一种无线电力故障监测系统及监测方法与流程

1.本发明涉及高速公路隧道中机电设备监测技术领域，尤其涉及一种无线电力故障监测系统及监测方法。


背景技术：

2.我国高速公路总长度在迅速增长，高速公路广泛向山区延伸，隧道数量不断增多。隧道内环境恶劣，例如经常出现潮湿、渗水、油污、积尘、尾气等情况，这种恶劣的环境容易导致机电设备的电力故障频发。当隧道内的机电设备发生电力故障后，设备无法正常工作，若不能及时发现并维护，故障点累积增多还容易使整个隧道的机电系统总体瘫痪，极易造成隧道安全事故，导致人员伤亡与巨大的经济损失。
3.目前，隧道内的机电设备大多利用机电设备的自检功能，且大多采用有线方式对故障状态进行数据传输。当隧道机电设备发生故障后，在隧道管理所远程监控室往往只能反应出系统或某机电设备不能用，难以判断是有线通信线路故障还是设备自身故障，而设备自身故障时，也难以判断是设备的电力故障还是功能性故障，且无法精准确定故障的位置。机电设备的故障排查往往只能通过人步行进隧道现场逐一检查，因故障原因及故障地点事先未知，有时候往往需要专业人士多次往返才能排除故障，耗时又费力。目前尚没有一种专门的监测系统用于机电设备的无线电力故障监测，因此，亟需一个能够准确监测隧道内机电设备的电力故障的无线监测终端，满足隧道机电设备高效、智能运维需要。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种无线电力故障监测系统及监测方法，以解决现有技术中存在的问题。
5.为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：
6.第一方面，本发明提供一种无线电力故障监测系统，包括：控制主机、网关、无线通信模块和监测终端，所述监测终端设置于待测隧道内且与待测机电设备连接，所述无线通信模块设置于所述监测终端上，所述网关设置于所述待测隧道的隧道口处，且与所述无线通信模块无线通信连接，所述控制主机与所述网关通过总线串行通信连接；
7.所述监测终端包括直流供电检测电路、交流供电检测电路以及开关量输出控制电路，所述直流供电检测电路、所述交流供电检测电路以及开关量输出控制电路均与所述待测机电设备连接；
8.所述直流供电检测电路用于采集所述待测机电设备的直流供电状态，并将检测到的直流供电状态通过所述通信模块发送至所述网关；
9.所述交流供电检测电路用于采集所述待测机电设备的交流供电状态，并将检测到的交流供电状态通过所述通信模块发送至所述网关；
10.所述开关量输出控制电路用于对机电设备进行开关量控制；
11.所述网关用于将所述控制主机产生的数据透传命令、直流供电检测命令、交流供
电检测命令、和开关量输出控制命令至所述监测终端。
12.可选地，所述开关量输出控制电路包括电阻r1、光电耦合器to1、电阻r2、电阻r3、第二三极管、电阻r4、电容c1，所述光电耦合器to1的输入侧为第一发光二极管，所述光电耦合器to1的输出侧为第一三极管；
13.所述电阻r1的第一端与gpa1引脚连接，所述电阻r1的第二端与所述第一发光二极管的正极连接，所述第一发光二极管的负极接地，所述第一三极管的集电极接12伏电源，所述第一三极管的发射极与所述电阻r2的第一端连接，所述电阻r2的第二端与所述第二三极管的基极连接，且所述电阻r2的第二端与所述电阻r3的第一端连接，所述电阻r3的第二端与所述第二三极管的发射极连接，且所述电阻r3的第二端接地，所述第二三极管的集电极与所述电阻r4的第一端连接，所述电阻r4的第二端与所述电阻r3的第二端连接，所述电阻r4的第一端还与所述电容c1的第一端连接，所述电容c1的第二端与所述电阻r4的二端连接。
14.可选地，所述直流供电检测电路包括电阻r5、光电耦合器td1、电阻r6、电阻r7和电容c2，所述光电耦合器td1的输入侧为第二发光二极管，所述光电耦合器td1的输出侧为第三三极管；
15.所述电阻r5的第一端为正输入端，所述电阻r5的第二端与所述第二发光二极管的正极连接，所述第二发光二极管的负极为负输入端，所述第三三极管的集电极与所述电阻r6的第一端连接，所述第三三极管的发射极接地，所述电阻r6的第二端与3.3伏电源连接，所述电阻r6的第一端还与所述电容c2的第一端和电阻r7的第一端连接，所述电容c2接地，所述电阻r7的第二端与gpb1引脚连接。
16.可选地，所述交流供电检测电路包括二极管d3、电阻r8、电阻r9、电容c3、光电耦合器ta1、电阻r10、电容c4以及电阻r11，所述光电耦合器ta1的输入侧为第三发光二极管，所述光电耦合器ta1的输出侧为第四三极管；
17.所述二极管d3的正极为交流正极输入端，所述二极管d3的负极与所述电阻r8的第一端连接，所述电阻r8的第二端与所述电容c3的第一端和所述电阻r9的第一端连接，所述电容c3的第二端为交流负极输入端，所述电阻r9的第二端与所述第三发光二极管的正极连接，所述第三发光二极管的负极与所述电容c3的第二端连接，所述第四三极管的集电极与所述电阻r10的第一端、所述电阻r11的第一端以及所述电容c4的第一端连接，所述第四三极管的发射极接地，所述电阻r10的第二端与3.3伏电源连接，所述电阻r11的第二端与gpb5引脚连接，所述电容c4的第二端接地。
18.第二方面，本技术实施例还提供一种无线电力故障监测方法，应用于第一方面所述的无线电力故障监测系统，包括：
19.控制主机通过网关向监测终端发送命令；
20.监测终端通过无线通信模块接收所述命令，在所述命令为数据透传命令的情况下，通过485外部端口将数据透传命令中包含的需要透传的数据传输到现场待测机电设备，若现场待测机电设备有数据通过485外部端口返回到监测终端，将该返回数据发送给网关；
21.在所述命令为直流供电检测命令的情况下，控制直流供电检测电路对由直流供电的现场待测机电设备的直流供电状态进行检测，并将直流供电状态返回给网关；
22.在所述命令为交流供电检测命令的情况下，控制交流供电检测电路对由交流供电
的现场待测机电设备的交流供电状态进行检测，并将交流供电状态返回给网关。
23.可选地，在所述命令为终端故障诊断命令的情况下，所述监测终端对自身进行故障诊断，并将终端故障状态信息返回给网关。
24.可选地，在所述命令为参数配置命令的情况下，所述监测终端对自身的无线组网id以及通信网络参数进行配置，配置后对终端进行系统重启。
25.可选地，所述命令携带无线组网id，所述监测终端通过无线通信模块接收所述命令之后，所述方法还包括：
26.所述监测终端判断命令中包含的无线组网id与自身无线组网id是否相同，如果命令中的无线组网id与终端自身的无线组网id相同，则执行命令对应的操作。
27.有益效果：
28.本发明提供的无线电力故障监测系统，包括控制主机、网关、无线通信模块和监测终端，监测终端包括直流供电检测电路、交流供电检测电路以及开关量输出控制电路，这样，监测终端基于控制主机的命令，可以实现数据透传、直流供电检测、交流供电检测、和开关量输出控制的功能，能够准确监测隧道内机电设备的电力故障，满足隧道机电设备高效、智能运维需要。
附图说明
29.图1为本发明优选实施例的一种无线电力故障监测系统结构图；
30.图2为本发明优选实施例的监测终端的结构图；
31.图3为本发明优选实施例提供的1路开关量输出控制电路的电路图；
32.图4为本发明优选实施例提供的1路直流供电检测电路；
33.图5为本发明优选实施例提供的1路交流供电检测电路；
34.图6为本发明优选实施例提供的一种无线电力故障监测方法流程图。
具体实施方式
35.下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.请参见图1，本技术实施例提供一种无线电力故障监测系统，包括：控制主机、网关、无线通信模块和监测终端，监测终端设置于待测隧道内且与待测机电设备连接，无线通信模块设置于监测终端上，网关设置于待测隧道的隧道口处，且与无线通信模块无线通信连接，控制主机与网关通过总线串行通信连接；
37.监测终端包括直流供电检测电路、交流供电检测电路以及开关量输出控制电路，直流供电检测电路、交流供电检测电路以及开关量输出控制电路均与待测机电设备连接；
38.直流供电检测电路用于采集待测机电设备的直流供电状态，并将检测到的直流供电状态通过通信模块发送至网关；
39.交流供电检测电路用于采集待测机电设备的交流供电状态，并将检测到的交流供电状态通过通信模块发送至网关；
40.开关量输出控制电路用于对机电设备进行开关量控制；
41.网关用于将控制主机产生的数据透传命令、直流供电检测命令、交流供电检测命令、和开关量输出控制命令至监测终端。
42.在该实施方式中，控制主机与网关通过总线串行通信连接，采用的总线可以是rs485、can、profibus，此处仅作示例，不做限定。
43.本实施例中，无线通信模块为lora无线通信模块，通过采用lora无线通信的方式，解决了有线采集方式布线复杂、施工困难等问题，适用于隧道等复杂的实际情况。上位机还可通过无线，对特定终端设备所接的机电设备进行开关量输出控制，并通过485数据透传功能，对现场485设备进行无线数据通信与控制，从而实现当终端监测到现场设备发生故障而无法对其下的其他机电设备进行控制时，终端对由所监测设备控制的机电设备进行无线控制，有利于保障现场设备故障后的系统安全。
44.在一个可行的实施方式中，如图2所示，监测终端还可以包括220vac转12vdc电源模块、12vdc转3.3vdc电源模块、12vdc转5vdc电源模块、12vdc转12vdc电源模块、lora无线模块、嵌入式mcu、rs485串口通信模块、外部看门狗模块、i/o扩展模块。其中，交流220v市电接lora无线电力故障监测终端的电源输入端，在内部经过220v转12v电源模块输出直流12v电源。该直流12v经过12v转3.3v电源模块输出直流3.3v电压，给嵌入式mcu、lora无线模块、外部看门狗模块、i/o扩展模块、4路交流供电检测电路、8路直流供电检测电路以及8路开关量输出控制电路供电；同时，又经过12v转5v隔离电源模块输出直流5v电压，给rs485串口通信模块提供5v供电。同时，又经过12v转12v隔离电源模块输出直流12v电压，给开关量输出控制电路供电。lora无线电力故障监测终端对外具有8个直流供电检测端口in1～in8、4个交流供电检测端口ac1～ac4、8个开关量输出控制端口do1～do8以及1个485通信端口，用于与外部设备接线。
45.嵌入式mcu分别与lora无线模块、rs485串口通信模块、外部看门狗模块、i/o扩展模块相连接；rs485串口通信模块通过485通信端口与现场带有485通信接口的设备相连；开关量输出控制端口与现场由开关量控制的设备相连实现开关量控制；直流供电检测端口与交流供电检测端口与现场设备的供电电源相连接，实现现场设备的直流与交流供电检测。
46.mcu控制lora无线模块发送或接收无线命令实现无线通信。mcu在接收到lora无线通信命令后，控制相应模块实现特定功能，若需要返回数据到上位机，则通过lora无线模块实现无线发送，将数据返回到上位机，与上位机进行无线通信。
47.mcu通过iic数据通信对i/o扩展模块进行通信与控制，i/o扩展模块具有16路i/o端口，其中的8路作为开关量输出控制电路的控制信号，实现开关量输出控制；另外8路作为直流供电检测电路或交流供电检测电路输出的检测信号，实现直流或交流供电状态检测。
48.可选地，所述开关量输出控制电路包括电阻r1、光电耦合器to1、电阻r2、电阻r3、第二三极管、电阻r4、电容c1，所述光电耦合器to1的输入侧为第一发光二极管，所述光电耦合器to1的输出侧为第一三极管；
49.所述电阻r1的第一端与gpa1引脚连接，所述电阻r1的第二端与所述第一发光二极管的正极连接，所述第一发光二极管的负极接地，所述第一三极管的集电极接12伏电源，所述第一三极管的发射极与所述电阻r2的第一端连接，所述电阻r2的第二端与所述第二三极管的基极连接，且所述电阻r2的第二端与所述电阻r3的第一端连接，所述电阻r3的第二端与所述第二三极管的发射极连接，且所述电阻r3的第二端接地，所述第二三极管的集电极
与所述电阻r4的第一端连接，所述电阻r4的第二端与所述电阻r3的第二端连接，所述电阻r4的第一端还与所述电容c1的第一端连接，所述电容c1的第二端与所述电阻r4的二端连接。
50.在本可选的实施方式中，如图3所示，gpa1～gpa8分别为从i/o扩展模块输出到8路开关量输出控制电路的8路控制信号，图3为第1路开关量输出控制电路，其它7路电路结构与参数相同。mcu通过控制i/o扩展模块来对gpa1的电平进行控制，当控制使gpa1为高电平，该高电平通过电阻r1驱动光电耦合器to1的输入侧光电二极管发光，进而使光电耦合器to1的输出侧导通，+12v通过r2导入三极管q1的基极，从而可使q1集电极开路输出闭合；当控制使gpa1为低电平，光电耦合器to1的输入侧光电二极管不发光，光电耦合器to1的输出端关断，q1的基极无电压，q1集电极开路输出断开。通过开关量输出控制电路的外部接线端口out1+与out1-，实现该路开关量输出，对该路输出所接机电设备进行开关量输出控制。这样，通过设计结构简单的8路开关量控制输出电路，使终端具备了无线开关量输出控制功能，此电路设计使产品体积较小，节省产品造价。
51.可选地，所述直流供电检测电路包括电阻r5、光电耦合器td1、电阻r6、电阻r7和电容c2，所述光电耦合器td1的输入侧为第二发光二极管，所述光电耦合器td1的输出侧为第三三极管；
52.所述电阻r5的第一端为正输入端，所述电阻r5的第二端与所述第二发光二极管的正极连接，所述第二发光二极管的负极为负输入端，所述第三三极管的集电极与所述电阻r6的第一端连接，所述第三三极管的发射极接地，所述电阻r6的第二端与3.3伏电源连接，所述电阻r6的第一端还与所述电容c2的第一端和电阻r7的第一端连接，所述电容c2接地，所述电阻r7的第二端与gpb1引脚连接。
53.在本可选的实施方式中，如图4所示，gpb1～gpb8为i/o扩展模块接收直流供电检测电路输出的检测信号，直流供电检测电路对机电设备的直流供电状态进行检测并转换为开关量检测信号输入到i/o扩展模块，i/o扩展模块与mcu进行数据通信将数据传输给mcu并由mcu解析，得到所接机电设备的直流供电检测状态信息。图4为第1路直流供电检测电路，其它7路与该电路结构和参数相同。将由直流供电的外部机电设备的供电电压的正负极分别接入直流供电检测外部端口的in1+与in1-，当机电设备直流供电正常时，外部5-24v直流供电电压通过r5驱动光电耦合器td1的输入侧光电二极管发光，使td1的输出侧导通，直流供电检测电路输出低电平到gpb1，i/o扩展模块获取该低电平数据，并将数据传输给mcu，mcu对数据进行解析并保存，判定该外部机电设备的直流供电正常；当机电设备直流供电异常时，光电耦合器td1的输入侧光电二极管不发光，td1的输出侧关断，直流供电检测电路输出高电平到gpb1，i/o扩展模块获取该高电平数据，并将数据传输给mcu，mcu对数据进行解析并保存，判定该外部机电设备的直流供电异常。
54.可选地，所述交流供电检测电路包括二极管d3、电阻r8、电阻r9、电容c3、光电耦合器ta1、电阻r10、电容c4以及电阻r11，所述光电耦合器ta1的输入侧为第三发光二极管，所述光电耦合器ta1的输出侧为第四三极管；
55.所述二极管d3的正极为交流正极输入端，所述二极管d3的负极与所述电阻r8的第一端连接，所述电阻r8的第二端与所述电容c3的第一端和所述电阻r9的第一端连接，所述电容c3的第二端为交流负极输入端，所述电阻r9的第二端与所述第三发光二极管的正极连
接，所述第三发光二极管的负极与所述电容c3的第二端连接，所述第四三极管的集电极与所述电阻r10的第一端、所述电阻r11的第一端以及所述电容c4的第一端连接，所述第四三极管的发射极接地，所述电阻r10的第二端与3.3伏电源连接，所述电阻r11的第二端与gpb5引脚连接，所述电容c4的第二端接地。
56.在本可选的实施方式中，lora无线电力监测系统通过4路交流供电检测端口ac1～ac4实现交流供电检测。图5为第1路交流供电检测电路，其他3路与该电路结构和参数相同。光电耦合器ta1、ta2、ta3、ta4的输出侧所接电路与步骤五中的直流供电检测电路的光电耦合器td5、td6、td7、td8输出侧的电路复用。由220vac或380vac交流供电的外部机电设备的电源可接入ac1+、ac1-，当机电设备交流供电正常时，交流电经d3进行半波整流，并经c3滤波后，转换为相对稳定的直流电驱动光电耦合器ta1的输入侧光电二极管发光，使ta1的输出侧导通，输出低电平到gpb5，i/o扩展模块获取该低电平数据，并将数据传输给mcu，mcu对数据进行解析并保存，判定该路外部机电设备的交流供电正常；当机电设备交流供电异常时，光电耦合器ta1的输入侧光电二极管不发光，使ta1的输出侧关断，输出高电平到gpb5，i/o扩展模块获取该高电平数据，并将数据传输给mcu，mcu对数据进行解析并保存，判定该外部机电设备的交流供电异常。
57.值得强调的是，在本实施例中，直流供电检测电路包括8路直流供电检测电路，交流供电检测电路包括4路交流供电检测电路，其中，4路交流供电检测电路与8路直流供电检测电路的其中4路复用了一部分电路，这些设计都大大减小了产品的体积，并节省了产品造价成本，且实用性很强。
58.请参见图6，本技术实施例还提供一种无线电力故障监测方法，应用于如上述的无线电力故障监测系统，包括：
59.控制主机通过网关向监测终端发送命令；
60.监测终端通过无线通信模块接收所述命令，在所述命令为数据透传命令的情况下，通过485外部端口将数据透传命令中包含的需要透传的数据传输到现场待测机电设备，若现场待测机电设备有数据通过485外部端口返回到监测终端，将该返回数据发送给网关；
61.在所述命令为直流供电检测命令的情况下，控制直流供电检测电路对由直流供电的现场待测机电设备的直流供电状态进行检测，并将直流供电状态返回给网关；
62.在所述命令为交流供电检测命令的情况下，控制交流供电检测电路对由交流供电的现场待测机电设备的交流供电状态进行检测，并将交流供电状态返回给网关。
63.在本实施方式中，监测终端接收到网关发送的无线命令后，首先根据无线命令中包含的无线组网id是否与该终端的无线通信id相同来判断是否为控制该终端的无线命令，如果不是，则继续等待无线命令到来，如果是则判断命令是否为485数据透传命令，如果是，则运行数据透传子程序，通过485外部端口将无线命令中包含的需要透传的数据传输到现场设备。若现场设备有数据通过485外部端口返回到lora无线电力故障监测终端，则还会将该返回数据无线发送给电力与网络故障监测通信网关。
64.进一步地，如果不是485数据透传命令，则判断命令是否为直流供电监测命令，如果是，则运行直流供电监测子程序，控制直流供电检测电路对由直流供电的机电设备的直流供电状态进行检测，并将检测到的直流供电状态通过无线返回给电力与网络故障监测通信网关。
65.进一步地，如果不是直流供电监测命令，则判断是否为交流供电监测命令，如果是，则运行交流供电监测子程序，控制交流供电检测电路对由交流供电的机电设备的交流供电状态进行检测，并将检测到的交流供电状态通过无线返回给电力与网络故障监测通信网关。
66.进一步地，如果不是交流供电监测命令，则判断是否为开关量输出控制命令，如果是，则运行开关量输出控制子程序，控制开关量输出控制电路对机电设备进行开关量控制。
67.需要说明的是，监测设备在发送上述的信息时，同时发送机电设备的位置信息，上位机可进一步判断机电设备的电力故障状态，当发生故障时，根据位置信息进行故障定位。
68.可选地，在所述命令为终端故障诊断命令的情况下，所述监测终端对自身进行故障诊断，并将终端故障状态信息返回给网关。
69.进一步地，如果不是开关量输出控制命令，则判断是否为终端故障诊断命令，如果是，则运行终端故障诊断子程序，对终端自身进行故障诊断，并将终端故障状态信息通过无线返回给电力与网络故障监测通信网关。这样，终端不仅可以检测现场机电设备的电力故障状态，还可无线检测终端自身存在的故障，便于远程运营维护。
70.可选地，在所述命令为参数配置命令的情况下，所述监测终端对自身的无线组网id以及通信网络参数进行配置，配置后对终端进行系统重启。
71.进一步地，如果不是终端故障诊断命令，则判断是否为对终端进行参数配置命令，如果是，则运行配置终端参数子程序，对终端的无线组网id以及通信网络等参数进行配置，配置后对终端进行系统重启，如果不是，则监测终端继续等待新的无线命令到来。
72.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。