CN211047074U - 一种sf6断路器在线监控装置的图像采集系统硬件电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种sf6断路器在线监控装置的图像采集系统硬件电路，属于断路器技术领域。本实用新型包括图像采集模块、图像处理模块、辅助功能模块、存储模块、电源模块、无线通讯传输模块；图像采集模块、辅助功能模块均与图像处理模块连接，图像处理模块与存储模块连接，无线通讯传输模块再与外接上位机无线连接；电源模块用于供电；辅助功能模块包括CMOS传感器、闪光灯控制电路以及MSP430单片机。本实用新型采集图像效果好、采集速度快、数据处理效果好、存储图片信息便携性好，安全性能高、数据传输速度快、整个系统可靠性高、稳定性好。

Description

一种sf6断路器在线监控装置的图像采集系统硬件电路

技术领域

本实用新型涉及一种sf6断路器在线监控装置的图像采集系统硬件电路，属于断路器技术领域。

背景技术

随着科学技术的进步和经济水平的提高，人们对电力系统调控运行的可靠性、安全性和节能性的需求不断提高，使得大集控管理模式成为变电站管理模式的主导。传统定期检修方式需采用预防性试验，并定期停电检修，这样不仅影响生产，造成检修人力和物力的浪费，而且无法实时监测设备的异常情况。基于采集终端和先进传感器的在线检修模式可以很好的解决上述问题，必将成为当代电力系统十分重视并努力推广的检修模式。

SF6气体具有绝缘和灭弧的优良特性，使得SF6断路器作为重要电气设备被广泛应用于电力系统中。SF6气体泄漏是设备使用过程中常见的缺陷之一，其监测工作非常重要。目前国内SF6气体泄漏在线监测系统通常监测SF6气体的压力和温度，然后将其转换为气体密度，进而反映SF6气体的泄漏情况。这种方法会造成气体泄漏情况反映不及时，极易引发安全事故。而站内工作人员采用手持式SF6气体探测仪定位泄漏源的方法，工作量大且耗时长，测量还需考虑线长的约束。

SF6气体泄漏光学成像在线监测技术是研究热点。采用CO2激光摄像仪对SF6气体设备进行高速连拍，将采集到的图像利用图像灰度化、三帧差分法、阈值分割法、图像形态学等图像目标检测技术进行处理，利用Kalman滤波和Blob几何面积提取，实现SF6气体泄漏源的定位、泄漏轨迹的实时跟踪以及量化气体的泄漏程度。图像处理结果通过WiFi无线通讯技术发送到监测室的上位机，通过LabVIEW呈现出来，使现场工作人员能直观的观察到气体绝缘设备的气密状态，并精确找到气体泄漏的故障源，及时进行跟踪维修和缺陷报损等。

图像采集终端是SF6气体泄漏光学成像在线监测技术的核心部件。本实用新型设计了一种SF6断路器在线监控装置的图像采集系统硬件电路。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：本实用新型提供一种sf6断路器在线监控装置的图像采集系统硬件电路，采集图像效果好、采集速度快、存储图片信息便携性好，安全性能高、数据传输速度快、整个系统可靠性高、稳定性好。

本实用新型技术方案是：一种sf6断路器在线监控装置的图像采集系统硬件电路，包括图像采集模块、图像处理模块、辅助功能模块、存储模块、电源模块、无线通讯传输模块；

所述图像采集模块、辅助功能模块均与图像处理模块连接，图像采集模块、 图像处理模块与存储模块连接，无线通讯传输模块再与外接上位机无线连接；所述电源模块用于供电；

所述辅助功能模块包括CMOS传感器、闪光灯控制电路以及MSP430单片机；

所述CMOS传感器用于采集设备整体图片并传输至图像处理芯片OV780；

所述MSP430单片机与激光位移传感器和陀螺仪角度传感器连接；

所述闪光灯控制电路与图像处理模块连接。

进一步地，所述图像采集模块采用OV7740图像传感器；所述图像处理模块采用OV780图像处理芯片。

进一步地，所述闪光灯控制电路用于控制常亮补光或闪光双切补光灯组，当捕捉图像分辨率低于最低像素点PPI时，为所述图像采集系统捕捉实时图像提供辅助照明作用。

进一步地，所述存储模块采用存储器SD卡。

进一步地，所述电源模块采用5V的锂电池供电，经过AMS1117芯片转换成3V用于供电。

进一步地，所述无线通讯传输模块采用WiFi传输模块88W8686。

本实用新型的有益效果是：

1、采集图像，通过图像处理模块识别是否泄漏，并控制激光位移传感器和陀螺仪角度传感器实现图像采集模块的局部拍摄，并把图像传给图像处理模块进行处理及存储模块进行存储并通过无线传输模块发送给后台上位机；

1、本实用新型采集图像效果好、采集速度快、数据处理效果好、存储图片信息便携性好，安全性能高、数据传输速度快、整个系统可靠性高、稳定性好。

附图说明

图1是本实用新型硬件结构框图；

图2是本实用新型摄像头模块电路原理图；

图3是本实用新型MSP430F5438芯片及外围电路原理图；

图4是本实用新型SD卡电路原理图；

图5是本实用新型电源模块电路图；

图6为本实用新型太阳能充电锂电池电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步说明。

实施例1：如图1-6所示，一种sf6断路器在线监控装置的图像采集系统硬件电路，包括图像采集模块、图像处理模块、辅助功能模块、存储模块、电源模块、无线通讯传输模块；

所述图像采集模块、辅助功能模块均与图像处理模块连接， 图像采集模块、图像处理模块与存储模块连接，无线通讯传输模块再与外接上位机无线连接；所述电源模块用于供电；

所述辅助功能模块包括CMOS传感器、闪光灯控制电路以及MSP430单片机；

所述CMOS传感器用于采集设备整体图片并传输至图像处理芯片OV780；

所述MSP430单片机与激光位移传感器和陀螺仪角度传感器连接；所述闪光灯控制电路与图像处理模块连接。

具体的，通过SPI接口连接实现激光位移传感器和陀螺角度传感器的控制，MSP430微处理器是TI公司生产的一种具有100个封装引脚的混合信号处理器（MixedSignalProcessor），芯片内部集成了一些常用微处理器、模拟电路、数字电路，具有超低运行能耗、内存空间较大、外围功能模块功耗非常小、性能稳定等特点，减少了控制器的数量，节约了系统成本。低功耗的MSP430F5438型单片机在嵌入式系统领域内应用十分广泛，其主要特点为：

（1）内含18/25MHZ的运行频率，可提高采集速度。

（2）可在超低电源电压下工作，数据处理能力强大，具有16通道12位ADC可以实现模拟数据的多路采集。

（3）具有UART、SPI、I²C多种接口，可根据需要与其他功能模块进行通讯。

（4）具有丰富的外围模块，如3个内部DMA通道、超低功耗低频时钟、5μs的快速休眠唤醒、16位通用定时器、超低休眠功耗等。

（5）具有256KB的FLASH，方便运行过程中数据的存储，微处理器本身内部集成JTAG模块，硬件扩展能力强，只需经过芯片外部的接口就能实现单片机的仿真调试和下载功能。JTAG的引脚功能如表1所示。

MSP430F5438及外围电路连接如图3所示。

表1JTAG引脚功能

Tab.1JIAG’spinfunctions

进一步地，所述图像采集模块的摄像头采用了美国豪威科技公司(OmniVision)研发的OV7740图像传感器。OV7740是一款高性能的VGACMOS图像传感器件，像素为30万，可根据用途提供全幅画面为20f/s、RGB图像的格式输出，体积小、集成度高、工作电压低，对于图片采集的控制主要通过引脚SIO_D和SIO_C两个。SIO_D和SIO_C是SCCB(SerialCameraControlBus)串行相机控制总线接口，所以主芯片只需提供I²R总线控制即可。OV7740图像传感器还具备自动调整图像的曝光补光，去除不良因素导致采集后形成的坏点，抑制噪声，调节图像对比度、亮度、伽马等图像预处理的功能。

摄像头配有LED闪光灯，光线强度不太理想时为系统捕捉实时图像提供辅助照明作用。LED灯包括GND、LED_EN、3V3三个引脚，只需将LED_EN与OV780芯片上的SPI接口连接，就可以实现LED灯的控制。摄像头模块如图2所示；

进一步地，所述图像处理模块采用了美国豪威科技公司(OmniVision)研发的OV780图像信号处理芯片，做为图像采集系统架构中对图像信号处理的核心。使用OV780芯片完成对CMOS传感器中数字信号的处理，对系统中WiFi通讯模块的委托管理，以及按照其系统设计的码流格式封包采集到的MJPEG图片数据。OV780芯片是OmniVision公司研制的一种音视频数据高集成度的处理器。它可以利用本身具备的200万像素点的摄像头对被测对象进行图像采集拍照，也可以利用本身具备的编解码组件对30f/s分辨率的VGA视频进行编解码。处理器的内核具有两个低功耗高性能108M主频的CPU芯片，后接端面板上具有充足的8bitRGB摄像头端接口，可进行多向可扩展。处理器内部还集成了多通道大容量的RAM和E²PROM。多通道大容量的RAM为处理器处理错综复杂的数据提供了坚实的保障，E²PROM作为电可擦可编程只读存储器，可以在掉电的情况下保证数据不丢失，E²PROM可更好的为数据处理保驾护航；

进一步地，所述闪光灯控制电路用于控制常亮补光或闪光双切补光灯组，当捕捉图像分辨率低于最低像素点PPI时，为所述图像采集系统捕捉实时图像提供辅助照明作用。

进一步地，所述存储模块采用存储器SD卡。

采集到的数据一方面经过无线传输模块发送到后台显示，一方面进行本地存储。图像采集终端（图像采集模块）需要实时不间断采集图像数据，当系统长时间采用乒乓操作与循环队列操作，边拍摄边保存，会造成历史数据的大量累积，而仅在系统原来空间进行存储是不够的，还需要单独设立存储模块用来存储大量的采集数据和系统参数。本系统需采用存储容量大、运行稳定、安全性强、价格低廉和移动灵活性高的数据存储载体。外接存储器SD卡(SecureDigitalMemoryCard)是一种半导体快闪记忆设备，具有较大存储容量，便于实时存储图片信息，可作为重要的历史数据以供后期参考；具有极大的移动灵活性，可随时拆卸，便携性较好；具有较强的安全性，可保证数据的可靠、快速传输。

SD卡对外提供了三种通讯方式：SPI模式、1位SD模式、4位SD模式，在模块进行初始操作时可设置SD卡通讯方式。SD卡模式可实现数据的快速传输，但是其传输协议比较复杂，SD卡的SPI通讯设计简单，操作方便。综上所述，系统采用SPI通讯方式。通讯方式的差异，可导致针脚的定义不同，本系统采用的SPI通讯模式中针脚的作用如表2所示。

表2SPI通讯模式中针脚作用

Tab.2PinactioninSPIcommunicationmode

SPI方式下通过CS、CLK、DataIn、DataOut针脚进行数据传输，其硬件电路原图如图4所示。

进一步地，所述电源模块采用5V的锂电池供电，经过AMS1117芯片转换成3V用于供电。

具体的，电源是系统中必不可少的组成部分，其质量的好坏直接决定着整个系统工作的可靠性和稳定性。系统中主要的芯片需要3V的电源供应，所以本电源模块采用5V的锂电池供电，经过AMS1117芯片转换成3V，3V给系统中各芯片供电。ASM1117芯片是一款降压型芯片，其电路原理图如图5所示。

备用电池在保持系统可靠运行中起着举足轻重的作用，即使在断电的情况下也能使系统有足够长的续航能力。系统选择可充电的锂电池作为备用电池，利用太阳能对锂电池充电，可将太阳能转化成电能，存储在锂电池中，从而减少系统运行成本，促进国家节能减排活动的发展。由于系统工作电压为3V，设计选用了6V电压输出的锂电池和12V的太阳能电池。系统采用的太阳能充电锂电池，其电路原理图如6所示。

进一步地，所述无线通讯传输模块采用WiFi传输模块88W8686。

传统的有线设备受线缆长度的局限，不方便为调试用户所用，因此本实用新型采用无线远程通讯技术。利用无线WiFi传输方式作为信息传输中枢的一种通讯载体，用于调配信息的传送。采用WiFi无线传输方式，可以有效避免复杂的现场线缆布线及后期工程的维护，大大降低了线缆消耗成本和维护成本。

系统采用美国Marvell公司研发的WiFi智能收发芯片：88W8686，其用于物联网领域的低功耗、安全多模无线SoC模块组，并兼容提供SDIO、SPI等高速接口，在监测系统中承上启下，接收或发送系统由后台上位机调配控制的所有指令。模块由双频信号切换传感器、信号放大器、以及数据防丢校验芯片组、WAPI/WEP/WPA/WPA2安全协议加密处理器等组成。双频信号切换传感器具有抗互扰，抗串频，抗丢包等优势。当信号强度大于系统指定强度（db）时，启动无线双频切换工作模式，信号围绕信道自由穿梭，信号强度传感器会自主选择不拥挤的信道工作。当信号强度小于系统指定强度（db）时，利用先进的代光纤高速传输，即WiFi电力猫模式，利用摄像机自身供给电源线作为载体，放置节点中继放大器将信号扩展到最大化，保证数据稳定的传送及接收。

WiFi传输模块88W8686遵循802.11a/b/g协议，集成了嵌入式Feroceon处理器、WLANMAC、802.11bDSSS和802.11a/gOFDM的基带处理部分、独立的2通道DMA、主机接口，能在5GHz和2.4GHz频段下工作。

本实用新型的整体工作原理是：

如图1所示为是本实用新型硬件结构框图，其中，含CMOS OV7740芯片的CO2激光摄像仪中包含了CMOS传感器、OV7740图像传感器；寄存器RAM储存配置即上述描述的存储模块；其中的上位机控制模块为外接配合本实用新型使用的，其能通过WiFi平台远程控制采集撞断，实时监测SF6断路器的运行状态；

采集终端（图像处理模块）以OV780作为图像ISP及数据发送处理核心，以CMOS传感器、闪光灯控制电路以及MSP430单片机等为辅助功能模块。CMOS传感器将采集到的设备整体图片传输至图像处理芯片OV780，OV780有很强的运算能力，通过对获取的图片信息进行分析处理，能够判定设备是否发生气体泄漏，其中判定的方式为本领域技术人员常规的技术手段，例如采用本实用新型背景技术中提到的方式。

当判定设备有泄漏时，通过I²C相连的低功耗的辅助控制MSP430系列芯片，控制激光位移传感器和陀螺仪角度传感器，从而实现设备泄漏处的局部拍摄，拍摄到的气体泄漏图像传输至OV780芯片进行图像的处理，处理的结果存储外置SD中，利用乒乓操作和循环队列的思想，边拍摄边保存，从而降低丢包率，提高图片的质量和数据传输速率。

将数据处理结果利用88W8686WiFi模块传输到后台上位机，实现数据的显示，作为本实用新型的配合使用结构，后台控制中心也可以通过WiFi平台远程控制采集撞断，实时监测SF6断路器的运行状态。系统采用5.5V的锂电池通过电源模块转换成供内部芯片使用的3V电源，还配置了可充电锂电池备用电源模块，通过12V的太阳能电池转化成6V，为系统各个芯片供电。装置附加了常亮补光或闪光双切补光灯组，当捕捉图像分辨率低于系统设定最低像素点PPI时，为系统捕捉实时图像提供辅助照明作用。

上面结合附图对本实用新型的具体实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种sf6断路器在线监控装置的图像采集系统硬件电路，其特征在于：包括图像采集模块、图像处理模块、辅助功能模块、存储模块、电源模块、无线通讯传输模块；

所述图像采集模块、辅助功能模块均与图像处理模块连接， 图像采集模块、图像处理模块与存储模块连接，无线通讯传输模块再与外接上位机无线连接；所述电源模块用于供电；

所述辅助功能模块包括CMOS传感器、闪光灯控制电路以及MSP430单片机；

所述CMOS传感器用于采集设备整体图片并传输至图像处理芯片OV780；

所述MSP430单片机与激光位移传感器和陀螺仪角度传感器连接；

所述闪光灯控制电路与图像处理模块连接。

2.根据权利要求1所述的sf6断路器在线监控装置的图像采集系统硬件电路，其特征在于：所述图像采集模块采用OV7740图像传感器；所述图像处理模块采用OV780图像处理芯片。

3.根据权利要求1所述的sf6断路器在线监控装置的图像采集系统硬件电路，其特征在于：所述闪光灯控制电路用于控制常亮补光或闪光双切补光灯组，当捕捉图像分辨率低于最低像素点PPI时，为所述图像采集系统捕捉实时图像提供辅助照明作用。

4.根据权利要求1所述的sf6断路器在线监控装置的图像采集系统硬件电路，其特征在于：所述存储模块采用存储器SD卡。

5.根据权利要求1所述的sf6断路器在线监控装置的图像采集系统硬件电路，其特征在于：所述电源模块采用5V的锂电池供电，经过AMS1117芯片转换成3V用于供电。

6.根据权利要求1所述的sf6断路器在线监控装置的图像采集系统硬件电路，其特征在于：所述无线通讯传输模块采用WiFi传输模块88W8686。

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