CN207542875U - 一种基于模块化的集用电信息采集及负荷管理于一体的终端设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于模块化的集用电信息采集及负荷管理于一体的终端设备，包括：底座、主控模块、电源模块、通信模块和控制模块，所述底座的背板上设置有多个插座接口，通过插座接口分别与主控模块、电源模块、通信模块和控制模块相连接；所述主控模块，用于对采集数据进行采集、记录、存储和分析；对人机交互的界面进行控制；通过通信模块和外部设备进行数据交互；所述电源模块，用于为整个设备提供电源；通信模块，用于通过至少一种通信方式实现用电信息的下行数据采集和上行数据传输；控制模块，通过USB接口和主控模块连接，用于对外部负荷开关的闭合和断开情况进行控制，通过输出控制信号和输入遥控检查回路信号对外部电压回路进行检测。

Description

一种基于模块化的集用电信息采集及负荷管理于一体的终端 设备

技术领域

本实用新型涉及电子式电能量的用电信息采集、计量与监测控制仪表制造领域，并且更具体地，涉及一种基于模块化的集用电信息采集及负荷管理于一体的终端设备。

背景技术

目前，国内数据采集终端结构主要分为两大类，一类是壁挂式，如国网集中器I型、国网专变III型专变终端等；另一类是机架式，如关口终端等。由此可以看出现有国内用电信息采集终端类型较多，维护起来比较复杂。此外，国家电网公司分别于2009年与2013年颁布了《电力用户用电信息采集系统功能规范》，其中包括结构型式规范，该型式规范规定终端结构外型尺寸、模块尺寸、及模块与本体之间接口定义以及终端功能等。随着该规范的实施，国网各省的终端功能及结构都按该规范实施，由于标准变更，产品新旧更替比较麻烦，对于各省网的差异需求，无法得到满足，且不利于功能扩展及新技术应用；最后，由于通信技术更新快，多种通信方式无法兼容，例如：现阶段通信技术以窄带载波为主，以微功率无线、宽带载波为辅，窄带载波厂家技术方案较复杂且不能互相兼容。

现有技术的不足在于：

现有的采集终端类型多维护复杂、新旧产品更替麻烦且存在无法兼容等问题。

发明内容

本实用新型提供了一种基于模块化的集用电信息采集及负荷管理于一体的终端设备，以解决现有的采集终端类型多维护复杂、新旧产品更替麻烦且存在无法兼容等问题。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种基于模块化的集用电信息采集及负荷管理于一体的终端设备，所述设备包括：底座、主控模块、电源模块、通信模块和控制模块，

所述底座的背板上设置有多个插座接口，所述底座通过插座接口分别与所述主控模块、电源模块、通信模块和控制模块相连接；

所述主控模块，用于对采集数据进行采集、记录、存储和分析；对人机交互的界面进行控制；通过通信模块和外部设备进行数据交互；

所述电源模块，用于为整个设备提供电源，所述电源模块采用三相四线或者三相三线的交流输入，工作电源采用自适应宽电源设计，输出2路隔离的12V DC，所述电源模块可自由拆卸；

所述通信模块，通过USB接口和主控模块连接，用于通过至少一种通信方式实现用电信息的下行数据采集和上行数据传输；

所述控制模块，通过USB接口和主控模块连接，用于对外部负荷开关的闭合和断开情况进行控制；通过输出控制信号和输入遥控检查回路信号对外部电压回路进行检测。

优选地，其中所述插座接口包括：电源模块插座接口、主控模块插座接口、至少一个通信模块插座接口以及至少一个控制模块插座接口。

优选地，其中所述底座还包括：底座外壳，所述底座外壳上设置有多个接线端子排。

优选地，其中所述接线端子排包括：电压及电流接线端子排、通信端子排和遥信遥控端子排。

优选地，其中所述底座背板还包括：PT电压互感器、CT电流互感器、计量子单元和USB HUB子单元；所述计量子单元用于对采集到的电压和/ 或电流信号进行分析处理得到电能量；所述USB HUB子单元的上行USB 通道与所述主控模块相连，下行USB通道分别连接所述主控模块、电源模块、通信模块和控制模块。

优选地，其中所述主控模块包括：显示屏、按键、指示灯、核心板和接口电路；

所述显示屏、按键、指示灯分别与所述核心板连接并设置于所述设备的人机交互界面；

所述接口电路一端与核心板相连、另一端与插座接口以及USB接口相连。

优选地，其中所述通信模块包括以下一个或多个：

遥信通信模块、RS232通信模块、RS-485通信模块、GSM通信模块、 GPRS通信模块、CDMA通信模块、3G通信模块、4G通信模块、微功率无线通信模块、以太网通信模块、宽带载波通信模块、窄带载波通信模块。

优选地，其中所述控制模块包括：继电输出控制单元和电源通断控制单元，

所述继电输出控制单元，用于控制继电器输出；

所述电源通断控制单元，用于控制所述通信模块上的隔离电源通断。

优选地，其中所述继电输出控制单元输出多路控制信号，其中至少1 路用于控制外部电路回路的状态并通过遥控检查回路信号输入外部电压回路的状态信号。

优选地，所述电源模块的电源为：外接电源或蓄电池。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型设计了一种基于模块化的集用电信息采集及负荷管理于一体的终端设备，包括：底座、主控模块、电源模块、通信模块和控制模块，通过将用电信息采集设备进行模块化处理，实现了模块之间的自由组合、自由增减、自由进行硬软升级和更换，在需要不同类型的功能时只需要更换相应的模块，不仅维护简单、解决了新旧产品更替麻烦的问题，还可以解决现有技术中的兼容性问题，减少了长期投资；另外，任一模块出现故障时，都可灵活替换，方便进行故障定位，减少了故障处理时间，提升了设备的可用率。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本实用新型的示例性实施方式：

图1为根据本实用新型实施方式的基于模块化的集用电信息采集及负荷管理于一体的终端设备100的结构示意图；

图2A和图2B为根据本实用新型实施方式的基于模块化的集用电信息采集及负荷管理于一体的终端设备的功能外形尺寸的示意图；

图3为根据本实用新型实施方式的基于模块化的集用电信息采集及负荷管理于一体的终端设备的侧视图；

图4为根据本实用新型实施方式的基于模块化的集用电信息采集及负荷管理于一体的终端设备的系统结构框图；以及

图5为根据本实用新型实施方式的基于模块化的集用电信息采集及负荷管理于一体的终端设备的系统接口框图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本实用新型的示例性实施方式，然而，本实用新型可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本实用新型，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本实用新型的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本实用新型的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本实用新型实施方式的基于模块化的集用电信息采集及负荷管理于一体的终端设备100的结构示意图。如图1所示，所述基于模块化的集用电信息采集及负荷管理于一体的终端设备100能实现用电信息的RS232、RS485、微功率无线、宽带载波，窄带载波的多种通信方式的下行数据采集；能实现用电信息的GSM、GPRS、3G、4G、微功率无线、宽带载波，窄带载波、以太网的多种通信方式的上行数据传输；具备人机界面功能；具备计量功能；具备用电负荷管理控制功能。使现有终端功能模块化、结构模块化，各模块功能单一，可拆可组，可独立升级、更换；在终端设备出故障时可单独对模块进行现场更换，减少故障处理时间，提升设备可用率；对于关键节点设备可采用模块双机热备方式，提升终端整体可靠性；另外，全模块化设计有利于采用模块单独招标方式，降低采购成本。所述终端设备100可以包括：底座101、主控模块102、电源模块103、通信模块104、控制模块105。

优选地，所述底座101的背板上可以设置有多个插座接口，所述底座可以通过插座接口分别与所述主控模块、电源模块、通信模块和控制模块相连接。

优选地，其中所述插座接口可以包括：电源模块插座接口、主控模块插座接口、至少一个通信模块插座接口以及至少一个控制模块插座接口等。

优选地，其中所述底座还可以包括：底座外壳，所述底座外壳上设置有多个接线端子排。

优选地，其中所述接线端子排可以包括：电压及电流接线端子排、通信端子排和遥信遥控端子排等。

优选地，其中所述底座背板还可以包括：PT电压互感器、CT电流互感器、计量子单元和USB HUB子单元；所述计量子单元可以用于对采集到的电压和/或电流信号进行分析处理得到电能量；所述USB HUB子单元的上行USB通道可以与所述主控模块相连，下行USB通道可以分别连接所述主控模块、电源模块、通信模块和控制模块。

本实用新型实施方式的终端设备可以包括：底座、主控模块、电源模块、通信模块和控制模块，整体为模块化设计，最上层可以为透明端盖，底层可以是底座，上部最上层可以为主控模块，可以包括人机界面接口，含液晶显示器、多功能按键、指示灯、红外通信接口等，主控模块下面可以为电源模块，设备中间部分可以为5个外观一致的功能模块组，可以包括：遥信通信单元、RS-485通信单元、GPRS通信单元、备用单元和控制模块等，最下端可以是接线端子排。

所述终端设备的外观、电路板元器件采用的是分层、分模块式的布局，底座处于整个设备的最底层，是所有模块的承载体、连接体，中间层是电源模块，电源模块上面是主控模块，主控模块的液晶、按键、指示灯在最外层，方便进行人机交互。功能模块的外观可以完全一致，排列在设备的中部，可自由的安装与拆卸，不同的组合可以完成终端、采集器、集中器等多种设备的功能。

图2A和图2B为终端设备的外形尺寸图，单位为毫米，图3为终端设备的打开外保护壳后的侧视图。

图4为根据本实用新型实施方式的基于模块化的集用电信息采集及负荷管理于一体的终端设备的系统结构框图。如图4所示，本实用新型实施方式的终端设备由电源模块、主控模块(含核心板)、底板、通信模块(含 485、载波、远程通信、遥控告警、遥信、脉冲输入等)组成。系统的核心为基于AT91SAM9260架构的ARM9高性能处理器系统，通过插座接口和底板相连，再通过底板和功能模块组进行数据和指令交互。接口扩展板设计有电源/USB/时钟/看门狗/串口/MAC+PHY/总线/GPIO，接口扩展板和底板的接口设计有5组UART信号/4组USB/1组以太网电口/5位模块在位信号，外部接口包括以上所述的上行、下行通信通道。

图5为根据本实用新型实施方式的基于模块化的集用电信息采集及负荷管理于一体的终端设备的系统接口框图。如图5所示，本实用新型实施方式的终端设备采用1片32M的SDRAM接提供数据的运行、操作空间，采用1片128M的FLASH提供程序的存储空间。内置实时时钟提供年月日时钟信号，采用74LVC1G32+74HC4060芯片给系统提供硬件复位信号。实时时钟RTC引脚外接1颗32.768的无源晶振。系统晶振引脚外接1颗 24M的贴片有源晶振，通过总线复用连接外部液晶和按键，1个USB口连接底板单元上的USB HUB 2514芯片，通过2514芯片扩展出多路USB通道与外部的功能模块联系。

系统的通道部分均采用模块化设计，有上行通道：GPRS/CDMA模块；下行通道：抄表485-1和抄表485-2；AT91SAM9260设计平台具有多个独立的串口单元，所以本实用新型实施方式对红外、GPRS/CDMA、抄表 485-1、抄表485-2、CS抄表以及维护232单独分配了一个串口通道，进一步简化了电路设计。

通信单元可以分为2个模块：GPRS模块、CDMA模块，4个指示灯；遥控遥信单元：4路遥控输出、4路遥信输入(如果不需要4路遥控输出，则可以扩展到8路遥信输入)，8个指示灯；接口板单元：6个指示灯、红外通信回路、2路抄表485、1路CS抄表、1路维护232、6路遥信输入、电池供电回路和看门狗回路。

本实用新型实施方式的基于模块化的集用电信息采集及负荷管理于一体的终端设备的底座上主要包括一块背板PCB及底座壳体，底座是以上所有模块的共同载体，具有电气连接和物理连接两种功能，底座外壳设计有电压、电流接线端子排、通信端子排、遥信遥控端子排等，另外还设计有 5个并行排列的通信模块与控制模块的插座接口，1个电源模块的插座接口，1个主控模块的插座接口；背板PCB除设计有以上模块的电气连接接口外，还设计有3个PT电压互感器、3个CT电流互感器、1个6515计量模块单元、1个USB HUB 2514模块，以及主控模块、电源模块、通信与控制模块相互之前的电气连接线。

USB HUB 2514是USB25lxi-temp系列中的一款，具有1个USB上行端口、4个USB下行端口的工业级USB2.0HUB器件，每个下行端口最大工作电流可为500mA，最高速率为480Mb/s，并可在全速USB1.1(传输速率为12Mb/s)和低速USB1.0(传输速率为1.5Mb/s)下运行。本设计 2514的上行USB通道和AT91SAM9260相连，下行4路USB通道连接4 个功能模块。

芯片异常时可通过RESET复位脚受AT91SAM9260控制复位重启。其中6515模块位于背板PCB的背面，功能是对采到的电压、电流信号进行分析处理，计算电能量。

优选地，所述主控模块102，用于对采集数据进行采集、记录、存储和分析；对人机交互的界面进行控制；通过通信模块和外部设备进行数据交互。

优选地，其中所述主控模块可以包括：显示屏、按键、指示灯、核心板和接口电路；

所述显示屏、按键、指示灯分别与所述核心板连接并设置于所述设备的人机交互界面；

所述接口电路一端与核心板相连、另一端与插座接口以及USB接口相连。

其中，核心板电路设计有总线LCD接口、RMII接口外接PHY接口、按键接口、模块在位识别电路；显示屏含1个160x 160点阵式LCD；按键由6个独立按键及1个总线扩展芯片74LV245组成。

本实用新型实施方式的终端设备的主控模块上设计有以32位高性能处理器AT91SAM9260为核心的系统板，其功能主要完成对测量数据的记录、存储、分析，上传，控制人机界面，通过通信端口和外部进行数据交互。

AT91SAM9260基于ARM926EJ-S处理器，具备8KB指令以及8KB 数据缓存。在190MHz时钟频率下运行时性能可达210MIPS。主控设备还包含了8KB SRAM以及32KB ROM，在最高处理器或总线速度下可实现单周期访问，以及外部总线接口，这些外部总线接口中包含了诸多控制器，用于控制SDRAM以及包括NAND Flash和CompactFlash在内的静态存储器。

其广泛的外围设备集可以包括USB全速主机和设备接口、10/100Base T以太网MAC、图像传感器接口、多媒体卡接口(MCI)、同步串行控制器(SSC)、USART、主/从串行外围设备接口(SPI)、一个三通道16位定时计数器(TC)、一个双线接口(TWI)以及四通道10位模数转换器。

三个32位并行输入/输出控制器可以与这些外围设备实现多路复用。AT91SAM9260拥有可实现高效系统管理的全功能系统控制器，其中包含了一个复位控制器、关机控制器、时钟管理、高级中断控制器(AIC)、调试单元(DBGU)、周期间隔定时器、看门狗定时器以及实时定时器。

主控模块上还设计有基于74LV245的总线扩展电路、液晶接口、欧式插座接口、基于R3111H421A的外部电池切换及充电电路、基于 74LVC1G32的看门狗电路、基于TPS54331的2V转5V供电电源、基于 RX-8025T的时钟电路、ESAM加密电路、基于KZ8041的以太网接口电路。

优选地，所述电源模块103，用于为整个设备提供电源，所述电源模块采用三相四线或者三相三线的交流输入，工作电源采用自适应宽电源设计，输出2路隔离的12V DC，所述电源模块可自由拆卸。优选地，所述电源模块的电源为：外接电源或蓄电池

本实用新型实施方式的终端设备的电源模块为单相LN交流65V～ 500V，双DC 12V0.4A隔离输出，一路12V给主电路供电，一路12V给通信模块组供电，并且所述电源模块具备过压、欠压、过电流、短路等多种保护功能。

优选地，所述通信模块104，通过USB接口和主控模块连接，用于通过至少一种通信方式实现用电信息的下行数据采集和上行数据传输。

优选地，其中所述通信模块包括以下一个或多个：

遥信通信模块、RS232通信模块、RS-485通信模块、GSM通信模块、 GPRS通信模块、CDMA通信模块、3G通信模块、4G通信模块、微功率无线通信模块、以太网通信模块、宽带载波通信模块、窄带载波通信模块等。

在本实用新型的实施方式中，通信模块组的位置位于底座的上方中间，底座上预置5个完全一致的插座槽，用于插装不同功能的通信模块和控制模块，通信模块组负责多种通信方式的下行数据采集和上行数据传输，可以包括但不限于遥信通信模块、RS-485通信模块、以太网模块、USB模块、备用模块、GSM、GPRS、3G、4G模块、微功率无线模块、以太网模块等。

每种模块的外观、接口可以完全一致，内部均可以设计有USB口和主控模块通信，可以设计有模块自识别电路，可自由的插装于任意位置，方便模块的升级和维护。

本实用新型实施方式的以遥信通信方式进行通信的通信模块的设计为基于74LV245的总线扩展电路、基于TLP781的遥信输入电路，4路外部事件遥信信号先通过π型滤波器电路，再通过TLP781做信号隔离，然后通过74LV245转换成总线信号传给MCU，完成外部事件的信号输入。

本实用新型实施方式的以485通信方式进行通信的通信模块具有抄表、数据上传、B码对时等多种功能，设计有基于XR21V1412的USB转串口芯片、串口通信指示灯、TLP781光耦隔离芯片、AZRS485芯片、基于TVS管、静电管、热敏电阻的保护电路。信号从MCU以USB协议形式发送到485单元板上，经XR21V1412转换成串口信号，再通过光耦隔离，通过AZRS485芯片转换成485信号和外部进行通信。

优选地，所述控制模块105，通过USB接口和主控模块连接，用于对外部负荷开关的闭合和断开情况进行控制；通过输出控制信号和输入遥控检查回路信号对外部电压回路进行检测。

优选地，其中所述控制模块可以包括：继电输出控制单元和电源通断控制单元，

所述继电输出控制单元，用于控制继电器输出；

所述电源通断控制单元，用于控制所述通信模块上的隔离电源通断。

优选地，其中所述继电输出控制单元输出多路控制信号，其中至少1 路用于控制外部电路回路的状态并通过遥控检查回路信号输入外部电压回路的状态信号。

在本实用新型的实施方式中，控制模块可以置于底座的上方中间，和通信模块组共用插座槽，外观、接口可以和通信模块完全一致，内部均可以设计有USB口和主控模块通信，可以设计有模块自识别电路，可自由的插装于任意位置，方便模块的升级和维护。

本实用新型实施方式的终端设备的控制模块具有输出控制信号、输入遥控检查回路功能，其功能可以由一块R5F100FE单片机系统来完成。 MCU和R5F100FE单片机通过串口联系，单片机输出4路控制信号，3 路控制继电器输出，1路控制通信模块组上的隔离12V电源通断。其中1 路继电器输出信号控制外部电压回路是否正常，再通过遥控检查回路信号输入外部电压回路的状态信号。从而实现遥控检查外部电压回路功能。

本实用新型的实施方式的基于模块化的集用电信息采集及负荷管理于一体的终端设备通过试用表明性能可靠，各项指标符合设计要求，取得了合格的试运行报告。

已经通过参考少量实施方式描述了本实用新型。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本实用新型以上公开的其他的实施例等同地落在本实用新型的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (10)

1.一种基于模块化的集用电信息采集及负荷管理于一体的终端设备，其特征在于，所述设备包括：底座、主控模块、电源模块、通信模块和控制模块，

所述底座的背板上设置有多个插座接口，所述底座通过插座接口分别与所述主控模块、电源模块、通信模块和控制模块相连接；

所述主控模块，用于对采集数据进行采集、记录、存储和分析；对人机交互的界面进行控制；通过通信模块和外部设备进行数据交互；

所述电源模块，用于为整个设备提供电源，所述电源模块采用三相四线或者三相三线的交流输入，工作电源采用自适应宽电源设计，输出2路隔离的12V DC，所述电源模块可自由拆卸；

所述通信模块，通过USB接口和主控模块连接，用于通过至少一种通信方式实现用电信息的下行数据采集和上行数据传输；

所述控制模块，通过USB接口和主控模块连接，用于对外部负荷开关的闭合和断开情况进行控制；通过输出控制信号和输入遥控检查回路信号对外部电压回路进行检测。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述插座接口包括：电源模块插座接口、主控模块插座接口、至少一个通信模块插座接口以及至少一个控制模块插座接口。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述底座还包括：底座外壳，所述底座外壳上设置有多个接线端子排。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述接线端子排包括：电压及电流接线端子排、通信端子排和遥信遥控端子排。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述底座背板还包括：PT电压互感器、CT电流互感器、计量子单元和USB HUB子单元；所述计量子单元用于对采集到的电压和/或电流信号进行分析处理得到电能量；所述USB HUB子单元的上行USB通道与所述主控模块相连，下行USB通道分别连接所述主控模块、电源模块、通信模块和控制模块。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述主控模块包括：显示屏、按键、指示灯、核心板和接口电路；

所述显示屏、按键、指示灯分别与所述核心板连接并设置于所述设备的人机交互界面；

所述接口电路一端与核心板相连、另一端与插座接口以及USB接口相连。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述通信模块包括以下一个或多个：

遥信通信模块、RS232通信模块、RS-485通信模块、GSM通信模块、GPRS通信模块、CDMA通信模块、3G通信模块、4G通信模块、微功率无线通信模块、以太网通信模块、宽带载波通信模块、窄带载波通信模块。

8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制模块包括：继电输出控制单元和电源通断控制单元，

所述继电输出控制单元，用于控制继电器输出；

所述电源通断控制单元，用于控制所述通信模块上的隔离电源通断。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述继电输出控制单元输出多路控制信号，其中至少1路用于控制外部电路回路的状态并通过遥控检查回路信号输入外部电压回路的状态信号。

10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电源模块的电源为：外接电源或蓄电池。