CN211454329U

CN211454329U - 一种基于工业物联网的配电箱智能边缘终端

Info

Publication number: CN211454329U
Application number: CN202020566248.5U
Authority: CN
Inventors: 张如刚; 黄伟光
Original assignee: Jingshen Information Technology Shanghai Co ltd
Current assignee: Jingshen Information Technology Shanghai Co ltd
Priority date: 2020-04-16
Filing date: 2020-04-16
Publication date: 2020-09-08
Anticipated expiration: 2030-04-16

Abstract

本实用新型公开了一种基于工业物联网的配电箱智能边缘终端，包括CPU模块和连接到CPU模块的模拟量输入模块、数字信号输入模块、继电器输出模块、电源模块以及通讯模块；所述模拟量输入模块连接有电流采样器和温度传感器，所述电流采样器采集配电箱的系统电源的电流，所述温度传感器检测配电箱输出供电电缆的温度和配电箱环境温度；所述继电器输出模块连接到配电箱的控制断路器和控制锁；所述CPU模块通过通讯模块与远程监控系统进行数据交换。本实用新型通过电流采样器采集配电箱负载，通过温度传感器采集负载电缆和配电箱环境温度，给用电安全分析提供数据基础；通过Lora模块配合4G/5G无线模块，实现可靠的远距离无线通讯。

Description

一种基于工业物联网的配电箱智能边缘终端

技术领域

本实用新型涉及一种智能终端设备，尤其涉及一种基于工业物联网的配电箱智能边缘终端。

背景技术

施工现场离不开用电，工程设备、施工机具、现场照明、电气安装等，都需要电能的支持。随着建设工程项目的科技含量和智能化的加强，施工机械化和自动化程度的不断提高，用电场所更加广泛。但是，电能在给人类带来方便的同时，也有很强的破坏力。施工现场由于用电设备种类多、电容量大、工作环境不固定、露天作业、临时使用的特点，容易引发触电伤亡事故。同时施工工地的用电管理普遍比较混乱，配电箱的配置参数不达标、三级用电管理监管不到位、工地私拉乱接违规用电现象严重。针对这些现象，出现了智能配电箱，实现了智能开锁、远程开锁和远程断电，以及实时获取配电箱的供电状态和锁状态信息，对配电箱进行实时监管起到了一定的效果。采用智能配电箱还存在以下不足：1、无法采集配电箱的用电量，配电箱存在超负荷工作的风险；2、对配电箱负载供电电缆无监控，在负载过大时，电缆温度过高，存在安全隐患；3、智能配电箱无线通讯距离短，无法满足长距离数据传输的需求；4、需要将原配电箱改造为智能配电箱，操作繁琐，工作量大，成本高。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于工业物联网的配电箱智能边缘终端，无需对配电箱进行改造，实现配电箱负载和状态的采集并实现对配电箱的远程控制。

本实用新型为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种基于工业物联网的配电箱智能边缘终端，包括CPU模块和连接到CPU模块的模拟量输入模块、数字信号输入模块、继电器输出模块、电源模块以及通讯模块；所述模拟量输入模块连接有电流采样器和温度传感器，所述电流采样器采集配电箱的系统电源的电流，所述温度传感器检测配电箱输出供电电缆的温度和配电箱环境温度；所述继电器输出模块连接到配电箱的控制断路器和控制锁，以控制配电箱的控制断路器的通断和控制锁的开合；所述通讯模块包括Lora模块；所述CPU模块通过通讯模块与远程监控系统进行数据交换。

进一步地，所述模拟量输入模块与CPU模块间连接有AD转换模块，所述AD转换模块将模拟量输入模块输入的模拟量信号转换为数字量信号输入到CPU模块。

进一步地，所述电流采样器为电流互感器，所述电流互感器采集的电流信号通过模拟量输入模块的采样电阻调理电路和滤波电路连接到AD转换模块的AD采样芯片，所述AD采样芯片为单相电能计量芯片ATT7053BU，所述AD采样芯片通过SPI接口与CPU模块连接。

进一步地，所述温度传感器采集的温度信号通过模拟量输入模块的采样电阻调理电路和滤波电路连接到CPU模块内部的AD转换单元，所述CPU模块内部的AD转换单元设有AD单元电源输入端口，所述电源模块给CPU模块的AD单元电源输入端口提供AD采样参考电压。

进一步地，所述电源模块包括AC-DC电源转换器、降压转换器和低压差稳压器；所述AC-DC电源转换器将输入的220V交流电源转换为12V的直流电源进行12V的直流供电，同时，将得到的12V的直流电源输入到降压转换器；所述降压转换器将12V的直流电原转换为稳定的5V直流电源进行5V直流供电，同时，将得到的5V电源输入到低压差稳压器；所述低压差稳压器将5V直流电源转换为稳定的3.3V直流电源进行3.3V直流供电，同时，将得到的3.3V直流电源输入到CPU模块的AD单元电源输入端口提供AD采样参考电压。

进一步地，所述电源模块的降压转换器采用tps54231降压转换芯片，电阻R5串联电容C16后与电容C17并联，电容C17正极连接到降压转换芯片的COMP脚，电容C17负极接地，结合降压转换芯片内部斜率补偿的电流模式进行电路补偿；分压电阻R8和R6串联，电阻R8负极接地，正极连接到降压转换芯片的VSNS脚，VSNS脚的反馈电压为0.8V，选定分压电阻R8和R6电阻值，使得电阻R6正极输出电压为5V；电容C18的正极连接到降压转换芯片的SS端，负极接地，实现电源缓慢延时启动，限制浪涌电流；电容C10作为自举电容跨在降压转换芯片的BOOT脚和PH脚间；电容C4和C15并联后正极连接到+12V输入，负极接地，进行滤波，滤波后的+12V输入连接到降压转换芯片的VIN脚；分压电阻R4和R7串联后R7的负极接地，R4的正极接到滤波后的+12V输入，R7的正极连接到降压转换芯片的EN脚，实现使能；输出电容C11、C12、C13和C14并联后串联电感L2，再与整流管D4并联，D4正极连接到降压转换芯片的GND脚,D4负极连接到降压转换芯片的GND脚同时接地，D4负极连接到降压转换芯片的PH脚，使得输出电容C11、C12、C13和C14的正极得到稳定的+5V输出。

进一步地，所述通讯模块还包括蓝牙模块、4G/5G无线模块和RS-485通讯模块。

本实用新型对比现有技术有如下的有益效果：本实用新型提供的基于工业物联网的配电箱智能边缘终端，通过电流采样器实现配电箱负载的采集，通过温度传感器采集负载电缆和配电箱环境温度，并通过高精度的AD转换单元保证采集精度，采集数据准确可靠，给用电安全分析提供数据基础；设有物联网无线通讯的Lora模块配合4G/5G无线模块，即使在4G/5G网络无法覆盖的地方也能实现远距离无线通讯，更可靠；电源模块提供多种稳定的输出电源，适用范围广。

附图说明

图1为本实用新型实施例中基于工业物联网的配电箱智能边缘终端架构图；

图2为本实用新型实施例中电流互感器数据采集示意图；

图3为本实用新型实施例中温度传感器数据采集示意图；

图4为本实用新型实施例中电源模块架构图；

图5为本实用新型实施例中电源模块的降压转换电路图。

其中：

1、CPU模块；2、AD转换模块；3、模拟量输入模块；4、数字信号输入模块；5、继电器输出模块；6、RS-485通讯模块；7、4G/5G无线模块；8、Lora模块；9、蓝牙模块；10、电源模块；11、电流互感器；12、温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的描述。

图1为本实用新型实施例中基于工业物联网的配电箱智能边缘终端架构图。

请参见图1，本实用新型实施例的基于工业物联网的配电箱智能边缘终端，包括CPU模块1和连接到CPU模块1的模拟量输入模块3、数字信号输入模块4、继电器输出模块5、电源模块10以及通讯模块；所述模拟量输入模块3连接有电流采样器和温度传感器12，所述电流采样器采集配电箱的系统电源的电流，所述温度传感器12检测配电箱输出供电电缆的温度和配电箱环境温度；所述继电器输出模块5连接到配电箱的控制断路器和控制锁，以控制配电箱的控制断路器的通断和控制锁的开合；所述通讯模块包括Lora模块8；所述CPU模块1通过通讯模块与远程监控系统进行数据交换。

具体地，模拟量输入模块3与CPU模块1间连接有AD转换模块2，所述AD转换模块2将模拟量输入模块3输入的模拟量信号转换为数字量信号输入到CPU模块1。

请同时参见图2，本实用新型实施例的基于工业物联网的配电箱智能边缘终端，电流采样器为电流互感器11，所述电流互感器11采集的电流信号通过模拟量输入模块3的采样电阻调理电路和滤波电路连接到AD转换模块2的AD采样芯片，所述AD采样芯片为单相电能计量芯片ATT7053BU，所述AD采样芯片通过SPI接口与CPU模块连接。AD采样采用支持SPI接口的ATT7053B芯片；简化输入信号调理电路，提高了采样精度。

ATT7053B芯片是一款高精度、低功耗、带SPI/UART接口的单相电能计量芯片，工作电压是4.5V–5.5V。采用3路22位sigma-delta ADC，采样速率可高达31.2KHz，并且可以灵活配置；在5000:1的动态范围内功率测量精度优于0.1％，它能够测量线路电压和电流有效值，用户可以同时得到两个通道的有功功率，无功功率，支持断相防窃电，寄存器默认情况下全速运行的功耗为3mA；输入通道支持独立且灵活的增益配置，因此可外接锰铜或电流互感器作为电流采样器件；可直接输出所有测量参数，外围MCU只需要完成管理和通讯协议程序，所有参数均是内部硬件算法直接运算的结果，充分保证参数的精度和可靠性；支持可配置的sag和peak功能。

请同时参见图3，本实用新型实施例的基于工业物联网的配电箱智能边缘终端，温度传感器12采集的温度信号通过模拟量输入模块3的采样电阻调理电路和滤波电路连接到CPU模块1内部的AD转换单元，所述CPU模块1内部的AD转换单元设有AD单元电源输入端口，所述电源模块10给CPU模块1的AD单元电源输入端口提供AD采样参考电压。

请同时参见图4，本实用新型实施例的基于工业物联网的配电箱智能边缘终端，电源模块10包括AC-DC电源转换器、降压转换器和低压差稳压器；所述AC-DC电源转换器将输入的220V交流电源转换为12V的直流电源进行12V的直流供电，同时，将得到的12V的直流电源输入到降压转换器；所述降压转换器将12V的直流电原转换为稳定的5V直流电源进行5V直流供电，同时，将得到的5V电源输入到低压差稳压器；所述低压差稳压器将5V直流电源转换为稳定的3.3V直流电源进行3.3V直流供电，同时，将得到的3.3V直流电源输入到CPU模块1的AD单元电源输入端口提供AD采样参考电压。

请同时参见图5，电源模块的降压转换采用tps54231芯片。tps54231为直流非同步降压转换芯片，支持3.5V-28V宽范围输入电压，输出电压可调，最低至0.8V；支持连续输出2A电流；集成了低RDS(on)高端MOSFET。具有自动激活脉冲跳跃Eco-mode功能，能实现轻载时的效率提高。

具体地，电阻R5串联电容C16后与电容C17并联，电容C17正极连接到降压转换芯片的COMP脚，电容C17负极接地，结合降压转换芯片内部斜率补偿的电流模式进行电路补偿；利用少量的三个元器件C16、C17和R5,结合内部斜率补偿的电流模式控制，即可实现电路补偿。

电阻R8和R6串联，电阻R8负极接地，正极连接到降压转换芯片的VSNS脚，VSNS脚的反馈电压为0.8V，选定分压电阻R8和R6电阻值，使得电阻R6正极输出电压为5V；分压电阻R8电阻值为10K，R6电阻值为1.87K，精度要求在1％,根据反馈电压0.8V，计算得出5V输出电压。

电容C18的正极连接到降压转换芯片的SS端，负极接地，C18选用15nf，实现电源缓慢延时启动，限制浪涌电流。

电容C10作为自举电容跨在降压转换芯片的BOOT脚和PH脚间，实现电压自举。

输入电容C4和C15并联后正极连接到+12V输入，负极接地进行滤波，滤波后的+12V输入连接到降压转换芯片的VIN脚；分压电阻R4和R7串联后R7的负极接地，R4的正极接到滤波后的+12V输入，R7的正极连接到降压转换芯片的EN脚，实现使能。

输出电容C11、C12、C13和C14并联后串联电感L2，再与整流管D4并联，D4正极连接到降压转换芯片的GND脚,D4负极连接到降压转换芯片的GND脚同时接地，D4负极连接到降压转换芯片的PH脚，使得输出电容C11、C12、C13和C14的正极得到稳定的+5V输出。整流管D4选用B340A芯片拥有40V反向电压,正向额定电流3A,正向压降0.5V，满足最大额定应用设计要求。

具体地，数字信号输入模块4连接有控制锁状态监测传感器和配电箱门状态监测传感器。所述CPU模块1将获得的配电箱状态信息通过通讯模块发送到远程监控系统，所述配电箱状态信息包括配电箱的系统电源的电流、配电箱输出供电电缆的温度以及控制锁状态和配电箱门状态，所述远程监控系统将对控制断路器和控制锁的命令发送到CPU模块1，由CPU模块1通过继电器输出模块5控制控制断路器的通断和控制锁的开合。

优选地，通讯模块还包括蓝牙模块9、4G/5G无线模块7和RS-485通讯模块6。联网无线通讯的Lora模块8配合4G/5G无线模块7，使得即使在4G/5G网络无法覆盖的地方也能实现远距离无线通讯。蓝牙模块9和RS-485通讯模块6实现配电箱维护的无线和有线通信，通讯方式多样，适用范围广。

Lora模块为基于LPWAN的远距离无线电(Long Range Radio)通信模块，支持LORAWAN标准协议，串口数据透传双向通讯，主要应用在智能抄表、智慧路灯、智慧农业、智能停车、智能安防等领域。Lora技术具有远距离、低功耗、多节点、低成本的特性基于LoraWAN的网络能够提供安全的数据传输距离远的双向通信，并且用最少的网络基础设施覆盖城市区域，Lora技术在智慧农业、智慧建筑、智慧物流等多种应用场景中都将得到广泛应用。Lora是一种无线调制的方式，对比传统调制技术，在抑制同频干扰方面优势比较明显，解决了传统设计方案无法同时兼顾距离、抗扰和功耗的不足。另外Lora模块集成了+20dBm的可调功率放大器，并可获得超过-148dBm的接收灵敏度，应用于远距离传输且对可靠性要求高的场合中。

综上所述，本实用新型实施例的基于工业物联网的配电箱智能边缘终端，通过电流采样器实现配电箱负载的采集，通过温度传感器12采集负载电缆和配电箱环境温度，并通过高精度的AD转换单元保证采集精度，采集数据准确可靠，给用电安全分析提供数据基础；设有物联网无线通讯的Lora模块8配合4G/5G无线模块7，即使在4G/5G网络无法覆盖的地方也能实现远距离无线通讯，更可靠；电源模块10提供多种稳定的输出电源，适用范围广。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本实用新型的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims

1.一种基于工业物联网的配电箱智能边缘终端，其特征在于，包括CPU模块和连接到CPU模块的模拟量输入模块、数字信号输入模块、继电器输出模块、电源模块以及通讯模块；所述模拟量输入模块连接有电流采样器和温度传感器，所述电流采样器采集配电箱的系统电源的电流，所述温度传感器检测配电箱输出供电电缆的温度和配电箱环境温度；所述继电器输出模块连接到配电箱的控制断路器和控制锁，以控制配电箱的控制断路器的通断和控制锁的开合；所述通讯模块包括Lora模块；所述CPU模块通过通讯模块与远程监控系统进行数据交换。

2.如权利要求1所述的基于工业物联网的配电箱智能边缘终端，其特征在于，所述模拟量输入模块与CPU模块间连接有AD转换模块，所述AD转换模块将模拟量输入模块输入的模拟量信号转换为数字量信号输入到CPU模块。

3.如权利要求2所述的基于工业物联网的配电箱智能边缘终端，其特征在于，所述电流采样器为电流互感器，所述电流互感器采集的电流信号通过模拟量输入模块的采样电阻调理电路和滤波电路连接到AD转换模块的AD采样芯片，所述AD采样芯片为单相电能计量芯片ATT7053BU，所述AD采样芯片通过SPI接口与CPU模块连接。

4.如权利要求2所述的基于工业物联网的配电箱智能边缘终端，其特征在于，所述温度传感器采集的温度信号通过模拟量输入模块的采样电阻调理电路和滤波电路连接到CPU模块内部的AD转换单元，所述CPU模块内部的AD转换单元设有AD单元电源输入端口，所述电源模块给CPU模块的AD单元电源输入端口提供AD采样参考电压。

5.如权利要求1所述的基于工业物联网的配电箱智能边缘终端，其特征在于，所述电源模块包括AC-DC电源转换器、降压转换器和低压差稳压器；所述AC-DC电源转换器将输入的220V交流电源转换为12V的直流电源进行12V的直流供电，同时，将得到的12V的直流电源输入到降压转换器；所述降压转换器将12V的直流电原转换为稳定的5V直流电源进行5V直流供电，同时，将得到的5V电源输入到低压差稳压器；所述低压差稳压器将5V直流电源转换为稳定的3.3V直流电源进行3.3V直流供电，同时，将得到的3.3V直流电源输入到CPU模块的AD单元电源输入端口提供AD采样参考电压。

6.如权利要求5所述的基于工业物联网的配电箱智能边缘终端，其特征在于，所述电源模块的降压转换器采用tps54231降压转换芯片，电阻R5串联电容C16后与电容C17并联，电容C17正极连接到降压转换芯片的COMP脚，电容C17负极接地，结合降压转换芯片内部斜率补偿的电流模式进行电路补偿；分压电阻R8和R6串联，电阻R8负极接地，正极连接到降压转换芯片的VSNS脚，VSNS脚的反馈电压为0.8V，选定分压电阻R8和R6电阻值，使得电阻R6正极输出电压为5V；电容C18的正极连接到降压转换芯片的SS端，负极接地，实现电源缓慢延时启动，限制浪涌电流；电容C10作为自举电容跨在降压转换芯片的BOOT脚和PH脚间；电容C4和C15并联后正极连接到+12V输入，负极接地，进行滤波，滤波后的+12V输入连接到降压转换芯片的VIN脚；分压电阻R4和R7串联后R7的负极接地，R4的正极接到滤波后的+12V输入，R7的正极连接到降压转换芯片的EN脚，实现使能；输出电容C11、C12、C13和C14并联后串联电感L2，再与整流管D4并联，D4正极连接到降压转换芯片的GND脚,D4负极连接到降压转换芯片的GND脚同时接地，D4负极连接到降压转换芯片的PH脚，使得输出电容C11、C12、C13和C14的正极得到稳定的+5V输出。

7.如权利要求1所述的基于工业物联网的配电箱智能边缘终端，其特征在于，所述通讯模块还包括蓝牙模块、4G/5G无线模块和RS-485通讯模块。