基于4G无线通信技术的变压器运输在线监测装置的制作方法

本实用新型涉及一种基于4G无线通信技术的变压器运输在线监测装置。通过4G无线通信技术将变压器运输过程中的氮气压力信息、冲击加速度信息、位置信息、车辆速度信息、装置运行信息等上传到后台服务器。

背景技术：

变压器是变电设备中的核心设备，其安全稳定运行是国民经济发展的保证。变压器在出厂后，需要运输到现场，然后安装后运行。变压器在出厂时会做各种型式试验，保证变压器各项参数合格。如果在运输环节出现偏差，同样会对变压器造成巨大损失，严重的会导致变压器直接损坏。一台大型电力变压器价格要在几千万元，一旦发生故障，成本损失巨大。因此，对变压器在运输过程中进行实时监测意义重大。根据国家标准，变压器在运输过程中，影响较大的一共有两个参数，其一是运输时受到的冲击。其二是为了防止变压器内部受潮而充入的干燥保护气体(一般为氮气)泄露。如何对变压器这些参数进行实时监测，并将监测数据快速有效的传输出来，是需要解决的问题。

本设计通过对市场的调研，设计研发一款基于4G无线通信技术的变压器运输在线监测装置。装置结合传感器技术、4G无线通信技术、单片机技术和GPS定位技术，可以很好的对变压器运输过程中各种参数进行实时监测，并通过4G无线传输技术，将采集数据上传到后台服务器。相关人员不在现场也可以第一时间掌握变压器运输情况。克服传统需要大量人员押运现象。在出现问题时，也可以第一时间发现，并采取措施。

技术实现要素：

本实用新型针对传统变压器运输过程中存在的不足，设计研发一款基于4G无线通信技术的变压器运输在线监测装置。可以对变压器运输过程中氮气压力信息、冲击加速度信息、位置信息、速度信息、装置运行信息进行实时在线监测。支持USB现场拷贝功能，支持打印机现场打印功能。采集的数据可以通过4G无线通信快速准确的将信息上传到后台服务器。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：基于4G无线通信技术的变压器运输在线监测装置，包括：CPU以及与其连接的4G无线通信单元、冲击加速度单元、氮气压力采集单元；

所述4G无线通信单元包括4G芯片以及与其连接的SIM卡电路、电源电路、天线电路，以及与电源电路连接的电源管控电路；所述4G芯片与CPU连接。

所述SIM卡电路包括SIM卡以及与其连接的保护管；SIM卡的第一电源端SIMVCC、复位端SIMRST、时钟端SIMCLK、数据端SIMDATA分别与保护管的第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端连接，还分别与4G芯片的各IO端连接；保护管的输出端接地；所述SIM卡的第一电源端SIMVCC、第二电源端SIMVCC经电容C35与SIM卡的接地端连接，SIM卡的接地端接地。

所述电源电路采用电源芯片；所述电源芯片的输入端VIN与电源管控电路的输出端连接，还通过电容C16接地；所述电源芯片的频率选择端FSEL、同步输入端SYNC、接地端PGND接地，使能端EN与电源管控电路的输出端连接，还经电阻R20与电源输出指示端PG连接，开关端SW经电感L2与4G芯片的电源输出端连接，反馈端FB分别经电阻R23和电阻R25与4G芯片的电源输出端、地连接；所述4G芯片的电源输出端与地之间连有电容C22。

所述电源管控电路包括MOSFET和三极管Q9；所述MOSFET源极与电源连接，栅极与三极管Q9的集电极连接，漏极作为电源管控电路的输出端与电源电路连接，还通过二极管D11接地；所述三极管Q9发射极接地，集电极通过电阻R27与电源连接，基极通过电阻R22与CPU的IO端连接。

所述4G无线通信单元还包括网络指示电路，所述网络指示电路与4G芯片连接。

基于4G无线通信技术的变压器运输在线监测装置，还包括GPS定位单元，所述GPS定位单元与CPU连接。还包括触摸屏单元，所述触摸屏单元与CPU连接。还包括USB单元，所述USB单元与CPU连接。还包括打印机单元，所述打印机单元与CPU连接。还包括状态显示单元，所述状态显示单元与CPU连接。

本实用新型具有以下有益效果及优点：

本实用新型基于4G无线通信技术，将变压器运输过程中采集到的数据，通过4G网络无线传输到后台服务器。支持加速度采集功能，可以实时对变压器运输过程中受到的冲击加速度进行采集。支持定位功能，通过GPS定位技术对运输车辆位置信息和速度信息进行获取。支持氮气压力监测功能，通过对变压器本体内部氮气压力进行实时采集，避免因为氮气泄露引起的变压器内部绝缘问题。支持触摸屏显示，采集数据可以通过触摸屏进行显示，操作人员也可以通过触摸屏对装置进行参数设置。支持打印功能，采集的数据，可以通过打印机现场打印。支持USB拷贝功能，采集数据可以通过U盘进行拷贝备份。

附图说明

图1是实用新型结构示意图；

其中，1、电源单元，2、4G无线通信单元，3、冲击加速度单元，4、CPU单元，5、USB单元，6、GPS定位单元，7、氮气压力监测单元，8、触摸屏单元，9、打印机单元，10、状态显示单元；

图2是4G无线通信框图；

图3是4G无线通信电源电路图；

图4是4G无线通信SIM卡电路图；

图5是4G无线通信电源管控电路图

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

本实用新型将单片机技术、4G无线通信技术、定位技术、智能传感器技术应用于变压器运输领域。通过传感器采集到氮气压力信息和冲击加速度信息。通过定位技术获取变压器实际运输的位置信息和车辆速度信息。本实用新型还支持现场USB拷贝功能，用户通过U盘就可以对运输过程中采集的数据进行拷贝。此外还支持打印机功能和触摸屏显示功能。通过4G无线通信技术，将采集的数据上传到后台服务器。相应人员不需要到现场，通过后台页面就可以知道变压器现场运输情况。

基于4G无线通信技术的变压器运输在线监测装置，包括CPU单元4以及与其连接的电源单元1、4G无线通信单元2、冲击加速度单元3、USB单元5、GPS单元6、氮气压力采集单元7、触摸屏单元8、装置显示单元9和打印机单元10；

电源单元，主要实现电压转换和电源管控。CPU单元通过系统控制逻辑和低功耗管理，完成对其输出电压的控制。

4G无线通信单元，采用4G无线通信技术，通过串口通信方式，完成和CPU之间的数据和指令交互，4G无线通信单元包括：电源电路、SIM卡电路、电源管控电路、网络指示电路和天线电路。

冲击加速度单元，采用三轴向冲击加速度芯片(型号为ADXL345)，实现对变压器运输过程中，三个方向上的冲击监测。通过SPI通信方式与CPU单元数据传输。

USB单元，可以通过U盘，完成对监测数据的拷贝。

定位单元，采用低功耗GPS芯片(型号为MAX-7Q)，启动速度快，定位精度高，通过串口方式进行数据传输。

氮气压力采集单元，通过压力传感器，将变压器本体氮气压力信号转换成电压信号。通过运放电路，将电压信号发动给CPU进行数据处理。

还包括触摸屏单元、状态显示单元和打印机单元。触摸屏单元采用电容式触摸屏，完成对监测数据的显示，操作人员也可以通过操作触摸屏，实现对装置的参数设置。状态显示单元，将装置运行状态进行实时显示。打印机单元，采用热敏打印机，将监测到的数据现场打印。

本实用新型在数据传输上，采用4G无线通信技术，在数据传输速度上比传统的2G和3G要更快，可以更好的满足对数据传输的要求。4G无线通信芯片选择SIM7600系列芯片。工业标准接口，工作频段可选，兼容2G和3G通信。图1中，电源单元主要是将外部蓄电池电压转换成CPU及外围电路工作时需要的电压。4G无线通信单元通过4G无线通信技术，将采集到的数据信息发送到后台服务器，与CPU之间通过串口连接。冲击加速度单元通过三轴向加速度芯片，实现对运输过程中冲击加速度的实时监测，加速度单元通过SPI通信方式和CPU进行数据通信。USB单元通过U盘方式完成对运输过程中采集数据的拷贝。GPS定位单元，通过串口与CPU连接，实现对运输过程的实时定位功能。氮气压力采集单元，通过传感器对氮气压力信号进行采集，CPU通过AD采样，实现对氮气压力的获取和监测。触摸屏单元通过串口方式和CPU单元进行数据和指令的交互，通过触摸屏操作就可以完成装置监测信息的读取和参数设置。状态显示单元用来显示装置运行情况。打印机单元采用热敏打印机，通过串口与CPU连接，完成对监测数据的打印功能。

图2是4G无线通信单元框图，4G无线通信单元主要包括以下几个部分：4G芯片(4G无线通信芯片)、电源电路、SIM卡电路、电源管控电路、网络指示电路和天线电路。其中网络指示电路，无线通信单元通过IO口驱动LED实现，通过LED指示灯闪烁情况，就可以知道无线通信单元当前的运行情况。天线电路主要实现对无线信号的获取，实现无线通信单元与外部天线的连接。

4G无线通信电源电路如图3所示。电源电路主要是给4G通信单元提供供电电源，采用ADP2371芯片，该芯片电压转换效率高，在90％以上。4G无线通信电源电路输入电压接到电源芯片第一个引脚，输入电源同时接电容C16一端，C16另一端接地。电源芯片第二脚和第4脚连接到一起，然后接到地端。第三引脚通过电阻R20连接到第六个引脚。输出的电压通过电阻R23和电子R25来决定。电源输出引脚是第七引脚，接到电感L2一端，电感L2另一端接到电阻R23一端，R23和R25连接，R25另一端接到地上，R23和R25公共端接到电源芯片第7反馈引脚上。电感L2另一端连接到电容C22一端，C22另一端接地。

4G无线通信模块中SIM卡电路如图4所示，主要包括SIM卡和保护管(型号为MMQA5V6T1)。SIM卡和4G芯片数据和指令交互主要有四个信号，分别为图上的SIMVCC、SIMRST、SIMCLK、SIMDATA。其中SIMVCC一端接在保护管U11的1引脚，同时接在电容C35的一端，C35另一端接地。U11另一端2脚和5脚同时接地。SIMRST接到U11的第3脚，SIMCLK接到U11第4脚，SIMDATA接到U11的第6脚。

4G无线通信单元电源管控电路如图5所示，电源管控电路主要是对4G通信单元电源的智能管理，4G通信在通信过程中功耗较大，通过电源管控电路，在不需要通信时，CPU控制其对4G模块电源进行切断操作，起到节电功能。本设计采有MOSFET作为电源管控器件。图中切断电源信号power_control通过电阻R22接到三极管Q9的基级，Q9是NPN三极管，发射级接地。集电极输出通过电阻R27接到MOSFET第四引脚源级，同时也接到MOSFET的第三引脚栅极。MOSFET的第1引脚、第2引脚、第5引脚、第6引脚连接在一起，是MOSFET的漏级，然后接到二极管D11的负端，二极管D11正端接地。