一种高压电缆接头监控装置的制作方法

1.本发明涉及高压电缆监控管理技术，具体为一种高压电缆头监控装置。


背景技术：

2.传统高压电缆铺设工程没有实现对电缆的运行状况监控及智能化管理，当电缆出现故障如接头爆炸时，检修人员无法快速定位故障点，导致抢修工作量巨大、耗时大。尤其是高压电缆接头存在爆炸危险，并且电缆分布广，接头数量多，出现故障时，检修人员无法迅速定位故障点，因此，高压电缆面临着巨大管理问题。目前没有高压电缆接头温度变化等相关数据，无法提前预测爆炸危险，不能实现高压电缆智能化管理。高压电缆铺设环境恶劣，可能出现高温、低温、长时间雨水浸泡等极端情况。另外，监测装置无法从高压电缆取电，必须自带电源，加上无线信号不稳定，郊区信号极差，目前市面上还没有成熟的高压电缆接头温度监测方案。电缆铺设工程没有预留接头温度监测装置的位置，并且电缆被深埋地下，所以无法直接安装接头监测装置。
3.随着嵌入式与物联网技术、大数据、机器学习及人工智能技术的发展，以上问题将逐渐得到解决。其中嵌入式与物联网技术可实现对高压电缆温度的监测与爆炸故障的感知，同时可通过nb-iot技术上报实时温度及电缆接头爆炸告警。
4.数字温度传感技术：数字温度传感器具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强和精度高的特点，可应用于多种场合如电缆沟测温、机房测温、农业大棚测温等各种非极限温度场合。
5.震动检测技术：包含震动开关及信号放大电路，具有体积小、功耗低、灵敏度高的特点，可用于监测物体是否发生震动。
6.nb-iot技术：支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫做低功耗广域网，支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。基于nb-iot技术，可大幅度降低设备平均功耗，实现一个电池使用十年的目标。
7.目前针对高压电缆监测使用较多的方案一种是nb-iot技术加四个温度传感器，第二种是一个主机加三个无线温度传感器。但是现有的这些技术方案都存在如下缺点：(1)温度传感器单总线通信方式无法判断传感器是否正常工作，并且采集温度耗时较长，不利于降低功耗；(2)没有震动监测功能，无法判断电缆接头是否已经爆炸，也不能准确监测爆炸时间点；(3)传感器与主机之间采用无线通信，增加了无线通信模块、独立微控制器和电池，成本高，可靠性低，配置过程复杂。


技术实现要素：

8.为了解决上述问题，本发明提供一种高压电缆接头监控装置，目的是：(1)解决无法实时监控高压电缆运行状况的问题，提供一种高压电缆接头监控装置的完整解决方案。实现提前预测故障的发生，提前检修，有利于减少故障的发生，并在故障发生时第一时间知晓故障点的位置；(2)实现更高效率的温度采集方法，更好地降低设备整体功耗；(3)实现监
测温度传感器是否正常工作；(4)实现电缆震动监测功能，捕捉电缆接头爆炸时刻及爆炸瞬间的温度值；(5)设备主机通过有线方式连接传感器，保证信号稳定性，提高可靠性，降低安装配置复杂度。
9.本发明解决其技术问题所采用技术方案为：一种高压电缆头监控装置，包括硬件结构和软件模块，其硬件结构包括主板以及分别与所述主板连接的电池、温度传感器、震动传感器和天线，所述电池为所述主板提供电源，所述主板实现采集所述温度传感器和震动传感器实时检测的数据，并将采集到的数据通过所述天线发送出去经软件模块处理，待服务器/管理者等接收数据后作维护管理之用。
10.进一步的，还包括有防水机盒，所述主板和电池安装在所述防水机盒里，所述主板通过有线的方式分别连接所述温度传感器、震动传感器和天线，整机达到ip68防水等级。
11.进一步的，本装置的组装部署方式为：所述温度传感器的量为三个，三个所述温度传感器均匀分布在电缆接头上；所述震动传感器紧贴电缆表面；所述防水机盒上设有挂钩或吊孔，方便所述防水机盒连同所述主板和电池组成的主机挂装在电缆沟壁上；所述天线则安装在电缆沟最上沿，贴近地面。
12.进一步的，所述主板采用型号为stm32l051c8t6的微控制器作为主控制器，该微控制器具有64k flash，8k ram,内核最高运行频率可达32mhz，待机模式下最低电流消耗仅0.27ua，并且工作电压范围宽(1.65v-3.6v)。
13.进一步的，所述主板还包括有由按键电路模块和led电路模块组成的用户交互电路模块，用于用户交互，如按下按键进入配置模式，正常运行模式下开机闪烁几次led，配置模式下led常亮。
14.进一步的，所述电池采用3.6v锂电池，由于电池完全放电时电压可低至2.7v，而传感器的最低工作电压为3.3v，所以需要专门为传感器设计升压电路，保证电池电压下降时传感器仍然能正常工作。本装置的所述主板还包括有升压芯片，所述升压芯片为tps610995drvr，该芯片具有极低的静态电流(400na)，输出电压为3.6v，所述升压芯片分别连接所述温度传感器和震动传感器，为其提供稳定的工作电能。
15.进一步的，所述温度传感器采用型号为ds18b20的温度传感器，所述主板设有三个温度传感器接口和一个震动传感器接口，可实现读取三个ds18b20温度传感器的温度值，同时可接收震动报警信号
16.进一步的，所述天线采用移远bc26作为无线通信模块(nb模块电路)，移远bc26模块具有工作电压范围大(2.1v～3.6v)和功耗低(psm模式下耗流3.6ua)的特点，目前已经支持b1、b3、b5、b8无线频段。该电路模块集成了第四代ipex天线接口，同时又集成了ipex转sma接口，实现既可以安装内置天线，又可以安装外置天线，为产品提供了很大的灵活性。
17.进一步的，所述主板还包括有usim卡接口电路模块和esd防护器件，所述usim卡接口电路模块连接所述天线，为所述天线提供移动数据入网资格认证，usim卡体积比标准sim卡小，有利于缩小主板体积，esd防护器件有利于保护sim卡和主板不被静电干扰和伤害。
18.进一步的，所述主板还包括有电平转换电路模块，有利于减少微处理器与nb模块之间的干扰，提升系统稳定性。
19.进一步的，所述主板还包括有nb模块接口电路模块，所述nb模块接口电路模块连接所述天线，所述nb模块接口电路模块采用了mos管作为nb模块电路的电源开关，可以实现
在nb模块运行出现异常(如联网失败)时给nb模块断电，达到复位nb模块和节省电源消耗的目的。
20.进一步的，所述震动传感器的型号为ant-801s，所述主板还设有rs8907低功耗比较器和分压电路模块，所述主板收集数据时，使用rs8907低功耗比较器对所述震动传感器与分压电路的电压进行比较。当没有检测到震动时，该电路输出高电平，当检测到震动时，该电路将输出低电平。另外，所述主板还设置有tvs防护器件，有利于抑制浪涌，避免震动传感器电路和主板受到浪涌脉冲的损坏。
21.本装置的软件模板包括系统参数管理器、功耗管理器、事管理器、上层应用程序、系统参数、数据采集队列、传感器驱动和天线驱动8大模块。
22.系统参数管理器：主要实现初始化系统运行参数(如数据采集周期、上报周期)、接收并保存设备配置上位机下发的配置参数；
23.功耗管理器：实现微控制器自身的功耗控制，当系统空闲时，使微控制器进入低功耗状态。
24.事件管理器：实现底层事件的上报功能，如定时器唤醒事件、震动报警等事件。当系统处于配置模式下，事件管理器将这些事件上报给系统参数管理器，当系统处于正常运行模式下，事件管理器则将这些事件上报给上层应用程序；
25.上层应用程序：接收定时器唤醒、震动报警等事件，完成采集温度数值并启动数据上报等功能；
26.系统参数：定义了系统运行时的参数，如设备id、采集周期、上报周期等。
27.数据采集队列：用于缓存采集的数据；
28.传感器驱动：实现读取温度传感器的温度值和震动报警；
29.天线驱动：实现发送采集的数据给服务器并接收服务器下发的数据。自动控制bc26模块的功耗，如空闲时自动进入低功耗模式或联网失败时给bc26断电，避免系统长时间高功率运行。
30.本发明的有益效果是：本设计的高压电缆接头监控装置结简单，安装使用方便，解决无法实时监控高压电缆运行状况的问题，实现了提前预测故障的发生，提前检修，有利于减少故障的发生，并在故障发生时第一时间知晓故障点的位置的功能；实现了更高效率的温度采集方法，更好地降低设备整体功耗；实现了监测温度传感器是否正常工作；实现了电缆震动监测功能，捕捉电缆接头爆炸时刻及爆炸瞬间的温度值；本设计的高压电缆接头监控装置的设备主机通过有线方式连接传感器，保证信号稳定性，提高可靠性，降低安装配置复杂度。
附图说明
31.图1为本发明的硬件结构连接示意图；
32.图2为本发明的现场部署示意图；
33.图3为本发明的主控制器电路图；
34.图4为本发明的用户交互电路模块的电路图；
35.图5为本发明的传感器电源电路的升压电路图；
36.图6为本发明的传感器接口电路图；
37.图7为本发明的无线通信模块的电路图；
38.图8为本发明的usim卡接口电路图；
39.图9为本发明的电平转换电路模块的电路图；
40.图10为本发明的nb模块接口电路图；
41.图11为本发明的震动传感器工作原理电路图；
42.图12为本发明的软件结构图；
43.图13为本发明的系统参数管理器运行流程图；
44.图14为本发明的功耗管理器运行状态图；
45.图15为本发明的事件管理器运行流程图；
46.图16为本发明的上层应用程序处理流程图；
47.图17为本发明的上层应用程序处理rtc中断事件运行流程图；
48.图18为本发明的上层应用程序处理震动报警事件运行流程图；
49.图19为本发明的上层应用程序处理天线模块事件运行流程图；
50.图20和图21为本发明的数据采集队列缓存数据流程图；
51.图22为本发明的传感器驱动运行流程图；
52.图23为本发明的天线驱动运行状态图。
具体实施方式
53.下面结合附图对本发明进行进一步的说明。具体实施例仅为本发明代表性之具体实施例，其中所举例之特定方法、装置、条件、材质等并非用以限定本发明或对应之具体实施例。此为，图中各装置仅用于表达其相对位置且未按其实际比例绘述，合先叙明。
54.在本说明书之描述中，参考术语“优选的”“一具体实施例”、“另一具体实施例”或“部分具体实施例”等之描述意指结合该实施例描述之具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语之示意性表述不一定指的是相同之实施例。而且，描述之具体特征、结构、材料或者特点可以在任何之一个或多个实施例中以合适之方式结合。
55.如图1所示，一种高压电缆接头监控装置，其硬件结构包防水机盒1、主板2以及分别与所述主板2连接的电池3、三个温度传感器4、一个震动传感器5和天线6，所述主板2和电池3安装在所述防水机盒1里，所述主板2通过有线的方式分别连接所述温度传感器4、震动传感器5和天线6，整机达到ip68防水等级。所述电池3为所述主板2、温度传感器4、震动传感器5和天线6提供电源，所述主板2实现采集所述温度传感器4和震动传感器5实时检测的数据，并将采集到的数据通过所述天线6发送出去，待服务器/管理者等接收数据后作维护管理之用。
56.如图2所示，本装置的组装部署方式为：三个所述温度传器4均匀分布在电缆接头上；所述震动传感器5紧贴电缆表面；所述防水机盒1上设有挂钩或吊孔，所述防水机盒1连同所述主板2和电池3组成的主机挂装在电缆沟壁上；所述天线6则安装在电缆沟最上沿，贴近地面。
57.进一步的，本设计所述主板1的主控制器电路采用型号为stm32l051c8t6的微控制器，该微控制器具有64k flash，8k ram,内核最高运行频率可达32mhz，待机模式下最低电
流消耗仅0.27ua，并且工作电压范围宽(1.65v-3.6v)，完全适合用在本设计上。主控制器原理图如图1所示。
58.进一步的，所述主板2还包括有用户交互电路模块用于用户交互，用户交互电路模块由按键电路模块和led电路模块组成。如按下按键进入配置模式，正常运行模式下开机闪烁几次led，配置模式下led常亮。用户交互电路原理如图4所示。
59.进一步的，所述电池3采用3.6v锂电池，由于电池完全放电时电压可低至2.7v，而传感器的最低工作电压为3.3v，所以需要专门为传感器设计升压电路，保证电池电压下降时传感器仍然能正常工作。本装置的所述主板还包括有升压芯片，如图5所示，所述升压芯片为tps610995drvr，该芯片具有极低的静态电流(400na)，输出电压为3.6v，完全适用于本系统中，所述升压芯片分别连接所述温度传感器4和震动传感器5，为其提供稳定的工作电能。
60.进一步的，所述温度传感器4采用型号为ds18b20的温度传感器，所述主板设有三个温度传感器接口和一个震动传感器接口，可实现读取三个ds18b20温度传感器的温度值，同时可接收震动报警信号，温度传感器接口和震动传感器接口电路原理如图6所示。
61.进一步的，所述天线6采用移远bc26作为无线通信模块(nb模块电路)，如图7所示，移远bc26模块具有工作电压范围大(2.1v～3.6v)和功耗低(psm模式下耗流3.6ua)的特点，目前已经支持b1、b3、b5、b8无线频段。该电路模块集成了第四代ipex天线接口，同时又集成了ipex转sma接口，实现既可以安装内置天线，又可以安装外置天线，为产品提供了很大的灵活性。
62.如图8所示，所述主板2还包括有usim卡接口电路模块和esd防护器件，所述usim卡接口电路模块连接所述天线，为所述天线提供移动数据入网资格认证，usim卡体积比标准sim卡小，有利于缩小主板体积，esd防护器件有利于保护sim卡和主板不被静电干扰和伤害。
63.如图9所示，所述主板2还包括有电平转换电路模块，有利于减少微处理器与nb模块之间的干扰，提升系统稳定性。
64.如图10所示，所述主板2还包括有nb模块接口电路模块，所述nb模块接口电路模块连接所述天线，所述nb模块接口电路模块采用了mos管作为nb模块电路的电源开关，可以实现在nb模块运行出现异常(如联网失败)时给nb模块断电，达到复位nb模块和节省电源消耗的目的。
65.进一步的，所述震动传感器的型号为ant-801s，如图11所示，所述主板还设有rs8907低功耗比较器和分压电路模块，所述主板收集数据时，使用rs8907低功耗比较器对所述震动传感器与分压电路的电压进行比较。当没有检测到震动时，该电路输出高电平，当检测到震动时，该电路将输出低电平。另外，所述主板还设置有tvs防护器件，有利于抑制浪涌，避免震动传感器电路和主板受到浪涌脉冲的损坏。
66.如图12所示，本装置的系统软件分为系统参数管理器、功耗管理器、事件管理器、上层应用程序、系统参数、数据采集队列、传感器驱动和天线驱动8大模块。
67.系统参数管理器主要用于管理系统的运行参数，同时可通过串口连接系统配置上位机，接收上位机下发的配置参数和测试命令，保存配置参数和返回测试结果。其运行流程如图13所示：首先判断是否第一次启动，是则初始化运行参数再判断是否进入配制模式，否
则直接判断是否进入配制模式，进入配制模式后，判断上位机是否下发配制参数，是则保存参数，否则判断上位机是否下发测试命令，是则执行测试命令再返回测试结果，否则直接返回测试结果，如不进入配制模式则直接结束。
68.功耗管理器实现微控制器的功耗控制功能，在系统空闲时使微控制器进入低功耗状态，达到省电的目的。其运行状态图如图14所示，系统启动后处于正常运行模式，每次任务轮询完成后都停止一下内核，进入轻度睡眠模式，等待定时器或外部中断唤醒后继续进入正常运行模式；当系统空闲即没有任务正在执行时，微控制器进入停止模式，此时功耗降到最低，并且只有外部中断和rtc中断能唤醒微控制器。
69.事件管理器用于上报rtc中断、震动报警等事件给应用程序，其运行流程如图15所示。
70.上层应用程序接收并处理rtc中断、震动报警等事件，采集温度数据并调用天线驱动相关函数启动数据上报，处理流程图如图16所示。具体处理rtc中断事件时，收到rtc中断事件时，应用程序根据当前运行参数决定是否进行数据采集和启动数据上报，运行流程如图17所示。具体处理震动报警事件时，收到震动报警事件时，应用程序立即采集一次数据，然后马上启动数据上报，流程如图18所示。具体处理天线模块(bc26模块)事件时，应用程序接收并处理bc26模块上报的连接成功事件和服务器数据事件，当收到连接成功事件时，同步bc26当前的时间到微处理器的rtc，实现rtc时钟的自动校准；当服务器下发了运行参数，则保存新的运行参数，并立即应用该参数，其处理流程如图19所示。
71.系统参数定义了系统运行时的参数，详细定义如下表所示：
72.[0073][0074]
数据采集队列主要用于缓存采集的数据，当队列未满时，可以缓存数据到队列中，当队列不为空时，可以从队列取出数据，其工作流程如图20和图21所示。
[0075]
传感器驱动实现从ds18b20温度传感器中读取温度数值的功能，先打开传感器电源，然后发送开始转换命令给传感器，然后等待温度转换完成，再读取温度数值，最后关闭传感器电源。其工作流程如图22所示。
[0076]
天线驱动实现发送采集的数据给服务器并接收服务器下发的数据。自动控制bc26模块的功耗，如空闲时自动进入低功耗模式或联网失败时给bc26断电，避免系统长时间高功率运行。如图23所示，本实施例的天线驱动设计了以下状态机，实现连接远程服务器并接收服务器下发的数据的功能。系统刚启动时处于关机状态；启动数据上传后，切换到正在连接状态，开始连接服务器，若连接服务器超时，则重新回到关机状态，若连接成功，则切换到已连接状态并开始数据发送和接收；数据传输完成后，进入空闲状态，直到t3324定时器超时后进入省电状态，等待下次启动数据上报。
[0077]
本实施例的关键技术点在于：(1)采用主机壁挂、有线方式连接传感器和外置天线的设计方案，整机达到ip68防水等级。(2)具有震动监测功能，能够监测到爆炸的发生，并在爆炸发生时立刻上报报警信息；(3)温度超过阈值或出现异常如三个传感器之间的温度相差超过2度时上报报警信息；(4)每个传感器一根总线的接线方法，能监测温度传感器是否正常工作；(5)定时连接并发送温度数值到后台，并实现低功耗运行；(6)设备本身长时间没有数据上报，也可作为电缆接头出现故障的依据；(7)集成了四代ipex天线接口和sma天线接口，主机可以安装内置天线，也可以安装外置天线，其中外置天线可以安装在主机外壳，也可以延申至地面。
[0078]
本实施例的优点在于：(1)定时发送温度数值到后台，实现提前预测故障的发生，提前检修，有利于减少故障的发生；(2)能够监测到爆炸的发生，并在爆炸发生时立刻上报报警信息；(3)每个传感器单独一根总线的温度采集方法，提高了温度采集效率，更好地降低设备整体功耗；(4)能够监测温度传感器是否正常工作；(5)设备主机通过有线方式连接传感器，信号稳定性，可靠性高，安装配置简单。
[0079]
以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。