一种安防设备智能双备份电源与电源切换方法与流程

1.本发明涉及双备份电源领域，尤其涉及一种安防监控设备的智能双备份电源与电源切换方法。


背景技术：

2.安防设备的供电需要可靠的电源装置，以避免供电故障导致安防设备不能正常工作，致使监控中断，重要数据和视频丢失而产生的一系列严重后果；此外实际工程中安防设备众多，电源需求差异性较大，对安防设备供电的智能化管理提出了较高的要求。目前国内安防设备的双备份电源供电装置内含主电源和备用电源，备份供电模式有热备份和冷备份。热备份供电模式能够保证主、备用电源无缝切换，适用于银行等重要的安全监控场所，缺点是：在主电源正常供电情况下，备用电源也处于开机状态，很大程度上由于元器件长时间工作老化缩短了备用电源的使用寿命。冷备份供电模式下，系统正常工作时由主电源为安防设备供电，当主电源发生故障时，供电装置自动切换到备用电源，由于备用电源是一个容性负载，从备用电源启动到正常供电输出，会有100～200ms的滞后时间，滞后时间会导致被供电的监控设备因电源掉电而复位重启，监控设备重启后会有1～2秒的初始化启动时间，进而导致监控设备在重启时间内数据、视频丢失，更为严重的是监控设备在此段时间内完全处于监控失效状态，对于安全级别要求较高的应用场所，短时间的监控中断会造成严重后果。
3.目前国内双备份电源供电装置都不能有效解决上述问题，本发明的目的是提供一种安防设备智能双备份电源与电源切换算法(后面简称：慧电切换算法)，一方面可实现电源故障时主备电源无缝切换，对电源切换时间进行优化，最大程度提升供电装置的使用寿命，另一方面可以通过互联网数据平台对双备份电源装置进行远程监控和管理。


技术实现要素：

4.本发明所述的一种安防设备智能双备份电源切换装置，包括：arm嵌入式处理器、主电源、备用电源、控制电路1、控制电路2、控制电路3、控制电路4、负载电流检测电路、电源输出分配矩阵、数据存储电路、信号采集电路、网络通讯电路、串口通讯电路和触屏lcd。
5.所述的主电源和备用电源通过电源切换算法控制实现双备份，双备份具体可以实现主电源和备用电源的热备份、冷备份、工作时间均等切换备份、输出电量均等切换备份、参数自适应模糊切换备份以及电源温度切换备份，且能够实现主电源和备用电源无缝切换，保证安防监控设备不会因为电故障而出现监控中断。
6.所述的主电源和备用电源分别通过控制电路1和控制电路2与～220v交流电源相连接，在电源供电切换算法程序控制下，实现智慧切换供电，后面简称慧电切换。
7.所述的负载电流检测电路能够实时地检测负载电流情况，然后将检测到的电流信息反馈给arm嵌入式处理器，为慧电切换提供实时数据。
8.所述的控制电路3和控制电路2采用同一控制信号a，实现主电源的直流输出和备
用电源交流输入同步逻辑控制，控制电路3和控制电路2为具有不同功率的驱动电路。
9.所述的控制电路4和控制电路1采用同一控制信号b，实现备用电源的直流输出和主电源交流输入同步逻辑控制，控制电路4和控制电路1为具有不同功率的驱动电路。
10.所述的arm嵌入式处理器发送控制信号a给控制电路3和控制电路2，发送控制信号b给控制电路4和控制电路1，通过程序控制处理器的gpio输出引脚。
11.双备份电源供电装置具有以下4种状态：
12.(1)当控制电路3和控制电路2，控制电路4和控制电路1同时获得低电平控制信号时，由于主电源和备用电源的输入输出控制逻辑互锁，导致电源的输出状态失控不确定，此状态为系统禁止状态；
13.(2)当控制电路3和控制电路2获得低电平控制信号，控制电路4和控制电路1获得高电平控制信号时，此时主电源供电，备用电源处于关机备份状态；
14.(3)当控制电路3控制电路2获得高电平控制信号，控制电路4和控制电路1获得低电平控制信号时，此时备用电源供电，主电源处于关机备份状态；
15.(4)当控制电路3、控制电路2、控制电路4、控制电路1同时获得高电平控制信号时，此时主电源和备用电源同时供电，双电源处于热备份状态。
16.在慧电切换程序控制下，双备份电源供电装置可以工作在上述除第一种状态外的其余三种状态中的任一种状态或者其组合状态，通过选择不同的电源切换算法，可以实现不同的电源备份供电模式。本发明专利具有6种电源供电切换算法。
17.所述的6种电源供电切换算法说明如下：
18.(1)双电源热备份供电算法。双备份电源供电装置处于工作状态4，主电源和备用电源同时供电，一旦其中一个电源出现故障，另一个电源可以无缝切换到供电装置，无切换延时时间，适用于安全等级较高的应用场所。
19.(2)双电源冷备份供电算法。缺省状态下，由主电源供电，当处理器检测到主电源故障时，自动切换到备用电源，由于采用了电源故障主动检测技术，可以实现备用电源主动无缝切换。
20.(3)双电源时间均等切换供电算法。arm嵌入式处理器启动内部的定时器，在定时器中断服务程序中累计电源供电时间总和。当主电源累计工作时间大于预设的工作时间阈值时，处理器主动控制输出电路，无缝切换到备用电源供电，并开始从零累计备用电源供电时间，当备用电源供电总时间达到电源切换时间阈值时，处理器主动控制输出电路无缝切换到主电源供电，如此循环往复，实现双电源供电时间均等，提高电源整体使用寿命。
21.(4)双电源电量均等切换供电算法。arm嵌入式处理器启动内部的定时器，在定时器中断服务程序中累计电源供电电量
[0022][0023]
其中i
t
为t时刻负载电流，u
t
为t时刻供电电压，t为定时器中断时间，由用户自行设定，n为定时器中断的累计次数。当主电源累计输出供电量wm大于预设的切换阈值ws时，处理器主动控制输出电路，无缝切换到备用电源供电；此时开始累计备用电源输出供电量wb，当wb大于切换阈值ws时，处理器主动控制输出电路无缝切换到主电源供电，如此循环往复，实
现双电源电量均等切换供电。
[0024]
(5)自适应双电源供电模糊切换算法。根据电源的使用时长以及当前负载参数的变化，采用模糊控制规则表和解模糊的算法自动调整切换阈值fs。输入变量ti为i时间电源使用的累计总时长，ta为电源使用周期(根据电源使用寿命和用户对电源的可靠性要求确定)，变量ti的论域为[0，ta]，ii为i时间负载电流，im为电源输出的最大工作电流，变量ii论域设定为[0，im]，输出变量fi为第i时间段的切换时间，其论域设定为[2，48]，单位为小时。对输入输出变量进行模糊化，各划分为7个模糊等级，得到输出变量fi的模糊控制规则表。根据输入输出变量ti和ii的模糊变量值查模糊控制规则表得到切换阈值fi的模糊变量值，采用三角函数作为隶属度函数，分别得到输入输出变量的模糊隶属度采用重心法去模糊，得到切换阈值：
[0025][0026]
其中：fi为输出的模糊变量值，为输出模糊变量的隶属度
[0027]
得到切换阈值fi后，就可以采用工作时间均等切换供电算法一样的操作方法实现自适应双电源供电模糊切换算法。
[0028]
(6)电源温度检测切换供电算法。电源工作时的温度和电源的输出功率、工作时间长短及电源内部元器件老化都有密切联系，通过电源的温升来主动实现主、备电源切换。供电装置内部有电源温度监测电路，实时监测主电源和备用电源的温度。主电源供电时，当监测到主电源的温度升高到切换阈值时，处理器主动控制输出电路无缝切换到备用电源供电；同样，备用电源供电时，当监测到备用电源的温度升高到切换阈值时，处理器主动控制输出电路无缝切换到主电源供电，如此循环往复。
[0029]
所述的电源输出分配矩阵由32路功率继电器及其控制电路构成，每路继电器输出负载电流小于或等于3a。通过电源输出分配矩阵，处理器可以控制每一路负载的通断，实现远程智能化网络控制。
[0030]
所述的信号采集电路利用arm嵌入式处理器的a/d外设接口和i2c接口，采集双备份电源的电压、电流、温度等信息，为慧电切换算法提供实时数据，同时将采集到的数据存储在供电装置的存储器中。
[0031]
所述的网络通讯电路提供3个以太网接口，支持udp、tcp client、tcp server通讯服务。
[0032]
所述的串口通讯电路提供rs232、rs485通讯接口，可和其它外设模块连接。
[0033]
所述的触屏lcd用于显示系统的网络参数、端口状态、系统参数、故障状态等信息。
[0034]
与现有技术相比较，本发明具有以下显著区分现有技术的技术效果：
[0035]
(1)具有多种主备电源切换模式。现有的双备份电源要么采用冷备份、要么采用热备份，工作模式单一；本发明提供的双备份电源具有热备份、冷备份、工作时间均等切换备份、输出电量均等切换备份、参数自适应模糊切换备份以及电源温度切换备份，不仅能保障监控系统供电的可靠性，而且能优化主备电源的工作时间，提高电源整体使用寿命。
[0036]
(2)主备电源能实现无缝切换，保证监控设备供电不会因为主备电源切换而出现监控中断。现有的双备份电源仅在热备份模式下可以实现无缝切换，热备份模式下主备电
源同时处于工作状态，电源整体使用寿命相比其它模式较短；冷备份模式不能实现主备电源的无缝切换。本发明提供的双备份电源设计了控制电路1、控制电路2、控制电路3和控制电路4和arm嵌入式处理器电路，通过程序实现逻辑控制，可以保证主备电源在任一备份切换模式下都能实现无缝切换，不会因为电源切换而产生监控设备短时间供电中断。
[0037]
(3)提供了自适应双电源供电模糊切换算法，该切换算法能根据电源的使用时长以及当前负载大小自适应调整切换阈值，不仅保证了电源供电的可靠性，也有利于延长电源的整体使用寿命，而目前的双备份电源没有采用与此类似的技术。
附图说明
[0038]
图1为本发明的一种安防设备智能双备份电源与电源切换算法结构框图。
具体实施方式
[0039]
参照图1，本发明提出的一种安防设备智能双备份电源与电源切换算法，包括：arm嵌入式处理器、主电源、备用电源、控制电路1、控制电路2、控制电路3、控制电路4、负载电流检测电路、电源输出分配矩阵、数据存储电路、信号采集电路、网络通讯电路、串口通讯电路以及慧电切换算法。
[0040]
本实施方案中，主电源和备用电源采用大功率开关电源，每个电源额定输出功率为450w。通过控制电路1和控制电路2实现主电源和备用电源的输入端与220v交流电源相连接，处理器可通过控制电路1和控制电路2实现主电源和备用电源输入端的接通和断开，从而控制主电源和备用电源开机或者关机。
[0041]
本实施方案中，负载电流检测电路采用max4080电流检测芯片，可以实时检测负载电流，并通过信号采集电路将负载电流采集到处理器中，为电源负载实时功率计算及慧电切换算法提供数据。
[0042]
本实施方案中，如图1所示，控制电路3和控制电路2采用同一逻辑控制信号a，控制信号a由处理器的gpio控制，实现主电源的直流输出和备用电源交流输入同步逻辑控制，但两者具有不同功率驱动电路。具体是：控制信号a输出低电平，主电源的直流输出接通，备用电源的交流输入断开；控制信号a输出高电平，主电源的直流输出断开，备用电源的交流输入接通。
[0043]
控制电路4和控制电路1采用同一逻辑控制信号b，控制信号b由处理器的gpio控制，实现备用电源的直流输出和主电源交流输入同步逻辑控制，但两者具有不同功率驱动电路。具体是：控制信号b输出低电平，备用电源的直流输出接通，主电源的交流输入断开；控制信号b输出高电平，备用电源的直流输出断开，主电源的交流输入接通。
[0044]
控制信号a和控制信号b的逻辑控制真值表如表1所示。
[0045]
表1慧电切换逻辑控制真值表
[0046][0047]
根据表1，arm嵌入式处理器通过gpio引脚驱动控制信号a和控制信号b，有4种逻辑状态。
[0048]
(1)当控制信号a和控制信号b均为低电平时，由于主电源和备用电源的输入输出控制互锁，导致电源的输出状态失控不确定，此状态为系统禁止状态。arm嵌入式控制器在开机复位后，在初始化程序中需要对控制信号a和控制信号b进行初始化，禁止系统进入该状态。
[0049]
(2)当控制信号a为低电平，b为高电平，此时主电源的输入、输出端导通，备用电源的输入、输出端断开。该状态下主电源供电，备用电源处于关机备份状态。
[0050]
(3)当控制信号a为高电平，b为低电平，此时主电源的输入、输出端断开，备用电源的输入、输出端接通。该状态下备用电源供电，主电源处于关机备份状态。
[0051]
(4)当控制信号a为高电平，b为高电平，此时主电源的输入、输出端接通，备用电源的输入、输出端接通。该状态下主电源和备用电源同时供电，处于热备份供电状态。
[0052]
除第一种状态在初始化代码中被禁止以外，智能双备份电源供电装置可以工作在其余3种状态中的任一种状态或者其组合状态，通过选择不同的慧电切换算法，可以实现不同的电源备份供电模式。本发明专利具有6种慧电切换算法。
[0053]
这6种慧电切换算法的具体实施方式如下：
[0054]
(1)双电源热备份供电算法。处理器通过gpio驱动逻辑控制信号a为高电平，b为高电平，此时主电源的输入、输出端接通，备用电源的输入、输出端接通，供电装置工作在前述的第4种工作状态。选择双电源热备份供电算法，主电源和备用电源同时供电，系统处于热备份供电状态，一旦其中一个电源出现故障，另一个电源可无缝切换，切换时间零延时，适用于对电源可靠性要求较高的应用场所。
[0055]
(2)双电源冷备份供电算法。缺省状态下处理器通过gpio驱动逻辑控制信号a为低电平，b为高电平，主电源的输入、输出端接通，备用电源的输入、输出端断开，供电装置工作在前述的第2种工作状态。选择冷备份供电算法，供电装置由主电源供电，备用电源处于关机备份状态。处理器利用内部定时器每隔1ms检测一次主电源和备用电源的供电电压，一旦检测到电源电压uo》14v或者uo《11v,立即启动切换代码，使逻辑控制信号a输出高电平，逻辑控制信号b输出低电平，主动切换到备用电源，由于采用了电源故障主动检测技术，可以实现备用电源主动无缝切换。
[0056]
(3)双电源工作时间均等切换供电算法。初始化arm嵌入式处理器中的定时器timer1，timer1的定时中断时间为
△
t0，在定时器timer1的中断服务程序中，累计供电电源的供电时间ti＝t
i-1

△
t0，i为中断次数计数器。初始时，使控制信号a为低电平，b为高电平，主电源的输入、输出端接通，备用电源的输入、输出端断开，主电源供电，备用电源关机，
timer1中断服务程序累计主电源供电时间，当主电源累计工作时间大于预设的工作时间阈值，即ti》ts时，处理器主动控制输出电路，使控制信号a输出高电平,b也为高电平，此时主电源和备用电源均接通，当处理器检测到主电源和备用电源均正常后，使控制信号a变为高电平，控制信号b变为低电平，切换到备用电源供电，主电源关机。此时开始累计备用电源供电时间，当达到备用电源切换时间阈值时，处理器采用同样控制方法，主动控制输出电路无缝切换到主电源供电，如此循环往复，实现双电源供电时间均等，提高电源整体使用寿命。
[0057]
(4)双电源输出电量均等切换供电算法。同样初始化arm嵌入式处理器中的定时器timer1，timer1的定时中断时间为
△
t0，在定时器timer1的中断服务程序中，计算供电电源累计输出的供电量wi＝w
i-1

△
w0，i为定时器中断次数计数器，wi为第i次定时器中断时供电电源输出的总电量，
△
w0为
△
t0时间内供电电源输出的电量,
△
w0＝ii*ui*
△
t0,第i次定时器中断时，供电电源累计输出的供电量为：
[0058][0059]
其中ii为i时刻负载电流，ui为i时刻供电电压，
△
t0为定时器定时时间，由用户自行设定。当主电源累计输出供电量wm大于预设的切换阈值ws时，
[0060]
处理器主动控制输出电路，使控制信号a输出高电平，b也为高电平，此时主电源和备用电源均接通，当处理器检测到主电源和备用电源均正常后，使控制信号a变为高电平，控制信号b变为低电平，切换到备用电源供电，主电源关机。切换到备用电源后，开始累计备用电源输出的供电电量wb，当wb大于预设的切换阈值ws时，处理器采用同样控制方法，主动控制输出电路无缝切换到主电源供电，如此循环往复，实现双电源输出电量均等切换供电，提高电源整体使用寿命。
[0061]
(5)自适应双电源供电模糊切换算法。时间均等切换算法和供电量均等切换算法的切换阈值ts和ws都是固定，不能随着电源工作时间和负载变化而自动调整阈值。自适应双电源供电模糊切换算法在时间均等切换算法的基础上，能根据电源的使用时长以及当前负载参数的变化自动调整切换阈值fs。
[0062]
输入变量ti为i时间电源使用的累计总时长，ta为电源使用周期(根据电源使用寿命和用户对电源的可靠性要求确定)变量ti的论域为[0，ta]，ii为i时间负载电流，im为电源输出的最大工作电流，变量ii论域设定为[0，im]，输出变量fi为第i时间段的切换时间，其论域设定为[2，48]，单位为小时。对输入输出变量进行模糊化，各划分为7个模糊等级，得到输出变量fi的模糊控制规则表。
[0063]fi
的模糊控制规则表
[0064][0065]
根据输入输出变量ti和ii的模糊变量值查模糊控制规则表得到切换阈值fi的模糊变量值，采用三角函数作为隶属度函数，分别得到输入输出变量的模糊隶属度采用重心法去模糊，得到切换阈值：
[0066][0067]
其中：fi为输出的模糊变量值，为输出模糊变量的隶属度
[0068]
得到切换阈值fi后，就可以采用工作时间均等切换供电算法一样的操作方法实现供电切换操作。
[0069]
(6)电源温度检测切换供电算法。电源工作时的温度和电源的输出功率、工作时间长短及电源内部元器件老化都有密切联系，通过电源的温升来主动实现主、备电源切换。供电装置内部有温度传感器lm75a，lm75a通过i2c和嵌入式处理器连接，实时监测主电源和备用电源的温度。主电源供电时，当监测到主电源的温度升高到切换阈值，即tempm》temps时，处理器主动控制输出电路无缝切换到备用电源供电；同样，备用电源供电时，一旦测到备用电源的温度升高到切换阈值，即tempr》temps时，处理器主动控制输出电路无缝切换到主电源供电，如此循环往复。
[0070]
本实施方案中，所述的arm嵌入式处理器采用stm32f103rct6，但本发明并不限于使用stm32f103rct6。
[0071]
本实施方式中，电源输出分配矩阵由4片74hc573d芯片设计而成，共32路输出，控制32路功率继电器，每路继电器输出负债电流小于或等于3a。通过电源输出分配矩阵，处理器可以控制每一路负载的通断，实现远程智能化网络控制与管理。
[0072]
本实施方式中，信号采集电路利用arm嵌入式处理自身的a/d采集电路和i2c接口，
采集双备份电源的电压、电流、温度等信息，为慧电切换算法提供实时数据，同时将采集到的数据存储在供电装置的存储器中。
[0073]
本实施方式中，网络通讯电路提供3个以太网接口，支持udp、tcp client、tcp server通讯服务。
[0074]
本实施方式中，串口通讯电路提供rs232、rs485通讯接口，可和其它外设模块连接。
[0075]
本实施方式中，还设计有触摸屏lcd，可以显示系统的网络参数、端口状态、系统参数、故障状态等信息。
[0076]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。