CN219119322U - 一种基于无线的低功耗电缆井综合监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于无线的低功耗电缆井综合监测装置，包括无线数据采集终端和无线传感器，无线数据采集终端上行通过NB‑IOT窄带物联网无线通讯单元与远端服务器连接，下行通过RFID射频技术或ZigBee无线通讯单元与无线传感器连接；无线数据采集终端上还连接有电源，电源包括太阳能电源、CT取电电源和电池电源，无线数据采集终端包括主控MCU，主控MCU上连接有电源及电压转换单元、电源控制单元、RFID射频技术或ZigBee无线通讯单元、时钟单元、数据存储单元、NB‑IOT窄带物联网无线通讯单元和调试串口。本实用新型能够有效减少设备受电磁干扰和骚扰。

Description

一种基于无线的低功耗电缆井综合监测装置

技术领域

本实用新型涉及一种电缆井综合检测装置，特别是涉及一种基于无线的低功耗电缆井综合监测装置。

背景技术

随着电力建设的高速发展，地下电力电缆隧道及电缆沟的建设数量越来越多，形成庞大的地下输电网络。在电力电缆长期运行期间，尤其是高负荷运行期间，极易发生温升过高引起灼烧，甚至起火烧毁，特别是电缆中间接头更容易因运行故障造成接头内部温度过高，从而发生电缆事故。因此需要不断加强对地下电缆及运行环境的监测，提高设备运行环境水平。当监测到电缆本体及环境状况异常时，能够及时预警。保证电缆能够正常运行。

一般是在电缆工井内设置各种传感器，用来实时监控电缆工井内的电缆本地及环境工况信息，包括井内积水水位、有害气体含量、环境温湿度、电缆井盖状态等，更重要的是能够对每回路电缆接头的本体温度进行监测，使得地下电缆井电缆接头温度在可控的安全状态下稳定运行，另外还能够实时监测电缆接头的护层接地电流，对电缆的健康运行起到一定的监护作用。当监测到电力电缆运行及环境异常时，能够及时报警，使故障隐患能够得到及时处理。

在地下电力电缆隧道及电缆沟内，各传感器之间、各传感器与数据采集终端之间以及数据采集终端与远端服务器之间的传输一般用到4G或5G网络，但普通的4G或5G网络传输网只是网络传输速度得到了很大的提升，方便地下电力电缆隧道及电缆沟内信息的传递，但是在功耗方面没有实现低功耗的设计。

且考虑到地下电缆沟道内一般都没有外部供电电源可用，监测装置需要采用大容量电池供电或CT取电，所以设计方案要求一定要低功耗设计，需要采取一些功耗控制方式降低设备的耗电量，从而延长设备使用寿命。另外电缆井内环境复杂，存在潮湿、积水、易燃易爆气体及电磁干扰等缺点。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种低功耗、抗干扰的基于无线的低功耗电缆井综合监测装置。

本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案是：

一种基于无线的低功耗电缆井综合监测装置，包括无线数据采集终端和无线传感器，所述无线数据采集终端上行通过NB-IOT窄带物联网无线通讯单元与远端服务器连接，下行通过RFID射频技术或ZigBee无线通讯单元与所述无线传感器连接；所述无线数据采集终端上还连接有电源，所述电源包括太阳能电源、CT取电电源和电池电源。

所述无线数据采集终端包括主控MCU，所述主控MCU上连接有电源及电压转换单元、电源控制单元、RFID射频技术或ZigBee无线通讯单元、时钟单元、数据存储单元、NB-IOT窄带物联网无线通讯单元和调试串口，所述主控MCU通过所述电源控制单元一路控制NB-IOT窄带物联网无线通讯单元的电源的通断、一路控制所述数据存储单元及所述RFID射频技术或ZigBee无线通讯单元的电源的通断。

所述NB-IOT窄带物联网无线通讯单元包括NB-IoT通讯模块、NB-IOT通讯模块的运行指示电路、SIM卡电路、天线电路以及复位控制电路。

所述无线传感器包括用于电缆护层电流监测的低功耗接地环流传感器、用于电缆接头温度监测的无线温度传感器、用于积水水位监测的无线水位传感器、用于有害气体含量检测的无线四合一气体检测传感器、用于环境温湿度监测的无线温湿度传感器和用于井盖状态监测的井盖位移传感器。

所有所述无线传感器均采用隔爆型传感器，所述无线传感器的设备外壳采用铝合金或不锈钢密封制作而成，防护等级不小于IP65，所述无线传感器的出线口采用压制防水接头，在安装时，所述无线传感器的设备外壳接地设置。

本实用新型的积极有益效果是：

1、本实用新型实现了对电缆工井的多数据综合监测，能够实时了解电缆井内电缆运行状态及环境情况，防止电缆井盖被非法打开，并有效解决了恶劣环境内设备供电和稳定通讯问题，实现电缆运行中危机因素的捕捉，对保障电缆通道安全运行具有积极的意义。

2、本装置中的无线传感器均采用隔爆型传感器，无线传感器的设备外壳采用铝合金或不锈钢密封制作而成，防护等级不小于IP65，出线口采用压制防水接头，有效杜绝水汽的侵入；而且设备在安装时，金属外壳可靠接地，有效减少设备受电磁干扰和骚扰，为系统的安全稳定运行提供技术保障。

3、本装置中上行通讯采用NB-IoT窄带物联网进行通讯，传输时只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级，NB-IoT支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWA)；NB-IoT设备电池寿命可以提高至至少5年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖，所以使用NB-IoT通讯技术实现对电缆井的综合监测，有利于降低功耗，简化现场施工量，降低成本，而且NB-IoT的穿透力比较强，在电缆井内部署，也能够保证可靠的上行通讯；另外装置的下行的通讯方式采用低功耗的微功率无线组网技术，比如RFID射频技术、ZigBee以及433MHz-470MHz的低功耗通讯技术，达到低功耗的作用。

4、本装置中采用电源部分采用太阳能电源、CT取电电源和电池电源组合供电，对于小功率、低功耗的设备采用自备电池供电，对于功率稍大的设备采用CT取电及太阳能供电相结合的方式，有效的解决了现场恶劣环境内无可用电源及设备长期可靠无故障及通讯稳定等问题。

附图说明

图1是本实用新型的结构连接框图1；

图2是本实用新型的结构连接框图2；

图3是本实用新型中主控MCU电路原理图；

图4是本实用新型中上行NB-IoT无线通讯单元电路原理图；

图5是本实用新型中调试串口电路原理图；

图6是本实用新型中下行RFID射频或ZigBee通信电路原理图；

图7是本实用新型中数据存储单元电路原理图；

图8是本实用新型中电源通断控制单元电路原理图；

图9是本实用新型中电池及电压转换单元电路原理图；

图10是本实用新型中时钟单元电路原理图。

具体实施方式

下面将参照附图1-图10更详细地描述本实用新型的实施例。虽然附图中显示了本实用新型的某些实施例，然而应当理解的是，本实用新型可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本实用新型。应当理解的是，本实用新型的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本实用新型的保护范围。

本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。

本实用新型实施方式中的多个装置之间所交互的消息或者信息的名称仅用于说明性的目的，而并不是用于对这些消息或信息的范围进行限制。

实施例：一种基于无线的低功耗电缆井综合监测装置，包括无线数据采集终端和无线传感器，无线数据采集终端上行通过NB-IOT窄带物联网无线通讯单元与远端服务器连接，下行通过RFID射频技术或ZigBee无线通讯单元与无线传感器连接。

无线传感器包括用于电缆护层电流监测的低功耗接地环流传感器、用于电缆接头温度监测的无线温度传感器、用于积水水位监测的无线水位传感器、用于有害气体含量检测的无线四合一气体检测传感器、用于环境温湿度监测的无线温湿度传感器和用于井盖状态监测的井盖位移传感器，利用各个无线传感器实现对电缆井的综合监控和管理，时刻监测每个电缆井内电缆本地运行状况，并预先判断故障发展趋势，保证电力电缆的安全运行。

所有无线传感器均采用隔爆型传感器，无线传感器的设备外壳采用铝合金或不锈钢密封制作而成，防护等级不小于IP65，关键的出线口采用压制防水接头，有效杜绝水汽的侵入；而且设备在安装时，金属外壳可靠接地，有效减少设备受电磁干扰和骚扰，为系统的安全稳定运行提供技术保障。

NB-IoT在运行的时候，消耗大约只有180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级；NB-IoT支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWA)；NB-IoT设备电池寿命可以提高至至少5年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖，所以使用NB-IoT通讯技术实现对电缆井的综合监测，有利于降低功耗，简化现场施工量，降低成本，而且NB-IoT的穿透力比较强，在电缆井内部署，也能够保证可靠的上行通讯。

RFID射频技术或ZigBee无线通讯技术采用的均是低功耗的微功率无线组网技术。

无线数据采集终端上还连接有电源，电源包括太阳能电源、CT取电电源和电池电源；对于小功率、低功耗的设备采用自备电池供电，对于功率稍大的设备采用CT取电及太阳能供电相结合的方式，有效的解决了现场恶劣环境内无可用电源及设备长期可靠无故障及通讯稳定等问题。

无线数据采集终端包括主控MCU，主控MCU上连接有电源及电压转换单元、电源控制单元、RFID射频技术或ZigBee无线通讯单元、时钟单元、数据存储单元、NB-IOT窄带物联网无线通讯单元和调试串口，主控MCU通过电源控制单元一路控制NB-IOT窄带物联网无线通讯单元的电源的通断、一路控制数据存储单元及RFID射频技术或ZigBee无线通讯单元的电源的通断。

主控MCU采用低功耗的MCU，采用定时休眠的方式，进行低功耗的处理，如意法半导体(ST)的ARM芯片SMT32L151，通过MCU控制NB-IOT通讯模块上电和建立连接的流程，实现数据的通讯。

时钟单元电路主要是采用爱普生公司的低功耗实时时钟芯片RX-8025SA和备用纽扣电池CR2032，以及2个防反向肖特基二级管1N5819组成。RX-8025SA具有高可靠性及稳定性、低功耗的性能，可达工业级要求。

数据存储单元采用铁电存储器FM24CL64-G，掉电不丢失数据，当MCU休眠后，数据存储单元就会处于掉电状态，不因无电而丢失数据。

下行无线通讯模块电路由ZigBee通讯管理芯片CC2530及其附属器件组成，通过MCU可以实现与各传感器的无线通讯，进行数据采集。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统，运行模式之间的转换时间短，进一步确保了低能源消耗。

电源控制单元电路是通过控制器件电源实现节电功能，包括两路电源的控制，一路是控制NB-IOT无线通讯模块的电源、一路是控制数据存储单元及下行通信模块(CC2530)的电源。该部分电路主要有大功率P沟道MOS管和控制三极管(9014)等器件组成；由电路原理图可以看到，当MCU休眠后，控制引脚NB_POWER和V33_CTL都配置成无上拉模拟输入，所以无法驱动MOS管供电，后级电路电源就自然被关断。

电池及电压转换单元，系统工作电池采用4.2V/20000mAh聚合物锂电池,输出电流可达2A。电池供电时输出的3.7V-4.2V的电压通过U5(RT8059)实现3.3V的电压转换，供给MCU、铁电存储器以及其外围电路。该电源芯片RT8059是一个高效率的脉宽调制(PWM)的降压型DC/DC转换器，能够提供1A的输出电流在较宽的输入电压范围2.8V至5.5V。该RT8059是非常适合于便携式由单节锂离子电池供电的电子设备或由范围内的其他电源的。

NB－IoT窄带物联网无线通讯单元是该装置的上行通讯单元，完成和远端服务器的链接和数据的交互，通过MCU控制上电和建立连接的流程，实现数据的通讯。电路组成主要由NB-IoT通讯模块(本装置采用上海稳恒电子的产品WH-NB73)，以及NB-IOT通讯模块的运行指示电路、SIM卡电路、天线电路、以及复位控制电路等部分组成。该SIM卡电路采用ESDA6V8AV5防雷防静电芯片，支持SIM卡的热插拔。

调试串口电路比较简单，采用TTL电平的串口通信模式，通过MCU上的串口1接的3P跳线(JP5，JP6)与上行通讯串口进行选择通信，主要是和MCU进行通讯，设置一些参数，包括唤醒间隔，安装地址，以及装置自身的ID号；设备生产日期等参数。也可以读取参数和事件数据。

本装置中的现场无线数据采集终端通过2.4G(RFID射频技术或ZigBee技术)无线自组网技术与各类无线传感器形成小范围通信网络，为降低功耗，数据采集终端默认以15分钟的采集间隔(可配置)轮训采集下属的各类数据传感器，并将采集到的不同数据按照预设的上报间隔上报到远端服务端，当监测到异常数据时，装置会及时产生告警事件进行上报远端服务器。

然后远端服务器对各个监测电缆工井的数据进行分类存储，再通过展示平台结合GIS地图进行电缆井位置和实时数据的直观显示。当有异常数据(告警数据、超限数据、无效数据等)及时进行预警，并可通过平台告警提示栏、平台语音提示、短信、微信推送、手机APP查询等形式及时通知到相关运维管理人员，比如当通过水位传感器实时监测电缆井内水位高度值超出预设报警值时，则会报警通知相关人员进行现场核查及进行排水，有效的预防了由于水浸造成的设备损坏故障；通过电缆表面温度传感器实时监测电缆本体的发热温度，当监测点的温度超限值时，也会产生告警事件，并标明报警位置，提醒运检人员及时处理，防止电缆故障的进一步扩大，使得电缆沟内的运行环境更为安全，也保证了高压电缆的安全运行。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (4)

1.一种基于无线的低功耗电缆井综合监测装置，包括无线数据采集终端和无线传感器，其特征是：所述无线数据采集终端上行通过NB-IOT窄带物联网无线通讯单元与远端服务器连接，下行通过RFID射频技术或ZigBee无线通讯单元与所述无线传感器连接；所述无线数据采集终端上还连接有电源，所述电源包括太阳能电源、CT取电电源和电池电源。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线的低功耗电缆井综合监测装置，其特征是：所述无线数据采集终端包括主控MCU，所述主控MCU上连接有电源及电压转换单元、电源控制单元、RFID射频技术或ZigBee无线通讯单元、时钟单元、数据存储单元、NB-IOT窄带物联网无线通讯单元和调试串口，所述主控MCU通过所述电源控制单元一路控制NB-IOT窄带物联网无线通讯单元的电源的通断、一路控制所述数据存储单元及所述RFID射频技术或ZigBee无线通讯单元的电源的通断。

3.根据权利要求2所述的一种基于无线的低功耗电缆井综合监测装置，其特征是：所述NB-IOT窄带物联网无线通讯单元包括NB-IoT通讯模块、NB-IOT通讯模块的运行指示电路、SIM卡电路、天线电路以及复位控制电路。

4.根据权利要求3所述的一种基于无线的低功耗电缆井综合监测装置，其特征是：所述无线传感器采用隔爆型传感器，所述无线传感器的设备外壳采用铝合金或不锈钢密封制作而成，防护等级不小于IP65，所述无线传感器的出线口采用压制防水接头，在安装时，所述无线传感器的设备外壳接地设置。

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