CN218213827U - 一种基于物联网的设备监控管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于物联网的设备监控管理系统，包括物联网终端、云平台服务器，所述物联网终端设置在被监控设备的供电回路上，其输出端连接云平台服务器，用于将被监控设备的运行数据通过物联网上传至云平台服务器中。本实用新型的优点在于：可以实现对于设备的有效监控，监控其运行参数和工作的开始和结果时间，数据存储在服务器中，可以随时调用查看，简单可靠且实现方便；设计的系统电路简单可靠且稳定。

Description

一种基于物联网的设备监控管理系统

技术领域

本实用新型涉及物联网监控领域，特别涉及一种基于物联网的设备监控管理系统。

背景技术

现有技术中很多设备的需要进行管理和监控，需要管理员对设备的运行状态进行监控记录，如实验室、高校等高精尖实验、科研设备的启动或企业内的高精密设备仪器等运行状态等，一般现有技术对于设备的管理监控都是采用台账手动记录其使用时间和结束时间，但是对于使用过程中的数据无法记录登记及监控，同时由于手动填写台账的方式较为麻烦，容易造成登记不及时造成的数据丢失，因此现有技术的手动台账登记方式无法适用于对于设备的监控。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于物联网的设备监控管理系统，基于物联网将设备的工作状态上传至平台服务器进行实时监控，解决了手动台账监控设备使用状态繁琐的缺陷。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：一种基于物联网的设备监控管理系统，包括物联网终端、云平台服务器，所述物联网终端设置在被监控设备的供电回路上，其输出端连接云平台服务器，用于将被监控设备的运行数据通过物联网上传至云平台服务器中。

所述物联网终端包括单片机、电压电流采集模块、通信单元，所述电压电流采集模块用于采集被监控设备工作电流数据，其输出端与单片机连接，所述单片机通过通信单元连接至云平台服务器。

所述电压电流采集模块包括计量芯片、电流采样电路和电流采样电路，所述电压采样电路、电流采样电路分别于计量芯片连接；所述电流采样电路包括电流互感器、电压转换及滤波电路，所述电流互感器用于采集被监控设备供电回路中的电流信号，其输出端于电压转换及滤波电路连接，所述电压转换及滤波电路用于将电流信号转换成电压信号并进行滤波后送入至计量芯片中；所述计量芯片的输出端于单片机连接，用于将采集的电压信号、电流信号进行AD采样转换后送入至单片机中。

所述电压转换及滤波电路包括电阻R21、R23、R26、R28以及电容C3、C6，所述电流互感器的第一输出端经串联的在一起的电阻R26、R23连接至电流互感器的第二输出端；在电阻R26和R23之间引出端子接地；在电阻R21和第二输出端之间引出端子连接至电阻R21的一端，在电阻R21的另一端引出端子IAP；在电阻R26和第一输出端之间引出端子连接至电阻R28的一端，在电阻R28的另一端引出端子IAN；端子IAP、端子IAN用于连接至单片机的输入端；端子IAP经电容C3接地；端子IAN经电容C6接地。

所述物联网终端还包括继电器及驱动模块，所述单片机的输出端与驱动模块连接，所述驱动模块与继电器连接，用于驱动继电器的断开与闭合，所述继电器串接设置在被监控设备的供电回路上，所述单片机与验证系统连接，用于在验证完成用户身份后接收验证系统的供电与断电指令。

所述验证系统包括验证服务器、身份识别模块，所述身份识别模块配置为识别用户身份信息，其输出端连接单片机，所述单片机通过通信单元连接至验证服务器，用于将识别的用户身份信息上传至验证服务器中，所述验证服务器根据身份验证结果来输出控制继电器的供电与断电指令。

所述驱动模块包括采用AL868驱动芯片，所述AL868驱动芯片的引脚A、B分别连接至单片机的控制输出端，所述AL868驱动信号的驱动控制端连接至继电器的控制端。

所述系统还包括电源模块，所述电源模块为监控管理系统各用电部件供电，所述电源模块包括变压器、整流电路、滤波电路、稳压芯片以及压敏电阻，所述变压器的初级侧连接市电，在变压器初级侧并联设置压敏电阻，所述变压器的次级侧依次经过串接的整流电路、滤波电路、稳压芯片后输出与系统用电电压相匹配的直流电。

所述单片机与EEPROM存储器连接，所述EEPROM存储器通过I2C接口与单片机连接。

本实用新型的优点在于：可以实现对于设备的有效监控，监控其运行参数和工作的开始和结果时间，数据存储在服务器中，可以随时调用查看，简单可靠且实现方便；设计的系统电路简单可靠且稳定；可以对每一次使用设备的用户进行监控，做到可追溯使用者的目的，保证了监控的数据和使用者的匹配；采用物联网上传数据，可以随时随地的访问服务器获取所需的监控信息，可以做到远程监控的目的。

附图说明

下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本实用新型的需要结构原理图；

图2为本实用新型电压电流采集模块原理示意图；

图3为本实用新型计量芯片引脚原理图；

图4为本实用新型电流采样电路原理图；

图5为本实用新型电压采样电路原理图；

图6为本实用新型继电器驱动电路原理图；

图7为存储模块原理图；

图8为电源模块原理图；

图9为电源模块电路图；

图10为LM1117芯片原理图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本实用新型主要是利用新设置的检测电路再被监控设备的供电回路上检测其供电的电参数，以此来判断被监控设备的启动状态工作状态以及工作过程中的电参数，实现了自动的监控保存，方便随时调用同时也监控人员的监控流程，效率更高；同时通过对设备启动的人员身份进行验证，保证了被监控设备的安全可靠启动。整个系统的数据依赖于物联网通信单元上传至云端服务器中，其中云端服务器被配置为可以访问其数据，则接入物联网服务器的用户可以实现远程监控和数据获取等功能，当然采集数据是本申请的重要点，因此本申请设计新的电路来实现对于电参数的采集以及设备的供电控制。在本申请提到的设备管理中的设备是指一些需要进行启动权限监控和工作过程监控的设备，如高校实验室中实验设备、科研仪器等。具体方案如下：

如图1所示，一种基于物联网的设备监控管理系统，包括物联网终端、云平台服务器，物联网终端设置在被监控设备的供电回路上，其输出端连接云平台服务器，用于将被监控设备的运行数据通过物联网上传至云平台服务器中，服务器被配置为可以访问，则被监控设备的数据就可以实现远程的获取监控，被监控设备一般为实验室仪器、科研设备等需要进行监控的成本高、高精尖的设备。

采用物联网的方式将数据上传至云平台进行监控，云平台可以通过服务器或笔记本电脑进行搭建完成数据的上传和存储，其中物联网终端包括物联网终端包括单片机、电压电流采集模块、通信单元，电压电流采集模块用于采集被监控设备工作电流数据，其输出端与单片机连接，单片机通过通信单元连接至云平台服务器。

其中单片机采用HC32L136芯片来实现，搭建单片机的最小系统使其具备完整的控制功能即可。电压电流采集模块设置在被监控设备的供电回路上，用于监控其供电的电参数，实现电参数的实时获取。通信单元采用物联网通信芯片如IOT通信芯片等，主要基于该芯片实现物联网功能将数据上传至云平台服务器中。云平台服务器主要用于采集和存储数据，如可以采用联网状态的电脑搭建成服务器用于接收和存储数据并可以进一步配置为可被访问状态。由于电压电流采集模块可以一直采集电压电流数据，则单片机就可以一直上传数据从而实现了监控的目的。

被监控设备采用市电供电，其供电回路包括有继电器及驱动模块，单片机的输出端与驱动模块连接，驱动模块与继电器连接，用于驱动继电器的断开与闭合，继电器串接设置在被监控设备的供电回路上，单片机与验证系统连接，用于在验证完成用户身份后接收验证系统的供电与断电指令。

其中验证系统包括验证服务器、身份识别模块，身份识别模块配置为识别用户身份信息，其输出端连接单片机，单片机通过通信单元连接至验证服务器，用于将识别的用户身份信息上传至验证服务器中，所述验证服务器根据身份验证结果来输出控制继电器的供电与断电指令。

被监控设备的供电回路包括继电器、机械开关和市电，市电的输出端输出交流电，其经过机械开关后送入到继电器的输入端，继电器的输出端连接被监控设备，从而实现了交流市电的供电回路，其中继电器采用交流继电器(接触器)来实现对于供电回路的通断电控制，机械开关为手动控制开关，方便用户使用时开启电源；继电器的通断电控制是由单片机通过驱动模块进行驱动控制，单片机的输出端与继电器的控制端连接，用于驱动继电器的线圈通断电，继电器的触点开关串接在机械开关和被监控设备之间，起到断开和闭合回路的作用。本申请设置的身份识别模块可以对用户的身份进行识别，根据识别结果来控制继电器的断开和闭合，其中身份识别模块用于采集用户的身份信息，其输出端连接单片机，单片机将采集的身份信息发送至验证服务器中，验证服务器主要实现对于用于身份的验证，其对上传的身份进行识别判断身份是否合法，合法是指是否为被允许开启被监控设备的人员，可以采用常见的身份比对方式在验证服务器中存储被允许使用的用户身份信息，当采集的身份信息属于预先设置的，则验证通过，验证服务器反馈通过后的指令至单片机，单片机在验证通过后驱动继电器闭合否则不控制继电器闭合。也就是说本申请可以实现被监控设备开启的身份验证并且在身份验证通过才允许被开启供电，同时开启人员的身份验证信息也可以被验证服务器进行记录等，实现了使用人员的记录且由于物联网实时获取被监控设备的电压电流参数又可以完成运行电参数的统计，实现了被监控的设备的有效全方位监控。

本申请的使用原理为：在默认情况下，继电器是断开的、机械开关也是断开的，此时被监控设备无法得电工作，属于断电状态。当用户需要开启时设备工作时，首先手动将机械开关闭合，然后通过身份识别模块进行身份识别，当身份识别完成，用于为允许使用被监控设备人员时，验证通过，单片机会驱动继电器闭合，使得市电为被监控设备供电正常，然后由于电压电流采集模块对其电参数的采集实现了工作过程中的电参数的实时监控，同时开启设备的人员身份信息也被记录，从而实现了可靠的监控。

在本申请中的身份识别模块可以采用：1、射频读卡器，通过读卡器对用户的身份卡片进行识别从而实现了对于身份识别和控制；2、手机设备以及设备二维码，手机设备扫描二维码登录验证服务器网站，在网站上注册实名认证信息后方可实现控制权限，注册完成后，当使用者信息注册完成，并通过审核，管理员可以给使用者发送一个与注册信息绑定的密钥，并对密钥的使用时间给与约束，当使用时间截止，密钥自动失效。同一台智能终端在同一时间段只能授权一次。在智能终端处于待机或关机状态，管理员可以重新分配终端的授权密钥。在终端处于接通状态，管理员不可以对终端进行重新授权，对于继电器进行手机控制，这两种方案任一可以实现即可完成本申请的目的。

如图2所示为电压电流采集模块原理示意图，电压电流采集模块包括计量芯片、电流采集电路和电压采集电路，电压采样电路、电流采样电路分别于计量芯片连接；计量芯片的输出端连接单片机，其中计量芯片采用HT7036芯片，电流采样电路通过电流互感器NCT-01S-DC，把大电流转换成小电流，以电压差分信号送入HT7036内部的电流通道，即IAP、IAN端。电压采样电路利用电阻分压的方式,把外部市电220V强电压转换成弱电压，以电压差分信号送入HT7036内部的电压通道，即VAP、VAN端，然后计量芯片把电压和电流信号进行A/D转换，最后通过SPI串口发送至单片机。

根据HT7036芯片的功能特性，采用HT7036作为电力数据采集装置计量的核心芯片。芯片在5000：1动态工作区间内，其N-e(非线性量测)误差不超过0.1％，有功功率精度为0.2S级和0.5S级，无功功率精度为2级和3级。最主要的是HT7036内部集成了6路二阶sigma-delta ADC﹑参考电压电路和数字信号处理等电路，可以完成三相三线或者三相四线模式下电压和电流有效值以及含41次谐波的有功、无功和视在功率的测量；相位角﹑线频率参数获取；电压、电流相序检测；能量脉冲输出；增益、相位，小电流非线性等各种补偿功能。其中HT7036内部的计量寄存器可以被SPI通讯接口进行访问，便于与外部单片机之间参数的高速传递。总之，以功能高精度三相电信号专用芯片HT7036作为电信号数据采集单元，可以简化电机故障诊断装置复杂的硬件系统，同时可以极大地提高主控制电路的工作效率，使用到的接口的功能说明如表4-1所示：

表4-1 HT7036的引脚功能定义

如图3所示为HT7036芯片的引脚示意图，其采用VDD电源为采样芯片HT7036供电，各外围引脚示意图按照图3所示连接完成即可。

电流采样电路包括电流互感器、电压转换及滤波电路，电流互感器用于采集被监控设备供电回路中的电流信号，其输出端于电压转换及滤波电路连接，电压转换及滤波电路用于将电流信号转换成电压信号并进行滤波后送入至计量芯片中；计量芯片的输出端于单片机连接，用于将采集的电压信号、电流信号进行AD采样转换后送入至单片机中。

由于三相电中A相电压、电流，B相和C相同理，下面仅以A相采样电路进行分析。如图4所示，电压转换及滤波电路包括电阻R21、R23、R26、R28以及电容C3、C6，电流互感器的第一输出端经串联的在一起的电阻R26、R23连接至电流互感器的第二输出端；在电阻R26和R23之间引出端子接地；在电阻R21和第二输出端之间引出端子连接至电阻R21的一端，在电阻R21的另一端引出端子IAP；在电阻R26和第一输出端之间引出端子连接至电阻R28的一端，在电阻R28的另一端引出端子IAN；端子IAP、端子IAN用于连接至单片机的输入端；端子IAP经电容C3接地；端子IAN经电容C6接地。电流采样电路设计的A﹑B﹑C相电路都相似，因此以A相电路进行分析，电路如图4-5所示。采取全差分输入电压和对称设计的方式，A相电流最先流过电流互感器NCT-01S-DC，将大电流转换成小电流，接着利用精度为±0.1％的电阻R23﹑R26把需要采集的电流信号转换成HT7036专用采样芯片要求的电压信号，最后经过电阻R21和电容C3构成无源RC滤波，并将得到的信号送入处理器芯片内进行A/D转换。

电压采样电路如图5所示，同样电压采样电路依旧以A相电路进行分析，电压采集一般可以采用电阻分压采集和电压采样电路，出于成本的考虑采用每一相6个200K电阻串联的方式进行分压采集。为了避免380V三相交流电压之间可能产生的爬电现象，在采样电阻电路之间开4mm宽的槽。同时考虑到杂波对数据采集的影响，设计1电阻和0.01F电容并联构成抗混叠滤波器。

如图6所示为继电器驱动电路原理图，驱动模块包括采用AL868驱动芯片，AL868驱动芯片的引脚A、B分别连接至单片机的控制输出端，AL868驱动信号的驱动控制端连接至继电器的控制端。继电器是供电回路中的控制开关，需要继电器来切断电机的电源。继电器驱动电路设计的A﹑B﹑C相电路都相似，因此以A相电路进行分析。本文主要采用GRT508FA磁保持继电器，其驱动采用AL868驱动芯片，其原理包括：采用AL868双向驱动继电器集成电路来控制GRT508FA的工作。A﹑B分别是输入端，连接至单片机PD05﹑PD04脚；OA﹑OB分别是输出端，控制磁保持继电器的工作。其中AL868控制继电器GRT508FA动作的逻辑功能表如表2所示。

表2逻辑功能表

单片机与EEPROM存储器连接，EEPROM存储器通过I2C接口与单片机连接。通过EEPROM对数据进行存储防止数据丢失，可以有效实现数据的上传前的保护。

存储模块设计使用的AT24C04芯片是由ATMEL公司出产的低功耗CMOS串行EEPROM，片上集成了256 8bit的存储空间，可在电源电压2.5V～5.5V的条件下工作，擦写速度高达10000多次，写入速度较快小于10ms，等待电流和额定电流分别为5uA和10mA。AT24C04作为一款掉电不丢失数据的存储设备，可利用高电压来擦除和重新编程，解决了传统存储芯片一但写入无法修改的问题。由I2C接口建立起与单片机的通信功能，当WP端连接VCC时，整个存储矩阵被完全设置成写保护模式；当WP端接地或出于悬空状态时，AT24C04内部的存储器将进行读/写操作，因而当电源被切断的情况下其内部存储的数据也能够被永久保存下来[87]。

AT24C04芯片的特点：

(1)低功率CMOS技术；

(2)硬件写保护；

(3)自定时写周期(包括自动擦除)；

(4)16个字节的页面写缓冲器；

(5)5V电源条件下，系统正常工作；

(6)1，000，000擦/写周期；

(7)8脚DIP/SOIC封装；

(8)提供很宽的温度适用范围。

如图7所示为EEPROM芯片引脚原理图，AT24C04芯片的A0﹑A1﹑A2﹑WP以及GND均为接地引脚。VCC引脚接入+5V电源。引脚SDA串联10K的上拉电阻与HC32L136相连，而引脚SDA直接与单片机HC32L136相连，它们作为模拟I2C的信号线完成对EEPROM进行读/写的操作。

系统采用电源模块进行供电，电源模块为监控管理系统各用电部件供电，电源模块包括变压器、整流电路、滤波电路、稳压芯片以及压敏电阻，变压器的初级侧连接市电，在变压器初级侧并联设置压敏电阻，所述变压器的次级侧依次经过串接的整流电路、滤波电路、稳压芯片后输出与系统用电电压相匹配的直流电。由于本申请系统供电包括5V、3.3V等不同等级的电压需求因此设计双路电压实现不同的电压输出，具体如下：统硬件电路的电源模块主要由两部分组成，分别是电源模块1和电源模块2，电源模块1主要为采样芯片HT7036单独供电；电源模块2主要为单片机HC32L136和其他大部分外设供电。这样做的好处是可以较好的避免装置发生异常时产生的网络问题。电源模块1输出9V电源为继电器供电；电源模块2输出5V供电为单片机供电，5V电源再经稳压芯片LM1117输出3.3V电源为采样芯片HT7036。

如图8所示，电源模块1和电源模块2的电源电路设计的A﹑B﹑C相电路都相似，因此以A相电路进行分析。L1﹑N1是220V市电接口，RV1是压敏电阻，它主要用于电压信号采样，为过压保护提供信号。首先将市电220V三相交流电一部分通过变压器T1和BRIDGE3构成桥式整流电路，从而输出为+9V直流电压。另一部分，经过变压器T1输出为+9V的交流电压，后经IN4007整流二极管进行整流，得到含有明显有干扰量的直流电压，之后再经过滤波电容EC4﹑C35进行滤波处理，从而提高电源电压的稳定性，滤除干扰后的电压通过三端集成稳压器78L05进行稳压处理，而后获得稳定的直流电压，直流电压再经过滤波电容EC3﹑C34进行滤波便能获得单片机HC32L136和其他大部分外设所需要的+5V电压。

如图10，由于采样芯片HT7036的AVCC引脚的输入电压为3.3V，因此选择LM1117-3.3稳压器件将5V电压转成所需3.3V电压，之后通过稳压和10μF电容进行滤波以提高瞬态响应及稳定性。

以上电路在实现上结构简单、成本低，对于实验室设备、科研设备等工作监控具有监控准确可靠，可实时监控，可监控使用者信息等优点。

显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于物联网的设备监控管理系统，其特征在于：包括物联网终端、云平台服务器，所述物联网终端设置在被监控设备的供电回路上，其输出端连接云平台服务器，用于将被监控设备的运行数据通过物联网上传至云平台服务器中；所述物联网终端包括单片机、电压电流采集模块、通信单元，所述电压电流采集模块用于采集被监控设备工作电流数据，其输出端与单片机连接，所述单片机通过通信单元连接至云平台服务器。

2.如权利要求1所述的一种基于物联网的设备监控管理系统，其特征在于：所述电压电流采集模块包括计量芯片、电压采样电路和电流采样电路，所述电压采样电路、电流采样电路分别于计量芯片连接；所述电流采样电路包括电流互感器、电压转换及滤波电路，所述电流互感器用于采集被监控设备供电回路中的电流信号，其输出端于电压转换及滤波电路连接，所述电压转换及滤波电路用于将电流信号转换成电压信号并进行滤波后送入至计量芯片中；所述计量芯片的输出端于单片机连接，用于将采集的电压信号、电流信号进行AD采样转换后送入至单片机中。

3.如权利要求2所述的一种基于物联网的设备监控管理系统，其特征在于：所述电压转换及滤波电路包括电阻R21、R23、R26、R28以及电容C3、C6，所述电流互感器的第一输出端经串联的在一起的电阻R26、R23连接至电流互感器的第二输出端；在电阻R26和R23之间引出端子接地；在电阻R21和第二输出端之间引出端子连接至电阻R21的一端，在电阻R21的另一端引出端子IAP；在电阻R26和第一输出端之间引出端子连接至电阻R28的一端，在电阻R28的另一端引出端子IAN；端子IAP、端子IAN用于连接至单片机的输入端；端子IAP经电容C3接地；端子IAN经电容C6接地。

4.如权利要求1或2所述的一种基于物联网的设备监控管理系统，其特征在于：所述物联网终端还包括继电器及驱动模块，所述单片机的输出端与驱动模块连接，所述驱动模块与继电器连接，用于驱动继电器的断开与闭合，所述继电器串接设置在被监控设备的供电回路上，所述单片机与验证系统连接，用于在验证完成用户身份后接收验证系统的供电与断电指令。

5.如权利要求4所述的一种基于物联网的设备监控管理系统，其特征在于：所述验证系统包括验证服务器、身份识别模块，所述身份识别模块配置为识别用户身份信息，其输出端连接单片机，所述单片机通过通信单元连接至验证服务器，用于将识别的用户身份信息上传至验证服务器中，所述验证服务器根据身份验证结果来输出控制继电器的供电与断电指令。

6.如权利要求4所述的一种基于物联网的设备监控管理系统，其特征在于：所述驱动模块包括采用AL868驱动芯片，所述AL868驱动芯片的引脚A、B分别连接至单片机的控制输出端，所述AL868驱动信号的驱动控制端连接至继电器的控制端。

7.如权利要求1-3任一所述的一种基于物联网的设备监控管理系统，其特征在于：所述系统还包括电源模块，所述电源模块为监控管理系统各用电部件供电，所述电源模块包括变压器、整流电路、滤波电路、稳压芯片以及压敏电阻，所述变压器的初级侧连接市电，在变压器初级侧并联设置压敏电阻，所述变压器的次级侧依次经过串接的整流电路、滤波电路、稳压芯片后输出与系统用电电压相匹配的直流电。

8.如权利要求1-3任一所述的一种基于物联网的设备监控管理系统，其特征在于：所述单片机与EEPROM存储器连接，所述EEPROM存储器通过I2C接口与单片机连接。

Images