点，每根I/O数据总线连接一终端节点，终端节点与协调器节点之间通过ZigBee无线网络通信连接；协调器节点通过RS485总线与终端处理器模块相连。

所述终端处理模块包括上位机和USB/SD存储设备，ZigBee网络模块中的协调器节点与上位机相连接，上位机与USB/SD存储设备相连。

所述传感器节点包括温度监测电路和过电压监测电路；所述温度监测电路包括温度传感器及其辅助电路；所述过电压监测电路包括电阻分压器及其辅助电路。

所述温度监测电路的温度传感器采用外部+5V电源供电方式，所述温度传感器的 VDD 和 GND 分别接电源和地，所述与外部+5V电源连接的数据线上接4.7K的上拉电阻同温度传感器的寄生电容形成充放电回路，所述温度传感器的DQ引出的数据线用作数据传输，所述DQ引出的数据线通过I/O线同终端节点相连接。

所述温度传感器采用型号为DS18B20智能温度传感芯片。

所述过电压监测电路采用电容分压器的结构，所述过电压监测电路中的电容C1，电容C2和电阻R1依次串联构成分压电路，电容C2两端同整流桥B1的引脚1和3相连，整流桥B1的引脚2和4连接于电阻R2的两端，电阻R3和TVS管构成钳位电路，电阻R4的两端分别连接TVS管和高速光电耦合器，高速光电耦合器与连接终端节点的I/O数据总线相连接。

所述终端节点包括第一单片机处理器、ZigBee第一传输单元，第一单片机处理器和ZigBee第一传输单元通过SPI线路相连接，所述第一单片机处理器采用型号为MSP430的16位超低功耗单片机芯片。

所述协调器节点包括ZigBee第二传输单元、第二单片机处理器；

所述第二单片机处理器采用型号为MSP430的16位超低功耗单片机芯片；第二单片机处理器的接口P2.0和P3.0外接LCD模块，第二单片机处理器设有JTAG、键盘、时钟、USB/SD、EPROM、RS485、工作状态指示、拓展I/O、复位、电源管理电路的辅助接口。

本实用新型具有如下有益效果：

（1）本实用新型采用ZigBee无线通讯技术，实现了低压电源SPD在线监测系统的无线网络化，经济高效，易于拓展；

（2）本实用新型的数据采集模块运用温度传感器和分压器采集低压电源SPD的温度和过电压，避免危险高电压引入监测设备，更为安全、经济、准确；

（3）本实用新型的ZigBee第一传输单元集成了CC2530和CC2591两种芯片，可以有效拓展无线网络的工作范围，

附图说明：

图1是本实用新型的原理结构框图。

图2是温度监测电路的结构框图。

图3是过电压监测电路的结构框图。

图4是ZigBee终端节点的结构框图。

图5是ZigBee协调器点的结构框图。

图6是ZigBee终端节点的工作流程图。

图7是ZigBee协调器节点的工作流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

实施例一：

本实用新型的低压电源电涌保护器温度在线监测装置，如图1所示，包括通过ZigBee无线网络相互连接的至少一个数据采集模块1、至少一个ZigBee网络模块2以及一个终端处理器模块3。至少一个数据采集模块通过温度以及过电压传感器实时监测低压配电SPD的运行状况，实时监测数据通过I/O线发送至与之相连的ZigBee网络模块中的终端节点102，终端节点102中的第一单片机处理器将输入信号转化成ZigBee第一传输单元能够读取的格式，通过无线网络将数据传输至协调器节点103，协调器节点103起中转作用，用于分配各个终端节点的地址和数据传输任务，起到扩大整个无线网络的传输范围的作用。协调器节点103将接收的实时监测数据通过RS485总线传输至上位机，上位机将数据存入大容量存储设备中，以便随时调取历史资料，从而有利于分析事故发生原因；与此同时，将实时数据根据上位机内置算法，对实时数据进行分析，从而达到对低压电源SPD系统进行在线监控的目的。当监测数据出现危险信号时，上位机能够及时进行报警，起到安全保护的作用。

本实用新型中的温度监测电路如图2所示，温度传感器选择DALLAS公司生产的DS18B20芯片，其测温范围为-55℃~125℃,测温分辨率达0.0625℃，被测温度用符号扩展为16位数字量, 并以串行方式输出。由于芯片采用1-wire单总线的传输方式，因此CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20 通信，CPU可以根据其独一无二的序列号相区别, 而不会造成时序上的混乱。本实用新型中DS18B20采用外部+5V电源供电方式，即VDD 和 GND 分别接电源和地，数据线上接4.7K的上拉电阻同芯片的寄生电容形成充放电回路，此时DQ引出的数据线只用作数据传输用，这样有效提高了温度采集效率，且可以不考虑总线DS18B20 的挂接数量，便于传感器的布置，数据线通过I/O线同ZigBee网络模块中2中的终端节点102相连接。温度传感器通过硅胶直接固定在需要监测的低压电源SPD表面，即可实现对SPD表面温度的实时监测。

本实用新型中的过电压监测电路如图3所示，该电路并联在低压电源SPD两侧，采用电容分压器的结构，电容C1，电容C2和电阻R1依次串联构成分压电路，可以获得较好的冲击响应并抑制振荡现象。电容C2两端同整流桥B1的引脚1和3相连，整流桥B1的引脚2和4连接于电阻R2的两端，通过整流桥实现极性转换，输出正极性的电压信号，其中R2为负载电阻。电阻R3和TVS管构成钳位电路，对过电压起到缓冲作用，以保护后一级的高速光电耦合器。光电耦合器将过电压信号转换后，经I/O线输出到第一单片机处理器MPS430进行A/D转换。加入过电压监测电路的目的是为了剔除SPD正常导通时发热引起温度上升的情况，防止大量虚假报警的出现。

本实用新型中的终端节点102如图4所示，数据监测采集到的实时信息经过I/O线传入第一单片机处理器中，第一单片机处理器采用型号为MSP430的16位超低功耗单片机芯片，输入信号被转化为可以读识的数据格式，然后通过SPI线路向ZigBee第一传输单元进行传送。ZigBee第一传输单元集成了CC2530和CC2591两种芯片。当单独使用CC2430芯片进行无线传输时，由于芯片本身的发射功率较小，限制了无线网络的通信距离，传输距离；当加入射频芯片CC2591后，从可以提高发射功率，改善接收机的灵敏，其通信距离可以达到1000m左右。实时监测数据经过该ZigBee第一传输单元，向协调器节点103发送无线信号。电源模块主要负责向上述单元供电，为了降低功耗，可采用两节1.5V干电池实现。

本实用新型中的协调器节点103如图5所示，从终端节点102传输的信号经过过无线网络传送至协调器节点103中的ZigBee第二传输单元内，经过I/O线同第二单片机处理器进行通讯，第二单片机处理器采用型号为MSP430的16位超低功耗单片机芯片。之后再由RS485总线传输至终端处理器模块3进行数据分析处理。第二单片机处理器的接口P2.0和P3.0外接LCD模块，LCD模块采用128×64点阵的液晶，数据传输模式采用SPI总线传输，用于显示节点工作状态。第二单片机处理器可以选择外接JTAG，键盘，时钟，USB/SD等辅助接口，主要用于对协调器节点103进行调试或存储数据。由于协调器节点103需要保持稳定工作的状态，因此电源模块采用交流形式，本实用新型的实施例中采用3.3V交流电对协调器节点103进行供电。

实施例二： 

本实用新型中终端节点102的工作流程如图6所示，当系统初始化之后，启动入网操作，当成功加入ZigBee网络后，开始采集低压电源SPD的温度以及过电压实时数据，如果入网失败，则终端节点102将重复入网过程。之后终端节点102将接受协调器节点103任务调度，将采集的实时数据进行预处理后传输到协调器，终端节点102大部分时间处于休眠状态，处于休眠状态时，节点关闭无线通信模块和传感器模块，只保留CPU 内部定时器和中断，以减少功耗。当接受数据事件被触发时，终端节点102将会建立路由表，并根据路由信息转发数据，起到数据中转的作用。

本实用新型中协调器节点103的工作流程如图7所示，当系统初始化完成后，自动监测ZigBee网络是否组网成功，如果组网失败则重复组网过程。当组网完成后，协调器节点103开始接收温度，过电压实时监测数据，按节点地址存储数据后，经过RS485总线发送至终端处理器模块3。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种低压电源电涌保护器温度在线监测装置，其特征在于：包括至少一个数据采集模块（1）、至少一个ZigBee网络模块（2）以及一个终端处理器模块（3），所述的数据采集模块（1）包括分层设置的若干个传感器节点（101），以及与每层传感器节点（101）连接的若干I/O数据总线；所述ZigBee网络模块（2）包括协调器节点（103）、多个终端节点（102），每根I/O数据总线连接一终端节点（102），终端节点（102）与协调器节点（103）之间通过ZigBee无线网络通信连接；协调器节点（103）通过RS485总线与终端处理器模块（3）相连。

2.如权利要求1所述的低压电源电涌保护器温度在线监测装置，其特征在于：所述终端处理模块（3）包括上位机和USB/SD存储设备，ZigBee网络模块（2）中的协调器节点（103）与上位机相连接，上位机与USB/SD存储设备相连。

3.如权利要求1所述的低压电源电涌保护器温度在线监测装置，其特征在于：所述传感器节点（101）包括温度监测电路和过电压监测电路；所述温度监测电路包括温度传感器及其辅助电路；所述过电压监测电路包括电阻分压器及其辅助电路。

4.如权利要求3所述的低压电源电涌保护器温度在线监测装置，其特征在于：所述温度监测电路中温度传感器的VDD端接外部+5V电源，GND端接地，DQ端接上拉电阻后再接所述外部+5V电源，DQ端同时引出经I/O数据总线与终端节点（102）相连接。

5.如权利要求3所述的低压电源电涌保护器温度在线监测装置，其特征在于：所述温度传感器采用型号为DS18B20智能温度传感芯片。

6.如权利要求3所述的低压电源电涌保护器温度在线监测装置，其特征在于：所述过电压监测电路采用电容分压器的结构，所述过电压监测电路中的电容C1，电容C2和电阻R1依次串联构成分压电路，电容C2两端同整流桥B1的引脚1和3相连，整流桥B1的引脚2和4连接于电阻R2的两端，电阻R3和TVS管构成钳位电路，电阻R4的两端分别连接TVS管和高速光电耦合器，高速光电耦合器与连接终端节点（102）的I/O数据总线相连接。

7.如权利要求1所述的低压电源电涌保护器温度在线监测装置，其特征在于：所述终端节点（102）包括第一单片机处理器、ZigBee第一传输单元，第一单片机处理器和ZigBee第一传输单元通过SPI线路相连接，所述第一单片机处理器采用型号为MSP430的16位超低功耗单片机芯片。

8.如权利要求1所述的低压电源电涌保护器温度在线监测装置，其特征在于：所述协调器节点（103）包括ZigBee第二传输单元、第二单片机处理器。

9.如权利要求8所述的低压电源电涌保护器温度在线监测装置，其特征在于：所述第二单片机处理器采用型号为MSP430的16位超低功耗单片机芯片；第二单片机处理器的接口P2.0和P3.0外接LCD模块，第二处理器单片机设有JTAG、键盘、时钟、USB/SD、EPROM、RS485、工作状态指示、拓展I/O、复位、电源管理电路的辅助接口。