适用于电力系统设备的信息采集系统的制作方法

本实用新型涉及电力设备技术领域，特别涉及一种适用于电力系统设备的信息采集系统。

背景技术：

随着电网向智能化、精细化的趋势发展，原有的粗放式管理手段将逐渐被信息化、自动化的管理手段所代替。越来越多的设备信息参数将会被采集存放到不同的系统中，以便于查找和分析。就目前而言，一些常用设备信息，如安装位置信息、安装地点、实时工作状态信息、设备故障信息、设备检修信息都被要求采集，然后被送入到SCADA系统、资产管理系统、GIS系统中进行存储、分析以及处理，以确保设备的安全稳定运行。

由于需要采集的设备信息繁多，信息采集设备种类各异，这给现场工作人员的正常工作带来了不少麻烦；此外，现场采集到的各种设备信息，在返回工作单位后，还要根据各种需求录入到不同的系统中，又无形中增添了工作量，增加了录入数据的出错概率。此外，为了应对日益猖狂的网络安全，保护电网系统的安全运行，电网信息安全部门对所有与系统通信的接口方式都做了安全授权，不在安全授权范围内的设备是不允许与系统计算机进行通信，这使得信息的交互过程变得更加繁琐。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种适用于电力系统设备的信息采集系统，将信息采集、网络通信和设备充电集成为一体，减少了设备的复杂度。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

该种适用于电力系统设备的信息采集系统，包括信息采集装置，所述信息采集装置包括控制单元、RFID收发单元、蓝牙通信单元、充电接口、通信接口和电力载波单元；

所述RFID收发单元、蓝牙通信单元、电力载波单元、充电接口和通信接口均与控制单元电联接；

所述RFID收发单元用于对现场设备射频标签上相关信息进行读取并传输至控制单元；

所述蓝牙通信单元用于实现信息采集装置与外部智能手机的信息传输。

特别地，所述控制单元、RFID收发单元、蓝牙通信单元集成到一手机外壳内部，所述手机外壳还包括一充电底座，所述充电接口、通信接口和电力载波单元均设置在该底座上。

特别地，所述系统还包括一存储单元，所述存储单元与控制单元相联接并设置在手机外壳内部。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供了一种依附于智能手机存在的手机外壳，该外壳由蓝牙模块、RFID 模块以及电力载波通信模块和相关接口构成，该外壳通过蓝牙模块实现与智能手机的通信，可通过专门的APP软件调用智能手机中的硬件资源如存储资源、摄像头模块以及GPS 定位模块；该外壳装置还具备RFID读写功能模块，可以实现对现场设备信息的读写，以便于后续维护人员的工作；该外壳装置具有电力载波充电底座装置，可以实现边充电，边通信的功能；集成的处理器单元可以完成充电装置与系统主机之间的鉴权通信功能，并且具有存储单元，可以解决不同设备间速率不匹配的问题；设计的充电底座还可充当网关路由功能，可以在内部写入多个通信设备地址，实现多个设备共用一个装置实现与系统主机的通信，避免了系统管理部门对多个采集装置的重复授权操作，减轻了系统管理部门的工作压力。

本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细描述，其中：

图1为本实用新型的设备框图；

图2为RFID收发单元的电路连接图；

图3为电容耦合电路实施例电路图；

图4为PLC信号接收电路实施例电路图；

图5为PLC信号发送电路实施例电路图；

图6为PLC芯片外围电路实施例电路图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本实用新型，而不是为了限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，本实用新型的一种适用于电力系统设备的信息采集系统，包括信息采集装置，信息采集装置包括控制单元、RFID收发单元、蓝牙通信单元、充电接口、通信接口和电力载波单元；RFID收发单元、蓝牙通信单元、电力载波单元、充电接口和通信接口均与控制单元电联接；RFID收发单元用于对现场设备射频标签上相关信息进行读取并传输至控制单元；蓝牙通信单元用于实现信息采集装置与外部智能手机的信息传输。

为了方便携带，控制单元、RFID收发单元、蓝牙通信单元集成到一手机外壳内部，手机外壳还包括一充电底座，充电接口、通信接口和电力载波单元均设置在该底座上。系统还包括一存储单元，存储单元与控制单元相联接并设置在手机外壳内部。

本实用新型的系统通过专门开发APP控制蓝牙装置与智能手机进行信息交互，可以调用手机内置的摄像头、GPS模块，并通过手机上的数据传输功能，实现对一些现场维护信息的传输。其主要实现功能模块如下：

(1)RFID收发单元：该模块主要完成对现场设备信息的读取以及后续信息的更新，主要读取的数据有生产日期、安装日期、设备型号等信息，这些信息存储于贴在设备的射频标签上，射频标签采用无源标签的形式。当完成对设备的检修或更新后，由工作人员现场将维修人员、时间写入进射频标签内，以供后续维护使用。

如图2所示，本实施例中，射频芯片采用韩国PHYCHIPS生产的PR9000，该芯片为一片上系统芯片，它集成了8位增强型8051微控制器，并且完全遵循超高频RFID空中接口协议EPC Global Class1Gen2协议标准。它具有体积小、低功耗的特点，可为超高频RFID读写器提供完整解决方案。PR9000采用48引脚QFN封装，内部集成超高频射频模块，基带处理模块等，拥有64KB的片上Flash、16KB的片内RAM，20个通用I/O口，2个串口。主控端与射频前段的通信是通过标准串口，但是它们之间的数据打包/拆包必须遵循一定协议。

发送数据端首先经过PR9000编码、载波调制，将TX_OUTN和TX_OUTP两级差分信号转变为单信号输出至射频功率放大器PA，经PA放大后的信号通过隔离器由天线发送出去。通过天线接收的信号在通过隔离器后输出到PR9000的输入端RX_IN(RX_INN和RX_INP), 然后由PR9000本身进行混频、增益、滤波、模数转换、解码、校验等处理和接收数据。读写器与外部(智能手机)之间的数据使用串行接口进行通信。电路中，所使用的是工作于 0.9GHz的0900BL18B 200巴伦，可实现将200欧姆的特性阻抗转换为50欧姆的特性阻抗，以满足负载和PA的阻抗匹配。

功率放大器使用SKY77189,其增益是27dB，能提供最大为28dBm的输出。定向耦合器使用的是CP0603LGA，用来将接收数据和发送数据的通道进行隔离。隔离器型号是 CEG23911MDCB000，用于隔离来自标签的信号进入发射通道，读写器发送射频信号，通过隔离器基本上不会有衰减，通过天线发送出去。

(2)蓝牙通信单元：

本实用新型中，为了实现本装置与智能手机的信息交互，将主要的处理功能和通信功能交由智能手机处理，本装置选用了BT-HC05作为蓝牙功能的实现模块。

BT-HC05模块是一款高性能的主从一体蓝牙串口模块，可用于各种带蓝牙功能的电脑、蓝牙主机、手机、PDA等智能终端的配对。该模块支持4800-1382400的波特率速度，并且模块兼容5V/3.3V的单片机系统，当主从模式两个蓝牙模块配对成功后，可以简单的取代串口线通讯的应用，利用无线蓝牙方式传输。该模块对外共有6个排针，分别用于电源的输入、信号的输入输出、以及功能的控制。在本实用新型中，蓝牙模块采用主从模式工作，数据的传输采用无线传输，本实用新型的装置要设置为从模式，当模块上电后，将Key引脚悬空或接地，让本模块与手机进行配对，配对完成后，将Key端口接高电平，进入AT状态，在该状态下利用AT指令完成装置中的蓝牙模块与手机中的蓝牙模块的数据的交互。

(3)电力载波单元：

电力载波作为一种通信方式，其主要工作原理就是通过电力线将需要传输的信息进行传输。该通信技术目前主要在电力集抄中使用，且由于采用电线传输，其保密性较好。在本实用新型中，为了突破由于安全问题而导致的信息问题，本实用新型设计了一配套充电底座，包括电力载波单元和充电接口。

该充电底座基于电力载波通讯方式，出了具有常规充电功能外，还具备数据传输的功能。

由于该充电底座既能够完成充电功能，还能够完成信息的交互功能，并且还要具备设备鉴权的功能，因此，在本实用新型中，选用STM32F103C8T6作为核心控制芯片。STM32F103C8T 是意法半导体(ST-Microelectronics)公司生产的基于超低功耗ARM Cortex-M3处理器内核的32位STM32微控制器，其工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)和程序存储器(容量64K字节的FLASH)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。芯片内包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：2个I2C接口和SPI接口、3个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。

采用本实用新型进行充电及网络传输，是将电力载波单元、充电接口组成电力载波通信充电底座，将电力载波通信充电底座与控制单元通信联接。

一种可能的使用步骤具体包括以下步骤：

步骤1：当充电装置检测到有充电设备插入到充电接口处时，立即启动通信中断程序，该程序首先以广播的形式，向内部已经设置好的设备地址发送通信链路建立请求；

步骤2：当设备的地址在预存在控制单元中的地址一致时，才能收到链路建立数据包，并进行应答回复；为了避免链路的干扰而导致的通信故障，通常该通信建立过程需要发送多次，如果多次都没有回复，则判断该设备为未授权设备，仅能完成基本的充电操作，而不启动通信过程；

步骤3：如果该设备是合法用户，则启用通信程序，通过串口将需要传输的数据传输至充电装置中的通信模块，由该模块根据约定好的通信协议将数据进行调制发送，发送过程由电力载波模块承担。

为了避免传输中的干扰，一般将充电装置与系统主机的供电部分共用一相线路，系统主机通过串口或USB口与电力载波接收装置相连。考虑到现有主机的串口或USB接口的速度均较快，因此，建议电力载波的收发装置都用宽带载波模块实现。为了保证速率的兼容，建议在电力载波收发装置中设置外扩存储芯片对接收的数据进行临时存储，存储空间建议大于256k以上。

在本实用新型中，来自系统主机发送的数据首先通过USART进入到单片机 STM32F103C8T6中，使用USART端口传输数据的好处在于该新型装置可以支持多台系统主机使用，以便采集的数据可以分别送入到不同的系统主机中。然后首先对该数据进行短时存储，存储后的发送数据通过单片机STM32F103C8T的SPI端口，透传至电力载波 QCA7000芯片中，由该芯片将数据进行调制，调制后的OFDM信号通过耦合装置耦合到电力线上进行传输；采集装置中的接收装置使用相同的电力载波芯片QCA7000，对接收到的耦合电力信号进行解调，解调后的信号先经过SPI端口传输至单片机STM32F103C8T6 中，由输出端口串口输入到智能手机中，实现对采集数据或操作指令的交互。

作为本实用新型的一个创新之处，本实用新型采用了高通公司生产的QCA7000作为电力载波芯片，组网方案符合宽带载波通信的组网HomePlug GreenPHY标准。由于 HomePlug GreenPHY标准中定义的组网、路由和中继算法是一个经过多年市场检验的、成熟的算法，考虑周全而且效率高，因此基于QCA7000构建的电力载波方案具有传输速率高、传输性能稳定的特性。此外，为了更进一步提高系统传输信号的最佳性能，本实用新型基于Homeplug联盟标准和实际工作场景，设计了信号耦合单元，该耦合单元具有在工作频带内、抗衰减能力强、抗高频阻抗变化和抗噪声干扰的能力。

耦合电路设计：图3为可以采用的一种电容耦合电路设计，耦合变压器T1可以实现强、弱电隔离，而由耦合电容C2和耦合变压器T1的初级线圈构成的高通滤波器，可以有效的消除50Hz工频信号和其他的低频成分通过，使PLC信号畅通无阻，让它在通带内的衰减尽可能小。根据PLC芯片的工作频率范围，令电容C2与电阻R2构成的一阶高通滤波器的截止频率为1MHz，由一阶高通滤波器的系统函数由幅频特性函数L(ω)＝20log10A(ω)可知当幅频响应下降3dB时，即为滤波器的截至频率处，由可以得出系统的截至频率令fc取1MHz，取C1＝4.7nF，计算得出取34Ω。R4为C2的卸荷电阻，通常取20MΩ。U1是瞬变抑制二极管(TVS)，起浪涌保护作用。TVS的阻值非线性，随着电压幅值的增加而降低，当电压超过了TVS的额定值，TVS就会给瞬变现象提供低阻抗通路，使跨在TVS两端的电压受到抑制，因而可以有效的保护信息处理电路。

载波信号收发电路设计：经过T1耦合变压器接收进来的PLC信号还夹杂着工频谐波和宽频带噪声。为了更好的将信号还原，同时规避和去除各类噪声、信号的串扰，故还需进行二次滤波。为此，根据PLC芯片的工作频带，选取2MHz～30MHz为载波信号的通频带，设计电力线通信信号接收电路，保证前后级之间阻抗匹配，使信号能顺利传递。

本实用新型中，PLC信号接收带通滤波器的主要技术设定指标为：(1)上下通频带频率为：fp1＝2MHz，fp2＝30MHz，通带内最大衰减为：αp＝0.5dB；(2)上下截止频率为：fe1＝1MHz，fe2＝60MH2，阻带最小衰减为：αe＝40dB。

其中的一种实现电路如图4所示。图4中R1、R3分别耦合电路输出阻抗和模拟电力线输出阻抗，其取值均为50Ω，可以使PLC通信系统与低压电力线的阻抗匹配，降低信号衰减。在Butterworth带通滤波器输出侧的稳压二极管D4、D2构成限幅电路，能有效防止接收的PLC信号幅值太大以及其他干扰源对电力载波芯片的破坏。

图5为PLC信号的发送电路，主要作用是将PLC芯片调制后的高频载波信号经 Signal_Input端输入到由三极管(Q1、Q2、Q3)、二极管(D1、D3)和电阻等器件构成的甲乙类功率放大电路进行能量放大，提高PLC信号的三抗能力。其中Q1和Q2采用的是8050型NPN晶体三极管，它的增益带宽为150MHz，总功率为1W。Q3采用的是8550 型PNP晶体三极管与8050相对，适用于高频信号放大。功放电路的输出级是一个推挽直流偏置电路，保证信号输入时直接进入放大区，克服交越失真，其中Q1起到前置放大作用。在功放电路的输出端由串联的C20和L14构成的简易带通滤波电路能对放大后的PLC 信号进行滤波、整形，它能有效的防止PLC信号出现波形失真，同时，当PLC节点接收 PLC信号时，可以有效的滤除经耦合电路进入的带外噪声，保护发送电路。在经过简单的滤波之后，PLC信号最终通过耦合电路注入到电力线信道上进行传输。保护二极管D1、 D3起电压钳位作用，即过压保护，将遏制电力线上的干扰信号对内部精密电路的破坏。

外围电路设计：为了保证电力载波收发电路能够正常工作，本实用新型设计了一些外围电路和接口电路，具体如图6所示。

由图6可以看出外围电路主要由一个16位的串行Flash存储器、BPLC芯片、25MHz 晶振和多个滤波电路组成。Flash主要用于存储BPLC芯片的通信协议、调制解调和组网算法等数据。PLC芯片中的8个DVDD引脚接到V3P3(+3.3V)为芯片的I/O口提供驱动电源，10个VDD和1个AVDD引脚均接入到Vcore(+1.8V)为BPLC芯片内核供电。为了提高芯片的稳定性，在每个电源管脚的周围并联了多个0.1μF电容，起到滤波和电源去耦作用，同时串接电感用于稳定电源降低波动，而其他的0.01μF电容用于消除电源上的高频干扰。在设计PCB电路板时应尽量的将这些小电容布置在靠近BPLC芯片的管脚处，这样才能起到很好的去耦合和滤波消除干扰稳定电源。

正常情况下，充电装置周期性的对端口电路进行扫描，一旦检测到通信有数据端口发送请求，则立即进入中断工作模式，并根据事先定义好的通信协议，做好数据交互的前期准备。在数据交互之前，系统主机首先发送验证报文对具有充电功能的装置进行设备鉴权，只有合法的授权用户才可以通过电力载波通信与主机进行信息的交互。由于采集装置众多，为每一个设备进行授权需要耗费很多的人力物力。在本实用新型中，通过在充电装置中加入身份验证功能解决了多个设备共用充电底座进行数据交互的问题。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。