CN206226464U - 一种电气设备监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电气设备监测系统，用于电气设备的实时监测，其中，该系统将第一传感器节点嵌入或集成到电气设备电源分配单元监测电器运行状态、以及第二传感器节安装在电气设备附近监测电器运行环境，然后将运行状态信息和环境信息通过自定义通信协议的无线自组网上传至管理层节点行分析处理，并通过人机界面模块进行访问查看相关信息，从而使得电气设备使用人员能够实时监控电气设备运行状态和环境状态，有效地对进行监控和智能化管理。

Description

一种电气设备监测系统

技术领域

本实用新型涉及物联网领域，特别是一种电气设备监测系统。

背景技术

我们日常生活中到处都存在各种各样的电气设备，如空调、冰箱、电脑、服务器等设备，根据使用主体及需求的不同，电气设备监测应用市场可以分为家用市场、企事业单位市场以及商用市场。

在家用市场这块，家庭并不像数据中心那样特别关注电器运行状况，因而像智能插座等相关产品，绝大多数都是主打智能控制功能而不在乎电气设备运行状况和运行环境。例如公牛wifi智能插座，具备远程控制和定时功能；小米智能插座，能为智能手机充电，支持APP远程控制和定时功能；类似的还有联想智能插座、贝尔金智能插座等等；极少数如海尔家电宝，具备功率统计、用电统计、断电记忆恢复功能。而这些智能插座都是集成在电源分配单元上，使用安装不太方便，并且不能监测电器运行环境。

在企事业单位市场上，目前并没有类似能够对单个电器进行运行状态和使用环境监测的设备。多数还是通过一层楼或者一个房间一个电表的形式来统计使用电量的方式，且不能实时监测电压、电流等电力参数，更没有使用环境的监测。故而，可以说企事业单位在电器资产管理上关于电气设备的监测方面还是空白。

在商用市场上，如大型商场的中央空调、云计算数据中心的服务器等设备对运行状态和环境有很高的要求，这个领域的现状还是传统的现场总线监控模式，严重依赖于现场布线，其布线工作投入成本高、工作量大，已成为现场总线监控系统的瓶颈和累赘。

由此可以看出，目前急需一种设计简单、安装方便，既能监测电气设备运行状态又能监测运行环境的新型的电气设备监测系统来满足不同的使用主体及其需求。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种电气设备监测系统，解决电气设备在使用过程中的运行状态及运行环境的全程监控，实时监测电气设备的运行情况，使得使用人员能够实时监控电气设备的运行状态和环境状态，从而有效的对电气设备进行监控和智能化管理。

本实用新型提供了一种电气设备监测系统，包括用于采集电气设备运行状态信息的第一传感器节点、用于采集电气设备运行环境信息的第二传感器节点、安装在每个房间的汇聚节点以及安装在监控中心的网关节点和管理层节点；所述第一传感器节点嵌入或集成到电气设备电源分配单元，所述第二传感器节点安装在电气设备附近，

所述第一传感器节点与第二传感器节点均通过无线连接所述汇聚节点；

所述汇聚节点通过无线自主网络连接所述网关节点；

所述网关节点通过无线连接所述管理层节点。

本实用新型的有益效果是：

(1)由于第一传感器节点能够集中采集电气设备的运行状态信息，监测电气设备使用情况，分析电气设备利用率，减少了不必要的能源浪费，第二传感器节点能够采集电气设备的运行环境信息，监测电气设备的环境状态，因此该系统适合倡导绿色发展；

(2)摒弃传统的有线传输模式，采用无线自组网传输使整个系统具有更高的灵活性，传感器节点具有极强的独立性，使数据采集具有更大的适用性和可定制性；没有传统现场总线的限制，安装简单方便。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，所述汇聚节点的无线自主网络采用二级星型拓扑结构，由第一传感器节点、第二传感器节点、汇聚节点、网关节点及自定义通信协议组成，汇聚节点与第一传感器节点、第二传感器节点的无线通信采用主流的2.4GHz频段，汇聚节点与网关节点的无线通信采用433MHz频段。

采用上述进一步方案的有益效果是：简单实用，成本低，且穿透性强、传输距离远。

进一步，所述第一传感器节点与第二传感器节点均包括数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块和电源模块，

所述电源模块分别连接所述数据采集模块、数据处理模块和数据传输模；

所述数据采集模块、数据处理模块以及数据传输模块依次连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：设计简单、成本低、安装简单易维护、适用性强，使数据采集具有更大的适用性和可定制性。

进一步，所述第一传感器节点的数据采集模块采用微型精密电流互感器；

所述数据处理模块采用芯片STM32F030F4；

所述数据传输模块采用无线芯片LT8900，片上集成2.4GHz无线收发器；

所述电源模块采用隔离开关电源模块隔离型降压供电。

采用上述进一步方案的有益效果是：设计简单、功耗低、成本低、安装简单易维护。

进一步，所述第二传感器节点的数据采集模块采用热敏电阻和光敏电阻；

所述数据处理模块采用芯片STM32F030F4；

所述数据传输模块采用无线芯片LT8900，片上集成2.4GHz无线收发器；

所述电源模块采用隔离开关电源模块隔离型降压供电。

采用上述进一步方案的有益效果是：设计简单、功耗低、成本低、安装简单易维护。

进一步，所述管理层节点包括数据分析平台，所述数据分析平台包括EntityFramework数据库链接模块，UDP数据接收模块、数据处理模块、人机界面模块以及数据库，所述Entity Framework数据库链接模块，UDP数据接收模块、数据处理模块、数据库以及人机界面模块依次连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：管理层节点可对电气设备运行状态和运行环境的大量数据进行云计算和大数据分析，可用于被监测设备的优化管理、节能管理、资产评估，还可用于防盗、防火的预警分析和事故追踪，具有很好的经济效益和重大社会效益。

附图说明

图1是本实用新型的电气设备监测系统结构图；

图2是本实用新型的电气设备监测系统原理匡图；

图3是本实用新型的第一传感器节点和第二传感器节点的原理框图；

图4是本实用新型的管理层节点的数据分析平台原理框图；

图5是本实用新型的电气设备监测方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

本实用新型为了解决现有电气设备监控模式中存在的布线工作投入成本高、工作量大，以及现有电气设备缺乏运行状态和运行环境监测的问题，利用无线传感网新技术，采用自主设计的传感器节点集成或嵌入到电气设备中和自定义通信协议的无线自组网，以无线方式采集获取各电气设备的运行状态信息，实现电气监测和数据分析的功能。

为了让适用性更为广泛，我们将系统划分为三层：

数据采集层：根据监测信息不同，所用传感器也不同。考虑到共性要求，本实用新型实现了功率监测、环境温度监测和环境光照监测，将通过使传感器节点集成或者说嵌入到电源分配单元(如插座)测量实时电流参数从而计算功率，另外通过电池供电的独立传感器采集环境温度和环境光照信息，然后将这些数据通过2.4G无线网络传输，数据汇集到网关节点并上传给管理层节点，通过数据分析平台进行存储、管理和应用。

数据传输层：从功耗和成本的角度考虑，本实用新型没有采用目前普遍为大家所知的无线传感网系统，如ZigBee、Contiki等，而是设计并实现了一个简单的星型自组网协议，自定义的低功耗的自组织组网协议，该无线自组网采用二级星型拓扑结构，由采集终端、汇聚节点和网关节点及自定义通信协议组成。

数据应用层：上层管理软件，部署在中心监测上位机上，能够存储、处理与应用无线传感网络采集来的数据，在数据分析平台上，最基本的是收集获得大量电气设备运行的运行状态信息和环境信息并实现数据库存储，在此基础上实现了三个基本功能：第一，电流、功率、温度、光照的实时监测与显示；第二，在时间和空间维度上对电气设备使用电量的统计分析；第三，预先设置需要报警的状况，出现异常情况时进行报警，进一步通过数据分析计算，可获得有关设备的使用效率分析、预知故障分析、可靠性寿命分析、节能分析等，可用于各类设备或资产的运行监控和智能化管理。

该系统包括电量参数监测传感器节点本实用新型称为第一传感器节点、环境参数监测传感器节点本实用新型称为第二传感器节点，无线自组网的汇聚节点，网关节点以及管理层节点。

如图1、图2所示，本实用新型提供了一种电气设备监测系统，其用于电气设备的实时监测，包括嵌入或集成到电气设备电源分配单元的第一传感器节点、以及安装在电气设备附近的第二传感器节点，安装在每个房间的汇聚节点，安装在监控中心的网关节点以及管理层节点；第一传感器节点，用于采集电气设备的运行状态信息，并无线传输给汇聚节点；第二传感器节点，用于采集电气设备的运行环境信息，并无线传输给汇聚节点；汇聚节点，用于将接收到的运行状态信息和运行环境信息通过无线自主网络发送到网关节点；网关节点，用于将接收到的运行状态信息和运行环境信息经过协议转换后无线发送到管理层节点；管理层节点，用于对经过协议转后的运行状态信息和运行环境信息进行分析处理，并通过人机界面模块对分析处理后的信息进行访问，且通过人机界面模块预先设定电气设备的报警信息及参数信息，并依次通过网关节点、汇聚节点无线传输至第一传感器节点及第二传感器节点。

其中，如图3所示为第一传感器节点和第二传感器节点的原理框图，第一传感器节点及第二传感器节点均负责采集数据、对数据进行预处理、传输数据三个功能，按照硬件功能划分成如下模块：

(1)数据采集模块：对于第一传感器节点为功率监测节点，电流传感器采用HWCT(5A/5mA)微型精密电流互感器；对于第二传感器节点为环境监测节点，光照传感器采用光敏电阻，温度传感器采用热敏电阻；

(2)数据处理模块：主芯片选择了STM32F030F4，一方面采集并初步处理数据，另一方面运行组网协议；

(3)数据传输模块：无线芯片LT8900，片上集成2.4GHz无线收发器；

(4)电源模块：精密5V-700mA(3.5W)隔离开关电源模块隔离型降压供电或采用直流电池供电，STM32和LT8900芯片都采用了睡眠模式，能显著降低功耗。

汇聚节点安置在每个房间，负责与房间内的多个传感器节点的无线通信，具体组网过程是：汇聚节点先运行，而传感器节点向汇聚节点发送入网请求，由汇聚节点给传感器节点分配一个唯一的网络地址，传感器节点和汇聚节点有5个通信信道，采用专门设计的防碰撞算法实现高效通信，汇聚节点收集的现场数据再以无线方式转发到网关节点，汇聚节点与传感器节点的无线通信采用主流的2.4GHz频段，与网关节点的无线通信采用433MHz(主要为保证穿透性和距离的要求)。

网关节点设在数据中心室，可连接数据服务器，它以无线433M频段汇总多个房间汇聚节点的收集转发来的数据，并且转换成IP协议栈的UDP数据包格式，发送给数据分析平台(采用UDP方式主要为提高数据通信效率)，可获得设备运行状态和运行环境的大量数据，用于统计和分析。

如图4所示，管理层节点包括数据分析平台，数据分析平台包括Entity Framework数据库链接模块，UDP数据接收模块、数据处理模块、人机界面模块以及数据库，其中，Entity Framework数据库链接模块，UDP数据接收模块、数据处理模块、数据库以及人机界面模块依次连接；

数据库，用于存储预先设定的报警信息及电气设备参数信息，

报警信息包括，电气设备未处于运行状态，以及环境温度过高；

参数信息包括，

运行状态信息：电压有效值、电流有效值、有功功率；

运行运行环境信息：温度、光照强度；

时间空间信息：空间标记、时间标记；

节点信息：节点编号；

电器信息：电器编号、电器名称；

用户信息：用户编号、用户名称、用户联系方式；

Entity Framework数据库链接模块，用于将接收到的经过协议转后的运行状态信息和运行环境信息传输给所述UDP数据接收模块；

UDP数据接收模块读取所述数据库中的预先设定的参数信息，并将读取的参数信息和接收到的的电器运行状态信息和运行运行环境信息一并传输给数据处理模块；

数据处理模块，用于对所述运行状态信息和运行运行环境信息与预先设置的参数信息比较，对出现异常的信息进行报警，并将报警信息与所述运行状态信息和运行运行环境信息存入数据库；

人机界面模块，用于实时显示存入所述数据库中的运行状态信息、运行运行环境信息和报警信息，同时也预先设定电气设备的报警信息及参数信息，其中显示的信息如下：

(1)运行状态(电压、电流、功率)和运行环境(温度、光照)的实时(时间)监测展示：实时展示特定区域R、特定电器EID的运行参数和运行环境(U、I、P、T、L)，以时间D为横坐标。

(2)在时间和空间(空间)维度上对电气设备使用情况的统计分析：

某个电气设备使用时间：关注特定电器EID运行与未运行状态的区别，监控运行时间D；

某个电气设备在时间上的使用率：特定电器EID，运行时间/总时间；

一定时间内一定区域内的电气设备电能总消耗：特定时间D、特定区域R，总能耗＝总有功功率P*时间跨度D；

一定时间内某个区域内电气设备电能消耗占比：特定时间D、特定区域R，占比＝特定区域电器功率总和P1/总有功功率P。

(3)根据耗电量预测电气设备老化程度：

电气设备随着其老化能耗会有所增大，且这种变化不会太过明显可以以年为单位，同时由于各种电气设备电气性能、工作模式各不相同，因而只能针对不同的电气设备类型选择相近的功耗数据进行对比，比如空调的一年中某个月份的平均功耗，不同年份来对比功耗变化，提供这种报表数据给管理人员做参考，并且在大数据量的情况下可以预测电气设备的老化程度。

(4)根据监测到的电气参数，出现特殊情况根据需要进行提示，如不运行或长时间不运行、功率异常偏高或长时间功率较高：监测电器的电压电流及功率，我们可以看出电器运行与否，或者以什么模式运行；同时连续不断的监测，可以得到大量数据以供统计分析。一方面，根据需要我们可以提醒管理者某电器未处在运行状态，或者说已长时间没运行了；另一方面，在大数据量下对功耗等数据按情况(比如不同的工作模式)分类做一个正态分布的统计，对于异常数据也能提供给管理决策者作参考。

(5)根据预先设置的需要报警的状况，出现异常情况时进行报警：

电气设备未处在运行状态；

温度过高可能有火灾隐患。

本系统的优点为：

1.对电气设备集中监测功耗，能够监测资源使用情况，分析资源利用率，减少不必要的能源浪费，倡导绿色发展。

2.无线：摒弃传统的有线传输模式，采用无线自组网传输使整个系统具有更高的灵活性。

3.低功耗：无线传感网部分所有模块皆以低功耗为追求，如数据处理模块的休眠模式，数据传输模块的低功耗和休眠等。

4.低成本：同低功耗一样，从选型上着手包括传感器、处理器和射频模块都选用低价格的模块，尽可能的压低硬件的成本。

5.适用性强：依据物联网的三层结构来设计整个系统，并采用无线方式，节点具有极高的独立性，使数据采集具有更大的适用性和可定制性。

6.安装方便：由于传感器节点是电池供电，传输采用无线模式，传感器节点的放置具有更高的自由度，没有传统现场总线的限制，安装方便自主。

7.维护和更新简单：整个系统是明确的三层结构，互不影响：感知层传感器节点功能结构简单更新和维护成本低；网络层采用空中接口，只要保证传感器节点、汇聚节点和网关节点功能正常可用就可，其中任何一个出问题只要单独维护更新即可。

8.上层数据分析算法只与底层传感节点、无线网络采集传输的数据有关，与他们实现技术无关，所以软件平台可以很容易地加载更换升级不同的分析算法，通过这些数量众多嵌入到电气设备的传感器节点、多个无线传感网络，获得设备运行状态和运行环境的大量数据，经过云计算和大数据分析，可用于被监测电气设备的优化管理、节能管理、资产评估，还可用于防盗、防火的预警分析和事故追踪，因而具有很好的经济效益和重大社会效益。

如图5所示，为本实用新型的电气设备监测方法流程图，包括如下步骤：

(1)通过管理层节点的人机界面模块预先设定电气设备的报警信息及参数信息，并存入数据库中；

(2)第一传感器节点采集电气设备的运行状态信息，第二传感器节点采集电气设备的运行环境信息，并将所述运行状态信息和运行环境信息一并无线传输给汇聚节点；

(3)汇聚节点将接收到的运行状态信息和运行环境信息通过无线自主网络发送到网关节点；

(4)网关节点将接收到的运行状态信息和运行环境信息经过协议转换后发送到管理层节点；

(5)管理层节点对经过协议转后的运行状态信息和运行环境信息与预先设定的参数信息进行比较、分析和处理，将出现的异常信息以预先设定的报警信息进行报警提示，同时也将采集的运行状态信息、运行环境信息以及得到的报警信息存入数据库中，通过人机界面模块进行访问，从而实现对电气设备的实时监测。

本实用新型的工作原理：该系统将第一传感器节点嵌入或集成到电气设备电源分配单元监测电器运行状态、以及第二传感器节安装在电气设备附近监测电器运行环境，然后将运行状态信息和环境信息通过自定义通信协议的无线自组网上传至管理层节点行分析处理，并通过人机界面模块进行访问查看相关信息，从而使得电气设备使用人员能够实时监控电气设备运行状态和环境状态，有效地对进行监控和智能化管理。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电气设备监测系统，其特征在于，包括用于采集电气设备运行状态信息的第一传感器节点、用于采集电气设备运行环境信息的第二传感器节点、安装在每个房间的汇聚节点以及安装在监控中心的网关节点和管理层节点；所述第一传感器节点嵌入或集成到电气设备电源分配单元，所述第二传感器节点安装在电气设备附近，

所述第一传感器节点与第二传感器节点均通过无线连接所述汇聚节点；

所述汇聚节点通过无线自主网络连接所述网关节点；

所述网关节点通过无线连接所述管理层节点。

2.根据权利要求1所述的电气设备监测系统，其特征在于，所述汇聚节点的无线自主网络采用二级星型拓扑结构，由第一传感器节点、第二传感器节点、汇聚节点、网关节点及自定义通信协议组成，汇聚节点与第一传感器节点、第二传感器节点的无线通信采用主流的2.4GHz频段，汇聚节点与网关节点的无线通信采用433MHz频段。

3.根据权利要求1所述的电气设备监测系统，其特征在于，所述第一传感器节点与第二传感器节点均包括数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块和电源模块，

所述电源模块分别连接所述数据采集模块、数据处理模块和数据传输模；

所述数据采集模块、数据处理模块以及数据传输模块依次连接。

4.根据权利要求3所述的电气设备监测系统，其特征在于，所述第一传感器节点的数据采集模块采用微型精密电流互感器；

所述数据处理模块采用芯片STM32F030F4；

所述数据传输模块采用无线芯片LT8900，片上集成2.4GHz无线收发器；

所述电源模块采用隔离开关电源模块隔离型降压供电或直流电池供电。

5.根据权利要求3所述的电气设备监测系统，其特征在于，所述第二传感器节点的数据采集模块采用热敏电阻和光敏电阻；

所述数据处理模块采用芯片STM32F030F4；

所述数据传输模块采用无线芯片LT8900，片上集成2.4GHz无线收发器；

所述电源模块采用隔离开关电源模块隔离型降压供电或直流电池供电。

6.根据权利要求1所述的电气设备监测系统，其特征在于，所述管理层节点包括数据分析平台，所述数据分析平台包括Entity Framework数据库链接模块，UDP数据接收模块、数据处理模块、人机界面模块以及数据库，所述Entity Framework数据库链接模块，UDP数据接收模块、数据处理模块、数据库以及人机界面模块依次连接。