CN219916208U - 一种高速公路门架机电设备运行监测与远程控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高速公路门架机电设备运行监测与远程控制装置，该装置包括电能计量电路、负载控制电路、电源电路、主控制器、通信电路以及上位机。其中，电能计量电路实时采集门架机电设备的运行状态，该电能计量电路传出的UART数据经主控制器解码后，通过通信电路传送至上位机，上位机能够实时显示门架机电设备的电流、电压和功率运行信息，同时，上位机能够下发控制信息给下位机，对门架机电设备的通断进行控制。本实用新型能够在门架机电设备运行异常时及时报警，有效地降低门架机电设备因异常造成的计费失败问题。此外，在门架机电设备发生宕机故障时，本实用新型还能够通过上位机对机电设备控制，远程解除故障，有效提升交易成功率。

Description

一种高速公路门架机电设备运行监测与远程控制装置

技术领域

本实用新型属于高速公路门架机电设备技术领域，具体涉及一种高速公路门架机电设备运行监测与远程控制装置。

背景技术

高速公路门架系统主要由收费控制器、天线控制器、车牌图像识别设备、高清摄像机、站级服务器、防雷接地设施、通信设备、供电设备、北斗定位与授时设备、车辆检测器、气象检测设备等设备组成，具备对通行车辆车牌识别、分段计费等功能，是高速公路运营中最关键的设备，设备的稳定运行直接关联着每辆途经门架车辆的计费。

高速公路门架布设于高速公路主线道路上，其控制设备的电源来源于门架旁的机柜中，门架机柜存在设置分散、位置偏远、数量较大、维护不便等问题。若高速公路门架各设备出现故障未能及时发现、响应、修复，将直接影响高速公路的正常业务。

然而，当前的高速公路门架机电设备系统设备存在较大缺陷，一般都依据省结算中心发布的故障信息进行故障预警，信息交互性较差，同时，对于门架机电系统存在的故障需维护人员到现场排除，而机电系统一般故障可通过重启机电设备排除。

因此，如何能够及时预警高速公路门架机电设备的运行状态，从而避免因为断电和过功率引起门架故障，对发现故障远程运维、快速响应处理是当下最迫切的需求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种高速公路门架机电设备运行监测与远程控制装置，以便实时监测门架机电设备的运行状态，且当门架机电设备出现异常时及时预警与远程处理。

本实用新型为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种高速公路门架机电设备运行监测与远程控制装置，包括电能计量电路、负载控制电路、电源电路、主控制器、通信电路以及上位机；

电能计量电路的输入端与AC输入端以及负载输出端相连，该电能计量电路安装于机柜内部，且被配置为用于实时监测门架机电设备的电流、电压和功率状态；

该电能计量电路与主控制器相连，电能计量电路采用HLW8032芯片；

负载控制电路以及电源电路分别与主控制器相连；其中电源电路用于将AC 220V转换为直流电压并为电能计量电路、通信电路、负载控制电路以及主控制器供电；

通信电路设置在主控制器与上位机之间，且用于实现主控制器与上位机之间的通信；

其中，所述主控制器采用STM32F103芯片，上位机为移动终端。

优选的，电源电路转换后的电压包括DC 12V、DC 5V、DC 3.3V。

优选的，所述负载控制电路采用中间继电器。

优选的，所述通信电路采用4G或5G通信电路。

优选的，所述主控制器与电能计量电路之间采用UART通信。

优选的，所述主控制器与4G通信电路采用串口通信。

本实用新型具有如下优点：

如上所述，本实用新型述及了一种高速公路门架机电设备运行监测与远程控制装置，其包括电能计量电路、负载控制电路、电源电路、主控制器、通信电路(例如4G)以及上位机。其中，电能计量电路采用HLW8032芯片，该电能计量电路用于实时采集门架机电设备的电流、电压和功率信息，该HLW8032芯片传出的数据为UART格式，主控制器将该信息处理后，以串口通信的方式传输给通信电路，然后通过4G传输的形式远程传输至上位机，上位机能够实时显示当前门架机电设备的运行状态并储存。同时，若维护人员发现故障信息时，可通过上位机下发控制信息，通过4G传输的形式传输给通信电路，并以串口通信的方式传输给主控制器，主控制器得到控制信息后，将控制负载控制电路，对门架机电设备进行通断控制。相比于现有技术，本实用新型能够在门架机电设备运行状态出现异常时及时报警，从而有效地降低门架因门架机电设备故障导致的计费失败问题；与此同时，当门架机电设备发生故障时，本实用新型也能够远程控制门架机电设备通断，提升机电设备的维护效率，大大降低维护成本。本实用新型能够有效的监测高速公路机电设备的运行状态、远程控制机电设备的功能，具有实时监测、远程控制、自动化和稳定性高等特点。

附图说明

图1为本实用新型实施例中高速公路门架机电设备运行监测与远程控制装置的示意图。

图2为本实用新型实施例中电能计量电路的电路框图。

其中：1-电能计量电路，2-负载控制电路，3-电源电路，4-主控制器，5-通信电路，6-上位机，7-AC输入端，8-负载。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明：

如图1所示，一种高速公路门架机电设备运行监测与远程控制装置，包括电能计量电路1、负载控制电路2、电源电路3、主控制器4、通信电路5以及上位机6。

电能计量电路1的输入端与AC输入端7以及负载8输出端相连，该电能计量电路1安装于机柜内部，且被配置为用于实时监测门架机电设备的电流、电压和功率状态。

其中，负载即门架机电设备，包括主收费工控机、主天线控制器、备收费工控机以及备天线控制器，这些门架机电设备作为负载，接入电能计量电路1。

机柜则用于放置上述各种门架机电设备。高速公路门架机电设备的功率参数如下：

设备额定电压AC 220V、额定最大电流10A、额定最大功率2200W。

可设置电压、电流、功率阈值，即电压、电流、功率的高限位以及低限位阈值。例如：

高限位电压阈值设定为AC 230-240V，低限位电压阈设定为20V或10V；高限位电流阈值设定为10A-12A，低限位电流阈值设定为1A或2A；

高限位功率阈值设定为2400W-2600W，低限位功率阈值设定为20W或10W。

当电能计量电路1检测到门架机电设备电压、电流、功率超过高限位阈值时，向主控制器4发送信号，经由主控制器4处理后发送给上位机，上位机6发出超限报警信号。

当电能计量电路1检测到门架机电设备电压、电流、功率达到低于低限位阈值时，向主控制器4发送信号，经由主控制器4处理后发送给上位机，上位机6发出低限报警信号。

为了能够准确、稳定地测量机柜输入电压和负载电压，需要准确测量交流输入和交流输出的电压、电流以及功率，因此本实施例设计了一种新型电能计量电路1。

其中电能计量电路1采用HLW8032芯片。如图2示出了一种电能计量电路1的电路框图，在图2中示出的电能计量电路1中采用了HLW8032芯片。

该电能计量电路1包括HLW 8032芯片、继电器JK1、NPN型二极管Q1、光电隔离芯片PS2501、电阻、电容、二极管D1、接线端子P1和接线端子P2。

其中，电阻有十一个，且分别定义为：

第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11。

电容有五个，且分别定义为：

第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4以及第五电容C5。

接线端子P1的第一端子(即图2中接线端子P1的端子1)为AC输入端的火线L连接端，接线端子P1的第二端子(即图2中接线端子P1的端子2)为AC输入端的零线N连接端，接线端子P2的第一端子(即图2中接线端子P2的端子1)和第二端子(即图2中接线端子P2的端子2)为负载接入端子。

本实施例中继电器JK1采用欧姆龙LY2N-J 10A。

其中继电器JK1的第一端子(即图2中JK1的端子1)和第二端子(即图2中JK1的端子2)为线圈电压接入端子，第一端子接入12V电压，第二端子经由继电器驱动电路接入主控制器，第三端子(即图2中JK1的端子3)和第五端子(即图2中JK1的端子5)为一对常开触点。

AC输入端7接入接线端子P1，负载输出端接入接线端子P2。接线端子P2的第二端子与继电器JK1的第三端子通过线缆连接，继电器JK1的第五端子与AC输入端7的L端相连。

继电器JK1的第一端子接12V电压，继电器JK1的第二端子与二极管D1的负极端以及NPN型二极管Q1的集电极相连，Q1的基极通过第一电阻R1接主控制器的控制信号端J1。

二极管D1的正极端与NPN型二极管Q1的发射极相连且接地。

由NPN型二极管Q1、二极管D1以及第一电阻R1组成继电器驱动电路。

该继电器JK1被配置为常开触点，继电器JK1通过接收主控制器4的控制信号端的控制信号利用NPN型二极管Q1对继电器JK1进行驱动，从而控制负载电路的通断。

HLW 8032芯片的输出TX端通过线缆与光电隔离芯片PS2501相连，以解决干扰问题，PS2501的输出端与主控制器4的RX端连接，实现UART通信。

光电隔离芯片PS2501的第一端子(即光电隔离芯片PS2501的端子1)通过第二电阻R2接5V电压，光电隔离芯片PS2501上与主控制器4的RX连接的第四端子(即光电隔离芯片PS2501的端子4)通过第三电阻R3接3.3V电压。

HLW 8032芯片的VDD端子与第一电容C1、第二电容C2的一端相连且接地。第一电容C1、第二电容C2的另一端相连并连接5V端子。

接线端子P2的第一端子与第四电阻R4、第五电阻R5的一端相连，第五电阻R5的另一端与第六电阻R6的一端相连并接地，AC输入端7的N端接地。

第四电阻R4的另一端、第三电容C3的一端以及HLW 8032芯片的IP端相连。第三电容C3的另一端与第四电容C4的一端相连并接地。

第四电容C4的另一端与第六电阻R6的另一端以及HLW 8032芯片的IN端相连。

本实施例通过在HLW8032的IP端和IN端设置2个1K的电阻(即电阻R4和R6)与0.001欧电阻(即电阻R5)，能够得到负载电路的电流。

第五电阻R5为采样电阻，电流系数为1。

继电器JK1第五端子与第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10依次相连。

第十电阻R10的另一端与第十一电阻R11以及第五电容C5的一端、HLW 8032芯片的VP端相连，第十一电阻R11以及第五电容C5的另一端相连并接地。

本实施例通过在HLW8032的VP端(电压通道)设置4个470K的电阻(即电阻R7、R8、R9、R10)与1K电阻(即电阻R11)，电压采样信号经过4个470K的电阻与1K电阻分压，能够得到负载电路的电压，电压系数为1.88。

门架机电设备的功率信息是通过电能计量电路1中HLW8032芯片的功率参数寄存器的数值除以功率寄存器的数值乘以电压系数乘以电流系数求得。

电能计量电路1与主控制器4相连，电能计量电路1为电流、电压、功率计量电路，用于将AC输入端7和负载8输出端的电流、电压、功率转换为UART数据。

主控制器4与电能计量电路1之间采用UART通信。

如图2所示，电能计量电路的输入为AC输入和负载输出，输出信号为UART数据类型，即经过电能计量电路转换后的能被主控制器4读取的数据类型。

该电能计量电路1输出的UART数据进入主控制器4。本实施例中主控制器4优选采用STM32F103控制器，该控制器的串口信号输入端输入UART数据信号。

STM32F103控制器能够满足装置稳定性高、传输速度快的要求。主控制器4用于将电能计量电路1输出的UART数据转换为相应的电流、电压、功率数据。

本实施例中负载控制电路2与主控制器4相连，该负载控制电路2采用中间继电器进行控制，例如采用欧姆龙LY2N-J 10A小型中间继电器。

该负载控制电路2接收上位机控制信号后，驱动中间继电器工作控制负载的通断。

如图1所示，电源电路3与主控制器4相连。

电源电路3用于将AC 220V转换为直流电压，例如DC 12V、DC 5V、DC 3.3V，从而为电能计量电路1、通信电路4、负载控制电路2以及主控制器4供电。

需要说明的是，电源电路3采用常规电源电路即可，此处不再赘述。

通信电路5设置在主控制器4与上位机6之间，且用于实现主控制器4与上位机6之间的通信。本实施例中通信电路5优选采用4G通信电路。

具体的，在主控制器侧以及上位机侧分别设置4G通信电路。其中，主控制器4与主控制器侧的4G通信电路之间采用串口通信。

主控制器4与上位机6之间通过4G网络进行信号传输，因此，很好的保证了主控制器4与上位机7之间数据收发过程中的稳定、准确、远距离传输。

当然，4G通信电路也可以替换为5G通信电路，同样能实现信号传输功能。

上位机6用于实时显示当前门架机电设备的运行状态、储存，并远程控制机电设备。本实施例中上位机6例如采用手机、平板、IPAD等移动终端。

其中，上述移动终端内置4G通信电路或5G通信电路，因而能实现4G或5G通信。

本实施例中4G通信电路利用EBYTE EC03-DNC 4G模块。

主控制器4的输出端通过线缆与4G通信电路相连，通过该通信电路将数据传输至上位机，便于在监测与控制过程中，实现主控制器4处理的数据与上位机6交互。

数据从主控制器4输出输入到上位机6，控制信号从上位机6输出输入到主控制器4。

通过通信电路利于将经过主控器4输出的电压、电流、功率数据实时传送至上位机6，上位机能够实时显示电压、电流、功率信息，并且可以将实时上传的信息进行存储。

与此同时，上位机6能够发出控制信号，该控制信号经过4G网络传输至主控制器4，主控制器4能够通过负载控制电路2控制负载的通断。

在上位机6上能够直观地看到高速公路门架机电设备运行情况。

当高速公路门架机电设备电压、电流、功率异常时，能够通过上位机6进行实时显示。例如，上位机6可以通过指示灯的颜色变化反应是否出现异常。

当然，上位机6也可以通过文字的方式，直观显示门架机电设备电压、电流、功率异常。

此外，经由主控制器4上传的数据还能够存储在上位机6上。

本实用新型通过以上电路结构设计，很好地实现了对门架机电设备的实时检测与远程控制门架机电设备通断，并且在门架机电设备数据异常时能够及时报警。

另外，当门架机电设备数据异常时能够远程控制机电设备通断，起到了保护作用。

当然，以上说明仅仅为本实用新型的较佳实施例，本实用新型并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本实用新型的保护。

Claims (7)

1.一种高速公路门架机电设备运行监测与远程控制装置，其特征在于，

包括电能计量电路、负载控制电路、电源电路、主控制器、通信电路以及上位机；

电能计量电路的输入端与AC输入端以及负载输出端相连，该电能计量电路安装于机柜内部，且被配置为用于实时监测门架机电设备的电流、电压和功率状态；

该电能计量电路与主控制器相连，电能计量电路采用HLW8032芯片；

负载控制电路以及电源电路分别与主控制器相连；其中电源电路用于将AC 220V转换为直流电压并为电能计量电路、通信电路、负载控制电路以及主控制器供电；

通信电路设置在主控制器与上位机之间，且用于实现主控制器与上位机之间的通信；

其中，所述主控制器采用STM32F103芯片，上位机为移动终端。

2.根据权利要求1所述的高速公路门架机电设备运行监测与远程控制装置，其特征在于，

所述电源电路转换后的电压包括DC 12V、DC 5V、DC 3.3V。

3.根据权利要求1所述的高速公路门架机电设备运行监测与远程控制装置，其特征在于，

所述负载控制电路采用中间继电器。

4.根据权利要求1所述的高速公路门架机电设备运行监测与远程控制装置，其特征在于，

所述通信电路采用4G或5G通信电路。

5.根据权利要求1所述的高速公路门架机电设备运行监测与远程控制装置，其特征在于，

所述主控制器与电能计量电路之间采用UART通信。

6.根据权利要求1所述的高速公路门架机电设备运行监测与远程控制装置，其特征在于，

所述主控制器与4G通信电路采用串口通信。

7.根据权利要求1所述的高速公路门架机电设备运行监测与远程控制装置，其特征在于，

所述该电能计量电路包括HLW 8032芯片、继电器JK1、NPN型二极管Q1、光电隔离芯片PS2501、电阻、电容、二极管D1、接线端子P1和接线端子P2；

其中电阻有十一个，且分别定义为：

第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10以及第十一电阻R11；

电容有五个，且分别定义为：

第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4以及第五电容C5；

其中接线端子P1的第一端子为AC输入端的火线连接端，接线端子P1的第二端子为AC输入端的零线连接端，接线端子P2的第一端子和第二端子为负载接入端子；

继电器JK1的第一端子和第二端子为线圈电压接入端子，其中第一端子接入12V电压，经由继电器驱动电路接入主控制器，继电器JK1的第三端子和第五端子为一对常开触点；

AC输入端接入接线端子P1，负载输出端接入接线端子P2，接线端子P2的第二端子与继电器JK1的第三端子通过线缆连接，继电器JK1的第五端子与AC输入端的火线相连；

继电器JK1的第一端子接12V电压，继电器JK1的第二端子与二极管D1的负极端以及NPN型二极管Q1的集电极相连，Q1的基极通过第一电阻R1接主控制器的控制信号端J1；

二极管D1的正极端与NPN型二极管Q1的发射极相连且接地；

该继电器JK1被配置为常开触点；

HLW 8032芯片的输出TX端通过线缆与光电隔离芯片PS2501相连；

光电隔离芯片PS2501的第一端子通过第二电阻R2接5V电压，光电隔离芯片PS2501上与RX连接的第四端子通过第三电阻R3接3.3V电压；

HLW 8032芯片的VDD端子与第一电容C1、第二电容C2的一端相连且接地，第一电容C1、第二电容C2的另一端相连并连接5V端子；

接线端子P2的第一端子与第四电阻R4、第五电阻R5的一端相连，第五电阻R5的另一端与第六电阻R6的一端相连并接地，AC输入端的N端接地；

第四电阻R4的另一端、第三电容C3的一端以及HLW 8032芯片的IP端相连，第三电容C3的另一端与第四电容C4的一端相连并接地；

第四电容C4的另一端与第六电阻R6的另一端以及HLW 8032芯片的IN端相连；

继电器JK1的第五端子与第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10依次相连；

第十电阻R10的另一端与第十一电阻R11以及第五电容C5的一端、HLW 8032芯片的VP端相连，第十一电阻R11以及第五电容C5的另一端相连并接地。