一种温湿度自动调控的物联传感系统的制作方法

1.本实用新型涉及智能电网技术领域，尤其涉及一种温湿度自动调控的物联传感系统。


背景技术：

2.随着社会和经济的发展，在经济转型升级大背景下，中央经济工作会议要求加强人工智能、工业互联网、物联网等新型基础设施建设。两家电网企业均选择将物联网等当代信息处理技术、通信技术与人工智能引入企业经营发展中，物联网技术在电力行业的应用将得到快速发展，积极打造状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活的泛在电力物联网。
3.10kv环网柜是保证电力线路安全运行的重要设备之一。配电系统在长期的运行过程中，一方面，受恶劣天气或人为施工影响，供电线路必然会出现短路或接地等故障；第二方面，环网柜长期工作，断路器中螺丝松动、传动机构变形、润滑不良等机械问题造成开关动作故障；第三方面，环网柜工作在户外恶劣环境，工作环境高温、高湿，以及设备长期带负荷运行开关电气触点过热现象，如果不及时处理可能造成短路着火或爆炸事故。
4.因此，环网柜的断路器应具备智能化切除故障电流与实现自动切除与隔离故障区域的功能；同时，对断路器分合闸动作过程中振动特征信号的采集，利用大数据统计分析，实现机械开关的状态实时监测，并及时告警故障；是预防安全事故发生的合适手段之一。以及，环网柜进行实时温湿度的监测，自动化控制冷凝高湿空气水分子，水珠经汇集排出柜体外部，系统不间断的工作从而实现降低环网柜设备内部空间湿度，以避免短路引起火灾、烧毁或突然停电等事故。


技术实现要素：

5.本实用新型的主要目的是提供一种通过维持环网柜的温湿度平衡，以确保开关和电子元器件的正常运行，可以提高柜体的过载能力和用电的安全性，进而延长了环网柜的使用寿命的温湿度自动调控的物联传感系统。
6.为了实现上述主要目的，本实用新型提供的一种温湿度自动调控的物联传感系统，应用于配电网上的电力设备，包括：温湿度监测与控制单元、主监测与保护单元以及电力主站，所述温湿度监测与控制单元与所述主监测与保护单元通过无线收发模块进行通信，所述主监测与保护单元与所述电力主站通信连接；所述温湿度监测与控制单元包括第一电源模块、温湿度采集模块、冷凝及冷热空气循环系统、第一定值设定与显示模块、第一通信模块、第一中央处理器，所述第一电源模块与外部电源连接，进行电压转换后发送至所述第一中央处理器，所述温湿度采集模块与所述第一中央处理器连接，用于将采集到的温度湿度信号发送至所述第一中央处理器，所述第一中央处理器分别与所述冷凝及冷热空气循环系统、第一定值设定与显示模块连接，其中，所述第一中央处理器均通过所述第一通信模块与各个模块之间进行通信。
7.进一步的方案中，所述第一电源模块为反激式开关电源电路，所述反激式开关电源电路包括辅助电源输入端、输入滤波整流电路、开关电源控制器、反激式变压器、光耦、场效应管以及电源输出端，所述辅助电源输入端与所述输入滤波整流电路连接，所述输入滤波整流电路的输出端与所述反激式变压器的输入端连接，所述开关电源控制器的vcc端连接至所述输入滤波整流电路的输出端以及所述反激式变压器的输入端，所述开关电源控制器的out端与所述场效应管的栅极连接，所述场效应管的漏极与所述反激式变压器的输入端连接，所述开关电源控制器的cmpen、vbr 端与所述光耦的输入端连接，所述反激式变压器的输出端与所述电源输出端连接。
8.更进一步的方案中，所述温湿度采集模块包括温湿度传感器，用于采集环境中的温度湿度信号。
9.更进一步的方案中，所述冷凝及冷热空气循环系统包括半导体制冷片、冷凝片、加热片以及适于撞击环网柜空间内部的空气流的至少一个散热风扇，所述冷凝片与所述半导体制冷片的冷端配合组成冷凝室，所述加热片与所述半导体制冷片的热端配合使用。
10.更进一步的方案中，所述第一通信模块采用无线收发器芯片 nrf24l01，输出功率频道选择和协议通过spi接口进行设置，用于将柜体运行环境的温湿度数据实时无线传送给所述主监测与保护单元。
11.更进一步的方案中，所述第一中央处理器包括stm8单片机、与所述 stm8单片机连接的spi通信接口、与所述stm8单片机连接的晶振电路、与所述stm8单片机连接的按键电路。
12.更进一步的方案中，所述第一定值设定与显示模块采用共阳极数码管显示器。
13.更进一步的方案中，所述温湿度监测与控制单元与所述主监测与保护单元通过无线收发器芯片nrf24l01进行数据通信，用于将温湿度信息传送至所述主监测与保护单元，由所述主监测与保护单元和所述电力主站进行信息交互，以构成一个物联传感系统。
14.更进一步的方案中，所述主监测与保护单元包括第二电源模块、交流模拟量采集模块、开入模块、开出模块、第二定值设定与显示模块、第二通信模块、振动信号采集模块、第二中央处理器，所述第二电源模块与外部电源连接，进行电压转换后发送至所述第二中央处理器，所述交流模拟量采集模块与所述第二中央处理器连接，用于将采集到的交流模拟量信号发送至所述第二中央处理器，所述振动信号采集模块与所述第二中央处理器连接，用于将采集到的断路器开关振动信号发送至所述第二中央处理器，所述第二中央处理器分别与所述开入模块、开出模块、第二定值设定与显示模块连接，其中，所述第二中央处理器均通过所述第二通信模块与各个模块之间进行通信。
15.由此可见，本实用新型的温湿度自动调控的物联传感系统可以对电力设备进行实时监视及控制，准确、精细、全面地获知电力设备和系统的运行状态，为继电保护、温湿度自动控制与断路器监测等功能系统一体化设计，可以实现10kv环网柜上线路故障、温湿度、断路器开关等远程实时监测及自动判断控制。
附图说明
16.图1是本实用新型一种温湿度自动调控的物联传感系统实施例的原理图。
17.图2是本实用新型一种温湿度自动调控的物联传感系统实施例中第一电源模块的
电路原理图。
18.图3是本实用新型一种温湿度自动调控的物联传感系统实施例中温湿度采集模块的电路原理图。
19.图4是本实用新型一种温湿度自动调控的物联传感系统实施例中第一中央处理器的电路原理图。
20.图5是本实用新型一种温湿度自动调控的物联传感系统实施例中第一定值设定与显示模块的电路原理图。
21.图6是本实用新型一种温湿度自动调控的物联传感系统实施例中交流模拟量采集模块的部分电路原理图。
22.图7是本实用新型一种温湿度自动调控的物联传感系统实施例中交流模拟量采集模块的另一部分电路原理图。
23.图8是本实用新型一种温湿度自动调控的物联传感系统实施例中开入模块的电路原理图。
24.图9是本实用新型一种温湿度自动调控的物联传感系统实施例中开出模块的电路原理图。
25.图10是本实用新型一种温湿度自动调控的物联传感系统实施例中振动信号采集模块的电路原理图。
26.图11是本实用新型一种温湿度自动调控的物联传感系统实施例中第二定值设定与显示模块的电路原理图。
27.以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。
具体实施方式
28.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
29.参见图1，本实用新型的一种温湿度自动调控的物联传感系统，应用于配电网上的电力设备，包括：温湿度监测与控制单元10、主监测与保护单元20以及电力主站30，温湿度监测与控制单元10与主监测与保护单元 20通过无线收发模块进行通信，主监测与保护单元20与电力主站30通信连接。
30.在本实施例中，温湿度监测与控制单元10包括第一电源模块11、温湿度采集模块12、冷凝及冷热空气循环系统13、第一定值设定与显示模块14、第一通信模块15、第一中央处理器16，第一电源模块11与外部电源连接，进行电压转换后发送至第一中央处理器16，温湿度采集模块12 与第一中央处理器16连接，用于将采集到的温度湿度信号发送至第一中央处理器16，第一中央处理器16分别与冷凝及冷热空气循环系统13、第一定值设定与显示模块14连接，其中，第一中央处理器16均通过第一通信模块15与各个模块之间进行通信。
31.在本实施例中，如图2所示，第一电源模块11为反激式开关电源电路，反激式开关电源电路包括辅助电源输入端、输入滤波整流电路、开关电源控制器ic2、反激式变压器t1、
光耦ic3、场效应管q9以及电源输出端，辅助电源输入端与输入滤波整流电路连接，输入滤波整流电路的输出端与反激式变压器的输入端连接，开关电源控制器的vcc端连接至输入滤波整流电路的输出端以及反激式变压器的输入端，开关电源控制器的 out端与场效应管的栅极连接，场效应管的漏极与反激式变压器的输入端连接，开关电源控制器的cmpen、vbr端与光耦的输入端连接，反激式变压器的输出端与电源输出端连接。可见，本实施例的电源回路是采用开关电源控制器uc3843bn搭配光耦pc817、场效应管irfbc40等设计的高效率反激式开关电源电路。由辅助电源输入ac220v，内部电路实现电源转换，无需额外配电源适配器供电，使用方便；同时在电路中增加了抗电磁干扰措施，确保电路运行的安全可靠。
32.在本实施例中，如图3所示，温湿度采集模块12包括温湿度传感器 sh1，用于采集环境中的温度湿度信号。可见，本实施例的温湿度采集模块12采用响应速度快、接口简单的微型温湿度传感器sht10，实时采集环境中的温度与湿度。
33.在本实施例中，冷凝及冷热空气循环系统13包括半导体制冷片、冷凝片、加热片以及适于撞击环网柜空间内部的空气流的至少一个散热风扇，冷凝片与半导体制冷片的冷端配合组成冷凝室，加热片与12703半导体制冷片的热端配合使用。其中，半导体制冷片为12703半导体制冷片，散热风扇为8025直流风扇。可见，本实施例的冷凝系统和冷热空气循环模块采用12703半导体制冷片、8025直流风扇、加热片、冷凝片。通过半导体制冷技术实现水汽冷凝，并设计了使用风扇实现空气内外循环方式，除湿效率高，经济性好。
34.具体的，冷凝及冷热空气循环系统13主要元件包括12703半导体制冷片、8025散热风扇、加热片以及冷凝片。
35.其中，12703半导体制冷片既能制冷也能加热，其作用是：与8025散热风扇、加热片、冷凝片配合，实现将环网柜空间内部的潮湿空气，通过风扇抽到除湿器冷凝室内，在冷凝室内，进行汽
‑‑
水分离。
36.其中，散热风扇用于强排风扇强制对流，让内部空气尽可能得到循环；流动的空气通过大面积的冷凝片，让水气液化排出箱柜外面；另外，风扇用于与冷凝片的相互配合，达到提高为半导体制冷片的热端散热作用。
37.其中，加热片与12703半导体制冷片的热端配合达到除霜功能。当环境温度小于20℃时，空气中的水分子，在冷凝室逐步凝结成冰晶，这是积霜过程，此时为保证除湿效果；除湿器设置每工作两个小时，将自动进行 10分钟的除霜工作：通过半导体制冷片与加热片的配合，达到将冰晶融为液态水，排出箱柜。
38.其中，冷凝片与12703半导体制冷片的冷端配合组成冷凝室。当环境温度大于20℃时，空气中的水分子在冷凝室逐渐凝结成水珠，水珠聚集到排水槽，排出箱柜。
39.在本实施例中，第一通信模块15采用无线收发器芯片nrf24l01，输出功率频道选择和协议通过spi接口进行设置，用于将柜体运行环境的温湿度数据实时无线传送给主监测与保护单元20。可见，通信模块采用单片无线收发器芯片nrf24l01，输出功率频道选择和协议的设置可以通过spi 接口进行设置，实现柜体运行环境的温湿度数据实时无线传送给主监测与保护单元20。
40.在本实施例中，如图4所示，第一中央处理器16包括stm8单片机 u2、与stm8单片机u2连接的spi通信接口、与stm8单片机u2连接的晶振电路、与stm8单片机u2连接的按键电路。可见，本实施例采用高集成化、高速度、高性能、低功耗芯片stm8来处理来传感器的信
号，通过数字逻辑运算控制输出。
41.在本实施例中，如图5所示，第一定值设定与显示模块14采用共阳极数码管显示器(e1)。可见，本实施例的定值设定与显示模块为人机界面，其采用5621共阳极数码管交替显示工作环境实时温度、湿度，采用按键进行定值设定，人机交互界面简单高效。
42.进一步的，温湿度监测与控制单元10与主监测与保护单元20通过无线收发器芯片nrf24l01进行数据通信，用于将温湿度信息传送至主监测与保护单元20，由主监测与保护单元20和电力主站30进行信息交互，以构成一个物联传感系统。
43.在本实施例中，主监测与保护单元20包括第二电源模块21、交流模拟量采集模块22、开入模块23、开出模块24、第二定值设定与显示模块 25、第二通信模块26、振动信号采集模块27、第二中央处理器28，第二电源模块21与外部电源连接，进行电压转换后发送至第二中央处理器28，交流模拟量采集模块22与第二中央处理器28连接，用于将采集到的交流模拟量信号发送至第二中央处理器28，振动信号采集模块27与第二中央处理器28连接，用于将采集到的断路器开关振动信号发送至第二中央处理器28，第二中央处理器28分别与开入模块23、开出模块24、第二定值设定与显示模块25连接，其中，第二中央处理器28均通过第二通信模块 26与各个模块之间进行通信。
44.其中，温湿度监测与控制单元10与主监测与保护单元20通过无线收发模块nrf24l01进行数据通信，用于将温湿度信息传送至主监测与保护单元20，由主监测与保护单元20和电力主站30进行信息交互，以构成一个物联传感系统。
45.在本实施例中，如图6和图7所示，交流模拟量采集模块22包括多路模拟量输入通道、电流互感器、采样电阻以及运算放大器，一个模拟信号使用两路模拟量输入通道进行采集，第一路模拟量输入通道依次经过电流互感器、采样电阻的输出端组成第一路模数转换电路，第二路模拟量输入通道经过运算放大器组成的负反馈放大电路的输出端组成第二路模数转换电路，两路模数转换电路的输出端均连接至第二中央处理器28的 adc接口，其中，模拟量输入通道的输入类型为电压信号或电流信号，用于采集传感器或变送器输出的电压信号或电流信号。可见，本实施例的交流模拟量采集模块22：模拟量采样回路采用了自动动态增益的测量电路设计，在同等的a/d转换位数下，有效的测量范围提高了一个数量等级。
46.具体的，本实施例的交流模拟量部分主要元件：电流互感器ct1
‑
4： hct226bf；电压互感器pt1
‑
pt4；采样电阻ra1
‑
ra6：16r/33r(采样范围0～100a/0～50a)；运算放大器u1
‑
u7：tlv2231。
47.其中，模拟量采样回路采用了自动动态增益的测量电路设计，在同等的a/d转换位数下，有效的测量范围提高了一个数量等级。
48.自动动态增益的测量电路设计：一个模拟信号使用两路ad转换通道进行采集，软件算法中选择最佳转换通道，满足了不同的采样精度的需求，提高采样精度。
49.通过两路ad转换通道进行采集：第一路模数转换电路是经过电流互感器hct226bf、采样电阻ra*的输出端；第二路模数转换电路是经过运算放大器tlv2231组成的负反馈放大电路进行放大后的输出端；两路输出端均连接到中央处理器的adc接口。继而通过软件算法，逻辑判断ct* 是采用分辨精度较低的放大前的第一路ad转换通道数据还是分辨率精度更高的放大后的第二路ad转换通道数据；从软件上弥补硬件adc位数 12位精度的不足，提高采样到14位，最终实现交流模拟量的高精度功能。
50.在本实施例中，如图8所示，开入模块23包括多个光耦以及多个遥信输入端组成的遥信输入回路，一个遥信输入端与一个光耦ut1的输入端之间依次连接有压敏电阻rt7、限流电阻rb7、滤波电容cb7、滤波电阻rb14，光耦ut1的输出端还连接有上拉电阻rb21，当遥信输入回路的公共端scom与其中一个遥信输入端形成通路时，光耦ut1导通，并向第二中央处理器28的io口输入低电平。可见，本实施例的开入模块23：遥信输入回路采用光耦电气隔离，满足大于ac500v的耐压绝缘；同时，电路具备硬件滤波设计和软件滤波设计，确保状态信号采集的准确度。
51.具体的，开入量部分主要元件包括：
52.1)限流电阻rb1
‑
7(阻值15k：遥信电源为48v或24v；阻值75k：遥信电源为110v；阻值150k：遥信电源220v)。
53.2)压敏电阻rt1
‑
7(14d/820k：遥信电源为48v或24v；14d/471k：遥信电源为110v或220v)。
54.3)光耦ut1
‑
7：en354。
55.4)滤波电容cb1
‑
7：0.1uf，滤波电阻rb14：5.1k。
56.5)上拉电阻rb15
‑
21：10k。
57.当遥信输入回路中公共端scom与其中一路遥信输入端s*形成通路，回路中光耦ut*导通，此时给cpu的io口输入一个低电平，软件逻辑判定该开入量处于合位。
58.其中，电阻rb7作为回路的限流电阻，保护光耦不被损坏；而阻值选用同时适用于遥信电源48v/24v，大大提高了生产效率和应用场合多适应性。
59.其中，压敏电阻rt7作为该回路的初级抗干扰措施。当开关量输入回路在浪涌电压产生过程中，压敏电阻rt7把浪涌电压钳制到一定值，起到保护后级电路的作用。
60.其中，滤波电容cb7与滤波电阻rb14组成rc滤波电路，作为开入回路的第二级抗干扰措施，起到硬件防抖动的作用，避免光耦误动作。
61.其中，光耦ut1选型en354交直流通用光耦，很好地适应现场使用需求的交直流操作回路电源柜台，减少产品备货的分类，提高生产效率和产品的使用价值。同时，光耦是信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高；提升产品的可靠性。
62.其中，上拉电阻rb21是给cpu的io口钳位在高电平，确保静态工作过程中io口的稳定性。
63.在本实施例中，如图9所示，开出模块24为继电器电路和三极管电路连接组成的遥控输出回路，如继电器j1、继电器j2、继电器j3、三级管q5、三级管q6、三级管q7。可见，遥控输出回路采用富士通的dc5v 继电器f1cl005r，用8050三极管电路驱动，电路设计简单可移植性强；继电器独立双触点串联使用，可使触点电气寿命达到dc48v/8a、大于十万次动作，大大提高产品整体的性能。
64.在本实施例中，第二通信模块26采用无线收发器芯片nrf24l01，输出功率频道选择和协议通过spi接口进行设置，用于接收温湿度监测与控制单元10传送的数据，并采用rs485/rs232串口将数据上传输给电力主站30。可见，无线传输采用单片无线收发器芯片nrf24l01，输出功率频道选择和协议的设置可以通过spi接口进行设置，实时接收温湿度控制单元传送的数据。对于数据上传输给调度中心，采用串口rs485/rs232等等方式，多种方
式灵活选择配置。
65.在本实施例中，如图10所示，振动信号采集模块27通过三轴陀螺仪 mma8452(u10)对断路器开关振动信号同时进行多方向的测定采集。可见，利用运动度传感器mma8452三轴陀螺仪对断路器开关振动信号同时多方向的测定采集，以更精准地判别机械开关的运动状态。
66.在本实施例中，如图11所示，第二定值设定与显示模块25为低温液晶显示屏(jlcd)。可见，本实施例采用华远低温液晶全中文显示，运行范围广，液晶设计多层菜单显示和事件告警弹出式窗口，同时，采用按键进行定值设定与查看，人机交互界面简单友好。
67.在本实施例中，第二电源模块21包括ac/dc或dc/dc电源模块。可见，本实施例的电源回路设计是使用金升阳的ac/dc或dc/dc模块电源。用户可根据需要选择辅助电源为ac/dc220v或者dc24v/48v的通用方式，使用方便多样，模块电源输出稳定；同时在电路输入端增加抗电磁干扰措施，确保电路运行的安全可靠。
68.在本实施例中，第二中央处理器28采用arm32位嵌入式微处理器，如u1a和u1b。可见，本实施例的中央处理器采用arm32位的高集成度、总线不出芯片的微处理器处理来自互感器的信号，通过数字逻辑运算控制装置的输出，控制精度高，响应速度快。
69.由此可见，本实用新型的温湿度自动调控的物联传感系统可以对电力设备进行实时监视及控制，准确、精细、全面地获知电力设备和系统的运行状态，为继电保护、温湿度自动控制与断路器监测等功能系统一体化设计，可以实现10kv环网柜上线路故障、温湿度、断路器开关等远程实时监测及自动判断控制。
70.此外，温湿度监测与控制单元10和主监测与保护单元20之间通过 nrf24l01实现无线数据通讯，把温湿度远传给主监测与保护单元20；整个系统的遥信、遥测、遥控和温湿度等信息，通过主监测与保护单元20 和电力主站30进行数据交互，实现一个智能物联网系统。
71.需要说明的是，以上仅为本实用新型的优选实施例，但实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型做出的非实质性修改，也均落入本实用新型的保护范围之内。