一种消防栓仪表、无线传输系统与电源管理电路的制作方法

本实用新型涉及一种电源管理电路及以该电源管理电路构建的消防栓仪表与无线传输系统，具体地说，涉及一种能有效提高电池中电能利用率的电源管理电路及以该电源管理电路构建的内置电池供电式消防栓仪表与无线传输系统。

背景技术：

在现有消防栓水压表等仪表中，基本上是采用外部电源进行供电，但由于受限于消防栓现场安装工况及密封安全性等要求，需要采用内置电池的方式以解决仪表现场供电不便及安全性问题，但在采用内置电池进行供电时，随着电池供电电压的降低而无法满足系统用电需求时，不仅需要进行频繁地更换电池，且存在电池电能利用率偏低的问题；此外，随着物联网技术的发展与普及，需在此类消防栓仪表中加入无线传输模块以实现数据网络化，使电池的更换频率进一步加大，导致内置式电池这种安全的供电方式在消防栓仪表等设备中的应用进一步受限。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的是提供一种内置电池供电式消防栓仪表，以提高电池电能的利用率的同时，优化其功耗管理；

本实用新型的另一目的是提供一种适于上述消防栓仪表使用的电源管理电路；

本实用新型的再一目的是提供一种适于上述消防栓仪表使用的无线传输系统。

为了实现上述主要目的，本实用新型提供的消防栓仪表包括无线传输电路、数据采集电路、壳体及内置于该壳体内的电池连接端子与电源管理电路，电源管理电路包括超级电容、电容电压监测电路、控制电路、升压电路、第一降压电路及第二降压电路；电容电压监测电路用于监测超级电容的输出电压并向控制电路输出电容电压监测信号；控制电路接收数据采集电路所采集的数据，并依据采集数据输出预充电升压控制信号及降压控制信号，及依据电容电压监测信号输出补充充电升压控制信号；升压电路受控于预充电升压控制信号而将电连接在电池连接端子上的电池的输出电压升压至第一电压后向超级电容输出预充电电压，及受控于补充充电升压控制信号而将电池的输出电压升压至第二电压后向超级电容输出补充充电电压；第一降压电路受控于降压控制信号而将第一电压与经预充电后的超级电容的输出电压并联后，再经降压并向无线传输电路输出工作电压；第二降压电路至少向控制电路与数据采集电路输出由超级电容的输出电压经降压成的工作电压。

在工作过程中，由于在供电电池与功耗负载间设置了升压电路，从而可将供电电池的输出电压升压至大于各负载的工作电压，以在电池输出电压低于负载工作电压时仍能为它们进行供电，有效地提高供电电池的电能利用率；当无线传输电路需启动并进行数据传输时，先对超级电容进行预充电，再通过第一降压电路联合经预充电后的超级电容与升压电路的输出电压，并将二者的输出电压并联后再降压至无线传输电路的工作电压，以利用超级电容可提供大瞬态电流的特点，为无线传输电路提供启动时所需的大瞬态电流，从而不会把前端电压拉得太低，并在无线传输电路正常工作后，升压电路持续为无线传输电路的正常工作提供大电流，且基于超级电容两端仍与升压电路的输出端并联而可同时对超级电容进行补充充电；在整个过程中，利用超级电容为控制电路、显示屏与数据收集电路等其他负载供电，以在超级电容输出电压低于电压阈值时或无线传输电路需启动时之外的其他时间内，升压电路及第一降压电路均处于休眠状态或停机状态，有效地降低整体的功耗。

具体的方案为电池连接端子与升压电路间耦接有防止电池反接的防反接电路，以防止电池反接时对后续电路造成破坏；防反接电路包括两个漏极相连接的P沟道场效应管，一个的源极与电池连接端子电连接，另一个的源极与升压电路电连接，两个的栅极相连后通过偏置电阻接地。通过将防反接电路设置成由两个串联的场效应管构成，以替代现有技术中的二极管，可有效地降低防反接电路上的压降。

另一个具体的方案为升压电路的分压参考网络中串联有通断控制开关，所述通断控制开关与升压电路同步受控于升压控制信号；升压电路的输入端与输出端间并联有续流二极管，续流二极管的正极与输入端电连接。通断控制开关基于升压控制信号控制分压参考网络与升压电路同步通断电，以在升压电路不工作时，断开分压参考网络以减少对超级电容上电能的不必要消耗，进一步降低设备的功耗。通过在升压电路的两端旁接续流二极管，从而可在首次启动或超级电容中电压由于未及时更换电池而偏低时，使电池的供电电压直接通过该续流二极管以对超级电容进行启动充电，以将超级电容的输出电压充电至高于控制电路的工作电压，从而可供电给控制电路工作而可控制升压电路等负载进行工作；并在超级电容的输出电压高于供电电池的供电电压时，使续流二极管截止而降低功耗。

优选的方案为电源管理电路包括电池电压监测电路及电池更换提醒电路，电池电压监测电路用于监测电池的输出电压并向控制电路输出电池电压监测信号；控制电路依据电池电压监测信号控制电池更换提醒电路发出提醒信息。可在电池电能不能持续供电预定时长以上时，提醒维护人员进行更换电池，以便于使用过程中的维护而确保正常使用。

另一个优选的方案为壳体内设置有显示屏，壳体包括用于透视显示屏的显示内容的透明壳体部；电源管理电路包括磁监测装置，磁监测装置用于监测受监测位置处的磁场并向控制电路输出磁场监测信号，控制电路依据磁场监测信号控制显示屏工作预定时长。在有效的减少显示屏的在电池使用周期内的总功耗的同时，提高其使用安全性与延长其使用寿命。

更优选的方案为壳体包括至少一端敞口且大致为柱形的壳主体及与敞口相配合的密封端盖，至少一密封端盖由透明材料制成，透明壳体部设于其中一个由透明材料制成的密封端盖上；磁监测装置为磁簧开关，壳体外通过挂线悬挂有用于触发磁簧开关的永磁铁；壳体为密封壳体。便于操作人员激活显示屏进行显示。

为了实现上述另一目的，本实用新型提供的电源管理电路包括控制电路、超级电容、升压电路及第一降压电路：控制电路用于在需启动大启动电流负载时，输出预充电升压控制信号及降压控制信号；升压电路受控于预充电升压控制信号而将供电装置的输出电压升压至第一电压后向超级电容输出预充电电压；第一降压电路受控于降压控制信号而将第一电压与经预充电后的超级电容的输出电压并联后，再经降压并向大启动电流负载输出工作电压。

具体的方案为电源管理电路包括第二降压电路，第二降压电路向至少一个负载输出由超级电容的输出电压经降压成的工作电压，至少一个负载包括控制电路。

优选的方案为与供电装置耦接的连接端子与升压电路间耦接有防止供电装置反接的防反接电路；防反接电路包括两个漏极相连接的P沟道场效应管，一个的源极与连接端子电连接，另一个的源极与升压电路电连接，两个的栅极相连后通过偏置电阻接地；升压电路的分压参考网络中串联有与升压电路同步受控于升压控制信号的通断控制开关；升压电路的输入端与输出端间并联有续流二极管，续流二极管的正极与输入端电连接。

为了实现上述再一目的，本实用新型提供的无线传输系统包括无线传输电路与电源管理电路；电源管理电路为上述任一技术方案所描述的电源管理电路。

附图说明

图1为本实用新型消防栓仪表实施例的立体图；

图2为本实用新型消防栓仪表实施例的结构分解图；

图3为图2中A局部放大图；

图4为本实用新型消防栓仪表实施例中电源管理电路的原理结构框图；

图5为本实用新型消防栓仪表实施例中防反接电路的电路图；

图6为本实用新型消防栓仪表实施例中升压电路的电路图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本实用新型作进一步说明。

在下述具体实施方式中，以用于探测消防栓中水压的消防栓压力表为例，对本实用新型消防栓仪表的结构与电源管理电路及无线传输系统进行举例性说明，但本仪表的功能并不局限于水压监测，还可通过更换前端的数据收集电路而可用于水质监测等。

消防栓仪表实施例

参见图1至图4，本实用新型内置电池供电式消防栓仪表为内置电池供电式消防栓水压仪表1，包括无线传输电路12、数据采集电路13、壳体及内置于该壳体内的电池10、显示电路590与电源管理电路5。电池10构成本实施例中的供电装置，以输出供电电压，为整个仪表的正常工作提供电能。无线传输电路12用于与远端基站、云平台进行数据交互。对于数据采集电路13所采集的数据，当其数据变化超过设定幅值时，需立即通过无线传输电路12发送至云端；而在数据变化未超过设定幅值时，则按照设定周期将数据采集电路 13所收集的水压数据发送至云端。

壳体为密封壳体，其包括两端敞口且大致为柱形的壳主体20及与两端敞口相配合的密封端盖21、22，在壳主体20的侧壁处固设有接头23，在接头23的相对一侧固设有天线安装台24。在接头23 上套装有用于将整个仪表安装于消防栓上的连接头25，连接头25 内置有水压监测传感器，该水压监测传感器构成本实施例中的数据采集电路。在天线安装台24上设有用于布置天线连接线的线槽240 与线孔241，在完成连接线安装后需用封胶进行密封。当然了，可将天线设置成内置于密封壳体内而无需进行开孔与灌胶密封处理。

在壳主体20的内腔200内固设有用于安装电池10的电池安装座3，电池安装座3包括盘状主体30及固设在盘状主体30上用卡压在电池10两侧上以卡持电池10的弹性卡爪31，电池安装座3在位于电池10的正负极端子处设有电池连接端子32、33，以将电池 10的输出电压供给电源管理电路5，以为各功耗负载提供工作所需电能。

在壳主体20内安装有用于保护焊在电路板11上的元器件的保护罩4，保护罩4包括一端敞口的筒体结构的罩主体40及设于罩主体40上的三个弹性条41，在弹性条41上设有用于卡持电路板11 的卡扣42。

其中，端盖21设置成由透明材料制成，在密封壳体内位于端盖 21的后方安装有液晶显示屏，构成本实施例中的显示电路590，用于显示数据采集电路所采集的水压数据、电池电能剩余量等使用参数及操作人员所期望显示的数据。

参见图4，电源管理电路5包括防反接电路51、升压电路52、超级电容53、电容电压监测电路54、第一降压电路55、第二降压电路56、控制电路57、电池电压监测电路58、电池更换提醒电路 59及磁监测电路591，以将电池10输出的供电电压按需分配给数据采集电路13、无线传输电路12及显示屏等工作负载，为它们的正常工作提供所需电能。

防反接电路51耦接在电池10与升压电路52之间，用于防止因电池10接反而对后续电路造成破坏，在本实施例中，其具体结构如图5所示，包括场效应管Q1、场效应管Q2与偏置电阻R1，两个场效应管均为P沟道场效应管，场效应管Q1的源极与电池10电连接，漏极与场效应管Q2的漏极电连接；场效应管Q2的源极与升压电路 52电连接，两个场效应管的栅极相连后通过偏置电阻R1接地。利用两个场效应管构建成的防反接电路，以利用其内阻低的特点，有效地降低防反接电路所造成的压降。

如图6所示，升压电路52的分压参考网络的两个分压电阻R2、 R3通过场效应管Q4接入升压电路52的电压输出端，即场效应管Q4 构成整个分压参考网络的通断控制开关；场效应管Q4的源极与升压电路52的电压输出端电连接，漏极与分压电阻R2的一端电连接，并通过三极管Q3以利用控制电路57输出的控制信号，同步地控制场效应管Q4通断，即在升压电路52工作时，分压参考网络通电，而在升压电路52不工作时，分压参考网络断电，从而有效地减少升压电路不工作时消耗超级电容输出的电能。

在升压电路52的输入端与输出端间旁接有续流二极管D1，续流二极管D1的正极与升压电路52的输入端电连接。由于超级电容 53未储有电能而无法启动控制电路57，即控制电路57无法向升压电路52输出控制信号而无法启动整个电源管理电路工作；通过在升压电路52的两端旁接续流二极管D1，以在首次启动时，电池10的供电电压可通过该续流二极管D1对超级电容53进行启动充电，以将超级电容53的输出电压充电至高于控制电路57的工作电压，从而供电给控制电路57工作而可控制升压电路52等负载进行工作，从而可启动整个电路进行正常工作；并在超级电容53的输出电压高于电池10的输出电压时，可使续流二极管D1截止而降低功耗。

升压电路52将电池10输出的供电电压升压至高于第一电压的升压输出电压，并施加在超级电容53上以对其进行充电，第一电压被配置为高于控制电路57、无线传输电路12及数据采集电路13等功耗负载的工作电压，以为它们的正常工作提供保障，比如，在本实施例中，控制电路57、数据采集电路13及显示屏的工作电压为 3.3V，而无线传输电路12的工作电压为3.3V-3.6V，且在3.6V时达到最佳工作状态，将升压电路52的升压输出电压配置为5V。

升压电路52受控制电路57控制地对超级电容53进行充电，每次充电终止条件被配置为充电预定时长、充电至超级电容53的输出电压超过阈值、充电至充电量超过阈值或充电电流小于阈值。其中，充电电量为通过实时监测充电电压与充电电流而计算实时功率而累积计算出充电电量。

第一降压电路55受控制电路57控制地，用于将升压电路52的升压输出电压与超级电容55的输出电压并联后再降压至无线传输电路12的工作电压，以为无线传输电路12的正常工作提供电能，在本实施例中，第一降压电路55的输出电压被配置为3.6V。

第二降压电路56用于将超级电容53的输出电压降压至适配控制电路57、数据采集电路13等除了无线传输电路之外的功耗负载的工作电压，控制电路57、数据采集电路13及显示屏等除了无线传输电路之外的功耗负载构成本实施例中的“至少一负载”，即在本实施例中的“至少一负载”被配置为除了大启动电流负载之外的其他功耗负载，以为它们的正常工作提供电能，在本实施例中，第二降压电路56的降压输出电压被配置为3.3V，第二降压电路56在整个电池工作周期过程中，始终对超级电容53的输出电压进行降压，以确保控制电路57持续工作及数据采集电路13按预定时机进行工作收集数据。

通过电池电压监测电路58对电池的输出电压进行监测，并向控制电路56输出电压监测信号，控制电路56在电压监测信号表明电池10的输出电压低于设定阈值时，向电池更换提醒电路59输出控制信号，以控制其发送更换提醒信号，更换电池提醒电路59可为蜂鸣器或被配置为通过无线传输电路向云台发送的更换提醒信息、电池电量信息或电池电量低于阈值信息。

通过电容电压监测电路54对超级电容55的输出电压进行监测，并向控制电路56输出电压监测信号，控制电路56在监测信号表明超级电容53的输出电压低于电压阈值时，向升压电路52输出控制信号，以控制升压电路52开启工作并向超级电容53输出电压，以对超级电容53进行补充充电，即将超级电容53的电压充电至高于 3.6V的预定电压，即能功耗负载提供工作所需工作电压。

当需要通过无线传输电路12向无线网络上传水压数据时，在本实施例中，上传水压数据的时机被配置为当水压值波动值大于阈值时或定期进行上传水压数据，当需要上传水压数据时，控制电路57 先向升压电路52输出控制信号，控制其启动工作以对超级电容53 进行预充电，其可为预充电预定时长、预充电至电容输出电压高于阈值、充电至充电电量超过阈值或充电电流小于阈值。在完成对超级电容53的预充电后，向第一降压电路55输出控制信号，控制其启动工作，以将升压电路52的升压输出电压与超级电容53的输出电压并联后再降压至无线传输电路13的工作电压，即在电路中，升压电路52的输出端子、超级电容53的连接端子及第一降压电路55 的输入端子通过导线相连接，从而在无线传输电路12进行正常工作后，升压电路52继续向超级电容53进行补充充电及向无线传输电路12持续输出工作所需的大电流。

在本实施例中，磁监测电路591为固设在电路板上的磁簧开关，用于探测其自身安装位置处的磁场变化幅值，磁簧开关向控制电路输出启闭信号。以使实际使用过程中，操作人员想要通过显示屏显示当前水压、电池容量等数据时，通过外置的永磁铁靠近磁簧开关所在位置而使磁簧开关闭合，控制电路在接收到磁簧开关输出的闭合信号后，控制显示屏工作预定时长并显示操作人员的期望数据。并在显示预定时长后主动停止显示而节约功耗，即监测信号显示磁场变化幅值超过阈值时，控制显示屏工作预定时长。此外，可采用磁传感器替代磁簧开关以构成本实施例中的磁监测装置。

上述电源管理电路5对电池等电源的管理方法包括以下步骤：

第一降压步骤，将超级电容53的输出电压降压至适配至少一个负载并供给该至少一个负载工作。

在本实施例中，上述“至少一负载”被配置为控制电路54、显示屏与数据采集电路13，该降压工作由第二降压电路56完成，其实时地输出电能以确保整个消防栓仪表能够持续且正常的工作，而此时，升压电路52、第一降压电路55均处于不工作状态，能有效地减少电池电能的消耗。

第一判断步骤，判断是否需启动大启动电流负载。在本实用新型中，大启动电流负载被配置为启动时瞬态电流大于其正常工作时电流的负载。在本实施例中，大启动电流负载被配置为无线传输电路12，其在启动上传数据时的瞬态电流比正常工作时的电流要大很多，此外，大启动电流负载还可为电机、电磁泵、线圈等呈感性的感性负载。

第一升压步骤，若在第一判断步骤中，判断出需启动大启动电流负载，则将供电电压升压至高于第一电压以对超级电容进行预充电。在本实施例中，通过控制电路57控制升压电路52进行工作而将电池10的输出电压进行升压至5V后，对超级电容53进行预充电，以为大启动电流负载工作提供所需的大瞬态电流。

第二降压步骤，将升压后的电压与经预充电后的超级电容53的输出电压并联后，再降压至适配大启动电流负载并供给大启动电流负载工作。

在本实施例中，控制电路57控制第一降压电路55将升压电路 52的输出电压与超级电容53的输出电压并联后，再降压至适配无线传输电路12的工作电压。

第二判断步骤，判断超级电容53的输出电压是否低于电压阈值。在本实施例中，通过电容电压监测电路54向控制电路57输出电压监测信号，以根据电压监测信号判断超级电容53的输出电压是否低于电压阈值，比如，在本实施例中，该电压阈值被配置为3.3V，即控制电路57等负载的正常工作电压。

第二升压步骤，若在第二判断步骤中，判断出超级电容53的输出电压低于电压阈值时，则将供电电压升压至高于第二电压以对超级电容进行补充充电。在本实施例中，对超级电容53进行预充电与进行补充充电的电压被配置为等值，即升压电路52的升压输出电压为定值，在本实施例中该定值被配置为5V。

第三判断步骤，判断供电电压是否小于第二阈值。在本实施例中，通过电池电压监测电路58向控制电路57输出电压监测信号，以根据电压监测信号判断电池10的输出电压是否低于阈值，即电池 10的电能低于阈值，表示其在继续使用预定时长后将难以满足整个仪表的工作所需。

更换电池提醒步骤，若在第三判断步骤中，判断出供电电压小于阈值，则发出提醒信息。此时，控制电路57向更换电池提醒电路输出控制信号，使其进行工作而提醒需更换电池，比如通过无线传输电路12将更换电池提醒信息发送至云平台，以便于对设备进行维护。

第四判断步骤，判断密封壳体内受监测位置处的磁场变化幅值是否大于阈值。

通过固设在电路板上而内置于密封壳体内的磁簧开关，对磁簧开关安装位置处的磁场变化幅值进行监测，“该受监测位置的的磁场变化幅值是否大于阈值”在本实施例中被配置为使磁簧开关闭合的磁场变化幅值。

显示步骤，若密封壳体内受监测位置处的磁场变化幅值大于阈值，则向内置于密封壳体内的显示屏供电预定时长并显示显示内容。

在上述电源管理电路中，用于执行第一判断步骤的控制电路57 与数据采集电路13一起构成本实施例中的第一判断电路，用于执行第二判断步骤的电容电压监测电路54与控制电路57一起构成本实施例中的第二判断电路，用于执行第三判断步骤的电池电压监测电路58与控制电路57一起构成本实施例中的第三判断电路，用于执行第四判断步骤的磁簧开关与控制电路57一起构成本实施例中的第四判断电路。

电源管理电路与无线传输系统实施例

在上述消防栓仪表实施例中已对本实用新型电源管理电路实施例与无线传输系统实施例进行了说明，在此不再赘述，当然了，本实用新型提供电源管理电路与无线传输系统实施例不仅只适用于上述消防栓仪表实施例。

在上述实施例中，将“至少一负载”配置为除了大启动电流负载之外的其他功耗负载，其只为一种优选方案，不可理解为对本实用新型中的对“至少一负载”的范围进行限制，例如，可在工作需要时，将其他需与大启动电流负载同步工作的负载并联于大启动电流负载两端以进行同步控制，即在本实用新型中，“至少一负载”被配置为由“第一降压电路”供电的大电流启动负载之外且由“第二降压电路”供电的一个以上的功耗负载。此外，可通过配置多个输出电压不同的“第二降压电路”为工作电压不同的功耗负载供电，和/或配置多个输出电压不同的“第一降压电路”为工作电压不同的大启动电流负载供电。

在上述实施例中，通过使磁簧开关闭合而触发显示屏工作，当然了也可通过触发开关开启而触发显示屏工作。

在上述实施例中，磁簧开关构成向控制电路输出启闭信号的触发信号的非接触式触发开关，以控制显示器等工作负载工作预定时长；其还可使用光电传感器作为非接触式触发开关，并在密封壳体上设置允许光束穿过以触发该光电传感器的透明壳体部，即光电传感器为用于监测预定位置处的光强变化是否超过阈值的非接触式触发开关。