数据通信设备、系统和方法与流程

机器到机器通信对能源、通信和安全市场等等变得越来越重要。在那些工业中使用的监控和数据采集(SCADA)系统依靠来自远程定位的传感器的输入以正确地运作。SCADA系统也可输出信号以致动在现场的远程设备。这样的设备有相当大一部分(大约18％的美国电力设施)位于地下，并且提供地上设备与地下设备之间的无线通信是一项严峻的挑战。

用于定位地下线缆故障的当前方法仍是缓慢且劳动密集的。甚至相对短的断电可针对设施使用，并且对客户导致速率调整，因此需要定位和修复地下故障的更快装置。

因此，需要将无线信号传送至地下设备保险库和地下设备位于其中的其它结构并从所述地下设备保险库和所述其它结构传送无线信号。

技术实现要素：

在本发明的一个方面中，一种数据通信系统包括设置在壳体的入口端口上的收发器，所述壳体诸如地下或地面壳体。对于地下壳体环境，收发器包括外壳，外壳能够安装至入口端口，其中收发器被构造成与地下壳体之外的网络通信。数据通信系统还包括设置在壳体中的监测装置，诸如传感器，该监测装置提供与壳体内的实时状况相关的数据。数据通信系统还包括传感器分析单元，该传感器分析单元用于处理来自监测装置/传感器的数据并生成处理后的数据信号，并且用于将处理后的数据信号传送至收发器。

在另一方面中，传感器检测以下中的至少一者：功率、电压、电流、温度、易燃材料或燃烧副产品、机械应变、机械移动、湿度、土壤状况、压力、危害性大气环境、液体流、渗漏、部件寿命终止或寿命、人员存在、物理状态、光照水平和振动。在另一方面中，所述传感器被结合在被感测的线缆附件中并被构造成监测电力线缆的状况。

在另一方面中，传感器分析单元包括数字信号处理器。在另一方面中，传感器分析单元包括无线网络通信芯片。

在另一方面中，收发器单元包括硬化型地上天线和无线电部件。在另一方面中，收发器被构造成将聚集的信息向上游发送至另一个聚集节点或地上的云服务器。在另一方面中，所聚集的数据包括周期性状态通知和异步告警通知中的一者或多者。

在另一方面中，所述入口端口包括人孔盖。在另一方面中，收发器固定至人孔盖，并且收发器外壳的一部分延伸穿过形成在入口盖中的孔。在又一方面中，延伸穿过形成在入口盖中的孔的收发器外壳部分与入口盖的顶部表面基本上齐平。

在另一方面中，入口端口包括人孔盖和用于接收人孔盖的环部，其中收发器固定至入口端口的环部。

在另一方面中，数据通信系统还包括耦接到位于地下壳体中的至少一个电力线的电力获取装置。在另一方面中，电力获取装置耦接到传感器分析单元并将电力提供到传感器分析单元。

在本发明的另一方面中，数据通信系统包括设置在地下壳体的入口端口上的收发器。收发器包括能够安装至入口端口的外壳，其中收发器被构造成与地下壳体之外的网络通信。该系统还包括安装至位于地下壳体中的电力线的被感测的线缆附件，被感测的线缆附件包括测量与地下壳体内的实时状况相关的数据的传感器。被感测的线缆附件还包括用于处理所测得数据的信号处理芯片以及用于将处理后的数据传送至收发器的通信芯片。

在另一方面中，被感测的线缆附件还包括耦接到电力线以将电力提供到信号处理芯片和通信芯片的电力获取装置。

在本发明的另一方面中，数据通信系统包括设置在包含设施设备的壳体的一部分上的收发器，收发器包括外壳，外壳能够安装至壳体，其中收发器被构造成与壳体之外的网络通信。该系统还包括设置在壳体中的监测装置，诸如传感器，该监测装置提供与壳体内的实时状况相关的数据。该系统还包括用于处理来自监测装置/传感器的数据并生成处理后的数据信号的传感器分析单元。处理后的数据信号可传送至收发器。

在另一方面中，壳体包括地下保险库。在另一方面中，壳体包括地面或地上壳体。

本发明的上述发明内容并不旨在描述本发明的每个例示的实施方案或每个具体实施方式。附图及其后的具体实施方式更具体地举例说明这些实施方案。

附图说明

下文在描述本发明时，将部分引用其非限制性实施例并参考附图，其中：

图1是根据本发明的第一方面的数据通信系统的示意图。

图2A至图2E是根据本发明的其它方面的另选收发器安装和构造的侧视图。

图3是根据本发明的另一方面的数据通信系统的示意图。

图4是根据本发明的另一方面用于从地下保险库生成并传送数据信号的示例过程的流程图。

图5是根据本发明的另一方面的数据通信系统的示意图。

图6是根据本发明的另一方面的数据通信系统的示意图。

图7是根据本发明的另一方面的用于数据通信系统的示例过程流的流程图。

图8是根据本发明的另一方面的底座安装型数据通信系统的示意图。

图9是根据本发明另一方面的地下数据通信系统的示意图。

虽然本发明可修改为各种修改形式和替代形式，但其具体形式已在附图中以举例的方式示出并将做详细描述。然而，应当理解，其目的不是将本发明限制于所描述的具体实施方案。相反，其目的在于涵盖落入所附权利要求书所限定的本发明的范围之内的所有修改形式、等同形式和替代形式。

具体实施方式

在以下具体实施方式中，参考了作为本文组成部分的附图，并且其中附图以举例说明的方式示出了其中可实践本发明的具体实施方案。就这一点而言，诸如“顶部”、“底部”、“前部”、“后部”、“头部”、“向前”和“尾部”等方向性术语参考所描述的一个或多个附图的取向使用。因为本发明实施方案的部件可以定位成多个不同取向，所以方向性术语用于说明的目的，并且不具有任何限制性。应当理解，在不脱离本发明范围的前提下，可以利用其它实施方案，并且可以进行结构性或逻辑性的修改。因此不能认为以下的具体实施方式具有限制意义，并且本发明的范围由所附的权利要求限定。

本文描述了可在壳体中使用的数据通信设备、系统和方法，所述壳体诸如地面、地上或地下壳体。在一个方面中，壳体是可经由入口端口进入的地下壳体。数据通信系统包括设置在地下壳体的入口端口上的收发器，所述入口端口诸如保险库或人孔。收发器包括坚固的外壳。在一些方面中，所述坚固的外壳的至少一部分在入口端口的表面上方延伸。在其它方面中，所述坚固的外壳附接到入口端口，使得外壳的一部分与入口端口的顶部表面基本上齐平并且外壳的大部分设置在入口端口的顶部表面以下。监测装置设置在所述保险库中。所述监测装置可以是提供与保险库内的实时状况相关的数据的传感器。另外，在一些方面中，所述数据通信系统可包括将数据中继至收发器的网关单元。在其它方面中，传感器分析单元可处理和分析来自监测装置的实时数据并将处理后的数据中继至收发器。在一些方面中，传感器和传感器分析单元可被结合作为被感测的电气附件的一部分。

具体地，在一个方面中，所述收发器包括物理上稳健的天线和无线电部件。该天线/收发器可采取来自一个或多个监测装置/一个或多个传感器的无线信号和/或有线信号的组合，所述一个或多个监测装置/一个或多个传感器提供关于环境、部件以及用于设置在地下壳体内的那些部件/设备的其它电子设备状况的实时数据。另外，所述通信系统可与设置在地下其它位置中的其它设备和部件通信。在一些方面中，所述网关单元将数据有效载荷从那些监测装置/传感器和地下设备中继至收发器，所述收发器可与地上网络元件，诸如无线接入点、移动无线电小区和私用无线电部件通信。在其它方面中，被感测的分析单元将与传感器测量的数据对应的处理后的数据中继至收发器。同样，在一些方面中，传感器可用于提供关于地下电网性能的实时信息，并且通过使用无线网络实现用于与那些监测装置/传感器通信的高性价比装置。

所述收发器可设置或嵌入在凸起或齐平安装的结构中。在另一方面中，一对分别用于地上传输和地下传输的匹配的嵌入凸起结构天线和/或电子器件可被设置用于地下壳体。另外，多个天线(例如，发射/接收WiFi、GPS、移动无线电等信号的天线)提供于单一稳健结构中。

图1示出本发明的一个方面，即数据通信系统100。在该方面中，数据通信系统100为地下数据通信系统。数据通信系统100设置在示例性地下壳体中，在本文中为地下保险库10。在该示例具体实施中，保险库10包括多种设备，诸如一个或多个高电压电线，诸如电线105a-105c(承载例如低电压功率、中电压功率或高电压功率)，相关联的部件和/或附件，诸如接头或接线端(在图1的示例中，接线端110将表示此类相关联的部件和/或附件)、变压器，诸如降压变压器103，以及另外的电线107a-107c(承载到附近建筑物或结构的低电压功率(例如440V))。在一些保险库中，变压器可不被包括在其中。

壳体或保险库10可从地上经由包括常规人孔盖50的进口或入口端口55进入，所述常规人孔盖可由金属或非金属形成，并可具有常规的圆形形状。在一个方面中，人孔盖52可安装在入口端口55的环、框架或凸缘结构52上。在该方面中，保险库10可被构造为常常由电力设施、气体设施、水设施和/或其它设施使用的常规地下保险库。然而，在另选方面中，地下数据通信系统100可用于另一类型的地下壳体或类似结构中，诸如人孔、地下室、地窖、凹坑、掩蔽所、管线或其它地下壳体。

保险库还包括设置在其中的至少一个监测装置，该监测装置可监测所述保险库或位于所述保险库中的部件或设备的物理状况。此类状况将通常难以从地上采集或估计。如在下面详细描述，地下数据通信系统可提供通信基础结构，以无需服务技术人员物理上进入保险库以确定那些状况而将保险库状况信息中继至地上网络或SCADA。

在另一方面中，地下通信系统可在地上环境中实施。例如，通信系统100可安装在地面底座安装型壳体中。通信系统可提供一种与某种结构来回进行无线通信的装置，该结构通过以其他方式阻止与结构的内部部分来回进行直接无线通信的方式构造。

如图1所示，在该示例中，接线端110提供用于电力线缆的端子连接部，诸如低电压电力线缆、中电压电力线缆或高电压电力线缆105a-105c。所述监测装置可以是设置在接线端上的传感器。该传感器可提供测量线缆状况，诸如电压、电流和/或温度的感测能力。因此，在该示例中，接线端110可被称为被感测的接线端110，其可提供关于一个或多个连接的电力线的状况的实时数据。

例如，该方面的被感测的接线端110可包括罗戈夫斯基线圈，其产生与电流的导数成比例的电压，意思是可以利用积分器返回到与电流成比例的信号。另选地，电流传感器可被构造为磁芯电流变压器，其产生与内导体上的电流成比例的电流。另外，被感测的接线端110可包括提供精确电压测量的电容性电压传感器。因为被感测的接线端110可包括电流传感器和电容性电压传感器两者，所以被感测的接线端有利于相位角(功率因子)、伏安(VA)、无功伏安(VAr)和瓦特(W)的计算。示例性的被感测的接线端在美国临时申请61/839,543中有所描述，所述临时申请全文以引用的方式并入本文。

虽然图1的实施方案示出了实现为被感测的接线端的监测装置，但在本发明的其它方面中，监测装置可实现为更通用的被感测的电气附件的一部分，所述更通用的被感测的电气附件诸如线缆接线端、线缆接头或电气跳线。

因此，预期监测装置可包括以下传感器中的一种或多种：功率、电压、电流、温度、易燃材料或燃烧副产品、机械应变、机械移动(例如，每分钟转数)、湿度、土壤状况(酸性、含水量、矿物质含量)、压力、危害性大气环境、液体流、渗漏、部件寿命终止或寿命(例如，阴极保护传感器)、人员存在(例如，已经有人进入所述壳体)、物理状态(例如，壳体打开或闭合、门打开或闭合、开关或阀门打开或闭合、物品已经被篡改)、光传感器、振动(地震、篡改)。

在本发明的另一方面中，数据从壳体内部的监测装置传送至位于壳体之外的网络或SCADA。该通信可经由网关单元和收发器而实现。如将在下文中另外详细说明，网关单元可结合在远程终端单元中、结合在安装在进口上的收发器装置中，或其可以实现为壳体内或壳体入口处的独立单元。

网关单元可使用有线或无线连接在地下连接到各种监测装置。网关单元可执行来自监测装置的数据的本地分析和判读。例如，网关单元可解释监测装置/传感器信息以确定环境状况，诸如危害性气体的存在、水分、粉尘、化学组成、腐蚀、害虫存在，以及更多。另外，网关单元可执行一些本地动作，诸如打开和闭合开关。另外，网关单元可将聚集的信息诸如周期性状态或异步告警通知向上游发送至另一聚集节点或地上的云服务器。网关单元还可响应由上游聚集节点或云(例如SCADA)服务向网关单元发送的消息。来自上游节点或云服务的典型命令可包括“传输状态”、“执行动作”、“设定配置参数”、“加载软件”等。

如图1所示，在该示例中，可经由一个或多个通信线缆(本文中，线缆130a-130f，其中两个线缆连接到每个被感测的接线端)将来自被感测的接线端110a-110c的数据传送至远程终端单元或RTU 120。RTU 120可安装在保险库10内中心位置处，或者沿壁或其它内部保险库结构安装。在本发明的该实施方案中，RTU 120可包括网关单元(未单独地示出)。另选地，网关单元可以设置在收发器140内或被构造为独立部件。下文另外详细描述了网关单元和收发器。

在一个方面中，RTU 120适于处理从被感测的接线端110接收的数据信号，并将此类数据信号转化成可用于监控和数据采集(SCADA)系统中的信号。另外，RTU 120还可适于从SCADA系统接收信号以控制位于所述保险库中的一个或多个部件或设备。如图1所示，可经由线缆130在RTU 120与收发器单元140(在下面描述)之间传送数据，线缆130可包括常规的同轴线缆。

在本发明的另一方面中，可以利用无线网络发射器/接收器来实现RTU 120。可在地下位置中使用的示例无线网络包括WiFi、ZigBee、ANT、蓝牙、红外线及其它的任何组合。因此，RTU 120可被构造成与收发器140和/或监测装置和/或位于保险库10中的设备进行无线通信。该设备可包括被感测的接线端或先前提到的具有添加的无线通信能力的其它传感器类型中的任一种。

通信系统100还包括收发器单元140，所述收发器单元从被感测的接线端110/RTU 120将信息传送至地上SCADA或无线通信网络，以及从地上SCADA或无线通信网络将信息传送至被感测的接线端110/RTU 120。在图2A-2E中示出且在下面另外详细描述若干不同收发器单元构造140a-140e。

需注意，在本发明的另选方面中，地下数据通信系统可完全地省略RTU。这样，收发器单元140可提供将允许地下设备/监测装置与地上通信网络通信的网关单元。在若干方面中，收发器单元140包括环境加固的地上天线，该地上天线耦接到无线电部件，所述无线电部件与广泛可获得的地上无线通信网络，诸如WiFi、WiMax、移动电话(3G、4G、LTE)、私有执照频带等通信。收发器单元还可包括网关单元，所述网关单元包括网关电子器件，所述网关电子器件在地上无线电信号与到地下监测装置/设备的通信之间经由第二天线无线地提供接口，或经由用铜和/或光纤布线到网关单元的直接连接无线地提供接口。网关单元在地上网络与地下网络之间执行网络连接、安全性和数据转换功能。

如上所述，在一个方面中，单个网关单元可与在保险库10内实现的多个地下监测装置/设备中的一个或多个通信。如上所述，所述监测装置可包括独立传感器或与设置在保险库中的设备和部件整合的传感器，诸如被感测的接线端110的一个或多个传感器部分，以及其它保险库传感器，诸如水分传感器、空气质量传感器、压力传感器等。

图2A-2E示出用于收发器单元140的若干不同构造。例如，图2A示出具有外壳141的收发器单元140a，所述外壳包括主体部分142。天线部分147和无线电部分(其可包括无线电电子器件，未示出)可设置在主体部分142中。在该构型中，收发器单元140a安装到允许从地上进入保险库10中的人孔盖50。在该方面中，人孔盖50可包括被构造成支撑收发器单元140a的至少基部部分的凹入部分51。在一个方面中，除了无线电部件和天线部件之外，收发器单元140a还可包括处理器、数据存储单元、通信接口、电源和人机接口设备。

外壳141可以是密封结构并可包括一个或多个外壳部件，诸如盖和基板。外壳部件中的至少一些可由可模制的塑性材料制成。外壳部件的材料可以抵御侵蚀性物质。外壳可以被密封以保护包含在其内的无线电部件、天线和其它部件。通过使用合适材料的密封，诸如含石墨的材料，可另外提供抵御侵蚀性物质(例如汽油或油)的密封件，这些物质可存在于外部环境中。

在另选的方面中，外壳141可以被构造为由可被模制、加工或浇铸的高耐冲击树脂制成的射频透明的路面标记物。示例另选构造在美国专利6,551,014中有所描述，该专利的全文以引用方式并入本文。在该另选方面中，可改变标记物的反射率以视觉上指示保险库中设备的状态。例如，闪烁光或非闪烁光可指示正常/异常状态。另外，缓慢闪烁的标记物光可指示警告，并且/或者快速闪烁光可指示危险状况。在该示例中，液晶滤光器可安装在反射器前面，并且可用微处理器调制LC极性。另选地，可直接调制内部光源，例如LED。

容纳在外壳141内的电气部件或电子部件可以是有源的、无源的或者既是有源的又是无源的。因此，收发器外壳141使得可以在地下保险库或壳体的外表面上安装天线，同时允许无线电部件/天线电连接到例如位于保险库中的RTU 120。例如，天线连接或管道145可将线缆130耦接到收发器单元140a。在该方面中，线缆130可以是常规的同轴线缆。管道145可具有螺纹拧紧型构造，并可螺纹连接到被接入人孔盖50中的适当尺寸的孔中。另外，所利用的天线设计类型可考虑到用于形成人孔盖50的构造和材料。在优选的方面中，人孔盖50包括标准的常规人孔盖，因为各种尺寸和组成的现有人孔盖可以容易地改变以适配收发器/天线。

因此，通过该构造，如果监测装置，诸如被感测的接线端的传感器部分感测到线路故障，则收发器单元140a可将实时故障位置信息传送至电力设施网络或SCADA系统。

图2B示出本发明的另选方面，收发器单元140b具有包括主体部分142的外壳141，其中天线部分147和无线电部分可设置在主体部分142中。在该特定构型中，收发器单元140b基本上齐平安装到人孔盖50并包括稳健的厚外壳。例如，所述外壳可包含具有聚氨酯芯的聚碳酸酯材料，该材料具有提供柔韧性以保持聚碳酸酯材料免于断裂的有棱纹的区域。

天线连接或管道145可将线缆130耦接到收发器单元140b。收发器140b的内部部件和操作可以与上面相对于收发器140a所述的相同。

图2C示出本发明的另一个另选方面，收发器单元140c具有包括主体部分142的外壳141，其中天线部分147和无线电部分与附随的电子器件一起可设置在主体部分142中。在该特定构型中，收发器单元140b凹入安装到薄人孔盖50a并经由常规螺栓固定到薄人孔盖50a。天线连接或管道145可将线缆130耦接到收发器单元140c。收发器140b的内部部件和操作可以与上面相对于收发器140a所述的相同。

图2D示出本发明的又一个另选方面，收发器单元140d具有包括上主体部分142和下主体部分144的双外壳141a、141b，其中上主体部分142容纳第一天线部分147a和无线电部分，并且下主体部分144容纳第二天线部分147b和无线电部分。第一天线部分147a可被构造成与地上无线网络通信，并且第二天线部分147b可被构造成经由线缆130与地下网络通信。在该特定构型中，上主体部分142齐平安装到人孔盖50的第一侧，并且下主体部分144齐平安装到人孔盖50的第二侧。该特定设计允许通过钻单个孔并利用螺纹拧紧型管道145直接安装到现有人孔盖，所述螺纹拧紧型管道145可螺纹连接到被接入人孔盖50中的适当尺寸的孔中。外壳141a由稳健的厚外壳材料形成。下外壳141b可由相同或不同材料形成。

图2E示出本发明的又一个另选方面，收发器单元140e具有包括上主体部分142和下主体部分144的双外壳141a、141b，其中上主体部分142容纳第一天线部分147a和无线电部分，并且下主体部分144容纳第二天线部分147b和无线电部分。另外，收发器单元140e还包括将数据从第一协议(例如，ZigBee，在地下使用)转化到第二协议(例如，4G，在地上使用)的网关单元143。同样，第一天线部分147a可被构造成与地上无线网络通信，并且第二天线部分147b可被构造成与可以与地上无线网络不同的地下无线网络通信。在该特定构型中，上主体部分142齐平安装到人孔盖50的第一侧。可包括单独结构或可容纳在外壳141b内的网关单元143，以及下主体部分144可齐平安装到人孔盖50的第二侧。网关单元从监测装置接收数据，并可包括适当的电路和/或电子器件以读取数据、分析数据、聚集数据、分类数据、基于数据推断保险库状况，以及基于数据采取动作。另外，网关单元143可为事件相关性提供时钟源。

同样，该特定设计允许通过钻单个孔并利用螺纹拧紧型管道145直接安装到现有人孔盖，所述螺纹拧紧型管道145可螺纹连接到被接入人孔盖50中的适当尺寸的孔中。外壳141a由稳健的厚外壳材料形成。下外壳141b可由相同或不同材料形成。

在一个方面中，可用于容纳收发器和/或网关单元的部件中的至少一些的示例结构在美国专利8,135,352中有所描述，所述专利以引用的方式全文并入本文。

在另一方面中，多个天线可嵌入相同外壳(或外壳部分)中，从而允许地上和地下两者的多个通信方法。例如，WiFi和4G天线可与GPS天线一起嵌入相同的地上天线外壳中，以提供多网络连接与GPS定位和定时信息。蓝牙天线可嵌入地上外壳中以向靠近收发器/网关单元的人员提供本地通信。例如，驱动收发器/网关单元的技术人员可使用蓝牙直接读取下面保险库中的传感器。RFID天线可嵌入地上外壳中以允许用RFID阅读器读取地下传感器数据。

在另一方面中，可通过各种装置向地下数据通信系统100的部件供电。在一个方面中，设备可经由已经位于保险库10中的AC或DC功率源运行。如果没有可用的AC或DC功率源，则在另一方面中，电力获取线圈可安装在电气设备上，诸如可向保险库10中的部件供电的接线端110。另选地，压电换能器可用于将在保险库10内发现的机械振动转化成可存储在电池或超级电容器中的电能。例如，常规的压电换能器可购自美的公司(Mide)(www.mide.com)。在另一方面中，热电换能器可用于将地上与地下之间的自然温差转化成电能。例如，参见(http://www.idtechex.com/research/reports/thermoelectric-energy-harvesting-2012-2022-devices-applications-opportunities-000317.asp)。在另一方面中，可采用太阳能电池板来对电池或其它内部部件进行滴流供电。

在本发明的另一方面中，多个地下数据通信系统可被构造成与位于特定保险库位置之外的地下设施基础结构内的监测装置和/或设备通信。例如，图3示出无线地下人孔设施基础结构，其具有插置接头壳体10c的第一保险库10a和第二保险库10b，所述接头壳体10c提供到保险库的低电压/中电压/高电压线。保险库10a可利用第一地下数据通信系统100a(以类似于上述那些具体实施的方式构造)实现，并且保险库10b可利用第二地下数据通信系统100b(也以类似于上述那些具体实施的方式构造)实现。在一个示例中，第一地下数据通信系统100a用Zigbee网络实现。以期望的间隔，第一地下数据通信系统100a的RTU或网关单元可监测接头108a的状况，所述接头108a位于保险库10a之外，位于保险库10a与壳体10c之间。另外，第一地下数据通信系统100a的RTU或网关单元可监测部件108b和/或接头108c的状况，所述部件108b和/或接头108c位于壳体10c处或附近。以类似方式，第二地下数据通信系统100b也可用Zigbee网络实现，并可监测接头108d的状况，所述接头108d位于保险库10b之外，位于保险库10b与壳体10c之间。

另外，多个地下数据通信系统可被构造成彼此通信并与地上网络诸如设施SCADA系统通信。例如，第一地下数据通信系统100a除了与地上网络通信之外还可与第二地下数据通信系统100b直接通信。

在另外的详述中，图4提供示出地下数据通信系统的功能中的一些的示例流程图。如上所述，网关单元可以是独立单元，其可与RTU结合或其可作为收发器的一部分被结合。

在该实施方案中，网关单元与收发器协同定位。在该示例中为有源传感器260的、可被构造为示例性被感测的接线端的电流和电压传感器(诸如先前所述)的监测装置采取电线的实时状况的测量(步骤262)。例如，可将对应于实时状况的模拟信号数字化。在该示例中，根据所利用的传感器的类型，测量可被传送至RTU(无线地或经由电线)，或其可由有源传感器自身处理。假设数据被发送至RTU，RTU通过计算频率和相位角来处理所测量的信号(步骤264)。所测量的数据被格式化为测量数据分组(步骤266)。该数据分组然后被加密并作为局域网(LAN)分组被传输(步骤268)。在该示例中，LAN是Zigbee LAN并且RTU包括Zigbee无线电部件。另选地，如果未利用RTU，则信号处理可由监测装置执行，所述监测装置可然后将数据直接传送至网关或最近的Zigbee无线电部件。

在步骤270中，LAN分组由网关单元解密并解码。在步骤272中，经解码的数据由网关单元解释。例如，所述网关单元可被上载有关键故障的库以提供特定故障的分类，或基于预设的或下载的状况或现有状况的组合来提供烈度水平的指定。基于该判读，所述网关单元确定是否采取本地动作(步骤275)。如果本地动作是必要的，则网关将信号传送至设备以在步骤278中采取动作(例如，松开断路器、接通/断开电容器组，等等)。

另外，所述网关单元还可确定步骤280中是否需要上游通知。如果是，则所述网关单元可格式化广域网(WAN)分组(步骤282)并加密且传输所述WAN分组(步骤284)。WAN分组可经WiFi、本地无线电部件等发出，如上所述。WAN接收器(例如，移动接收器单元，诸如具有加载有适当应用程序的通信装置的服务技术人员，或服务提供商的操作中心)可接收WAN数据分组、解密并解码所述WAN分组(步骤286)。接收WAN数据分组的实体(例如，操作中心或服务车辆)可然后作用于来自网关单元的通知。

在一个方面中，该类型的通信系统允许设施公司准确地定位地下故障位置，因此节省了进入和物理上检测电网内多个保险库位置的时间和花费。另外，执行适当的本地动作可迅速恢复对顾客的服务并防止对电网自身的进一步损坏。

图5示出本发明的另一个方面，即地下数据通信系统200。数据通信系统200设置在示例性地下壳体中，在本文中为地下保险库11。在该示例中，保险库11包括一个或多个电线，诸如电线205a–205c(承载例如低电压功率、中电压功率或高电压功率)。

类似于上文所述，在另选方面中，地下通信系统200可在地上环境中实现。

重新参照图5，壳体或保险库11可从地上经由进口诸如常规或经修改的人孔盖51进入，所述人孔盖可由金属或非金属形成，并可具有常规的圆形形状。在该方面中，保险库11可被构造为常常由电力设施、气体设施、水设施和/或其它设施使用的常规地下保险库。然而，在另选方面中，地下数据通信系统200可用于另一类型的地下壳体或类似结构中，诸如人孔、地下室、地窖、凹坑、掩蔽所、管线或其它地下壳体。

保险库还包括设置在其中的至少一个监测装置，该监测装置可监测所述保险库或位于所述保险库中的部件或设备的物理状况。例如，在该方面中，在每个电线205a-205c上设置有产生与电流的导数成比例的电压的电流传感器(210a–210c)，诸如罗戈夫斯基线圈。另选地，可在壳体11内使用其它传感器装置，诸如上文所述的那些传感器装置。

原始数据信号可经由信号线230a-230c从传感器载送至被感测的分析单元(SAU)220。SAU 220可安装在保险库11内中心位置处，或者沿壁或其它内部保险库结构安装。SAU 220包括数字信号处理器(DSP)或片上系统(SOC)以接收、调控、分析、处理此类数据信号或以其它方式将此类数据信号转化成监控和数据采集(SCADA)系统中可用的信号。此外，DSP可独立于SCADA地执行一些操作。例如，DSP可执行故障检测、隔离、定位以及状况监测和报告。此外，DSP/SAU可被编程为提供附加特征，诸如电压、VAR优化、相量测量(同步相量仪)、初期故障检测、负载表征、事后事件分析、签名波形识别和事件捕捉、自修复和优化、能量审计、局部放电、谐波/子谐波分析、闪烁分析和漏电流分析。

此外，DSP以及SAU中使用的其它芯片需要被构造成仅需低功率水平，即大约小于10W。在该方面中，SAU 220可经由电力获取线圈215提供电力，该电力获取线圈耦接至所述电线中的一个以经由电力线缆217向SAU提供足够的电力。

此外，SAU 220可实现为具有备用电池(未示出)。此外，SAU 220可包括附加传感器以监测例如壳体内的环境状况。

来自SAU 220的处理后的数据可经由收发器240传送至网络或SCADA。如图5所示，收发器240被配置作为在环境上稳健的通信网关。在该方面中，收发器240可包括完全集成的功率非常低的电子器件(用于检测时间同步事件的SOC)以及GPS和多功能无线电通信模块。收发器240可由电池电源或无线电源(诸如无线电力发射器，未示出)供电。收发器240可以模块化方式安装/设计以具有针对不同应用程序将各种附加传感器安装在多个封装中的灵活性。

如图5所示，收发器可直接安装到入口盖51上。在该方面中，收发器240的一部分被构造成延伸穿过形成在入口盖51中的孔或管道。此外，收发器240的顶部部分被设计成与入口盖51的顶部表面基本上齐平。这样就降低了外部元件损坏收发器的风险。

收发器240可经由短程通信协议(例如，蓝牙、WiFi、ZigBee、ANT)与内部壳体部件诸如SAU 220通信。这样，收发器单元240可提供允许地下设备/监测装置(例如，SAU 220)与地上通信网络来回通信的网关。在该方面中，收发器单元240还包括环境硬化型地上天线，诸如上文所述的天线。地上天线可容纳在收发器240的与入口盖的顶部表面基本上齐平或在入口盖的顶部表面上方延伸(参见例如图1)并且耦接到无线电部件的部分中，该无线电部件与广泛可获得的地上无线通信网络，诸如WiFi、WiMax、移动电话(3G、4G、LTE、GSM)、私有执照频带、非执照频带等通信。收发器240还可包括网关电子器件，该网关电子器件在地上无线电信号之间提供接口并且经由第二天线对SAU 220无线地通信。另选地，SAU 220可经由用铜和/或光纤布线(类似于图1中所示的线缆130，但图5中未示出)进行的直接连接来对收发器240通信。收发器在地上网络与地下网络之间执行网络连接、安全性和数据转换功能。在其它方面中，网关电子器件可设置在SAU内，SAU可将数据包格式化为适当的网络格式并经由标准信号线缆将格式化的信号发送至收发器的传输天线。

在该方面中，收发器240包括额定使用至少12-15年的大型一次电池。在该方面中，通信系统200可被构造成通过在周期基础上工作来节省收发器240所用的电力。例如，除例如每天一次状态检查之外，SAU 220可被编程为仅当发生关键的问题性事件时才向收发器240发送信号。

在另选方面中，收发器240可由外部电源供电，该外部电源诸如可从电力获取装置215或耦接至另一电线的另一电力获取装置获得的电力。

在另一另选方面中，地下壳体还可包括靠近收发器240安装的无线电力发射器。无线电力发射器可(经由电感耦合，诸如近场电感耦合)将电力无线地传输至收发器。例如，无线电力发射器可包括与位于收发器240中的第二电感器耦接的第一(一次)电感器。可经由安装在地下壳体内的铰接支撑臂使无线电力发射器靠近收发器240。在一个方面中，无线发射器可置于工作位置，在该位置处，与收发器240的距离可比所使用的载波频率的约1/3波长近。无线电力发射器和收发器内的天线定位可根据状况进一步优化。无线电力发射器本身可由电力获取装置诸如装置215供电。

图6示出本发明的另一方面，即通信系统300。数据通信系统300设置在示例性地下壳体中，在本文中为地下保险库11。在该示例性具体实施中，保险库11包括一个或多个高电压电线，诸如电线305a–305c(承载例如中电压功率至高电压功率)。

壳体或保险库11可从地上经由进口诸如常规或经修改的人孔盖51进入，所述人孔盖可由金属或非金属形成，并可具有常规的圆形形状。在该方面中，保险库11可被构造为常常由电力设施、气体设施、水设施和/或其它设施使用的常规地下保险库。然而，在另选方面中，地下数据通信系统300可用于另一类型的地下壳体或类似结构中，诸如人孔、地下室、地窖、凹坑、掩蔽所、管线或其它地下壳体。

保险库还包括设置在其中的至少一个监测装置，该监测装置可监测所述保险库或位于所述保险库中的部件或设备的物理状况。

在该方面中，监测装置和SAU完全集成在被感测的线缆附件内。被感测的线缆附件，在该实例中为被感测的线缆接头310a-310c，还包括作为被感测的线缆附件的一部分完全集成的系统分析装置311a-311c(包括DSP芯片和系统通信(例如，蓝牙)芯片)。

在一个方面中，可根据需要将DSP芯片、系统通信芯片、以及其它芯片诸如A/D转换器和定时芯片安装在柔性电路或耦接至隔离电极元件的小型印刷电路板(例如，FR4)上，该隔离电极元件围绕线缆接头的电力载送导体的绝缘层延伸。这样，就不需要为系统300使用单独的SAU，因为集成的被感测的线缆附件可以接收、调控、分析、处理原始传感器数据信号或以其它方式将原始传感器数据信号转化成监控和数据采集(SCADA)系统中可用的信号。

此外，电力获取装置(例如，装置315a-315c)可集成作为被感测的线缆接头310a-310c的一部分以为DSP/蓝牙芯片组提供足够的电力。本发明的该方面中使用的电力获取装置可以与例如EP专利申请EP 14169529.6中所述的能源获取装置类似的方式构造，该EP专利申请全文以引用方式并入本文。在该示例性构造中，能源获取装置可作为被感测的线缆附件的一部分用来对协同定位的感测装置供电。

来自被感测的线缆附件310a-310c的处理后的数据可经由收发器340传送至网络或SCADA。如图6所示，收发器340被配置作为在环境上稳健的通信网关。在该方面中，收发器340可包括完全集成的功率非常低的电子器件(用于检测时间同步事件的SoC)以及GPS和多功能无线电通信模块。收发器340可由电池电源诸如上文所述的电池电源供电。如图6所示，收发器340可直接安装到入口盖51上。此外，收发器340的顶部部分被设计成与入口盖51的顶部表面基本上齐平。这样就降低了外部元件损坏收发器的风险。

收发器340可经由短程通信协议(例如，蓝牙)与内部壳体部件诸如被感测的线缆附件310a-310c无线地通信。在该方面中，收发器单元340还包括环境硬化型地上天线，诸如上文所述的天线。地上天线可容纳在收发器340的与入口盖51的顶部表面基本上齐平或在入口盖51的顶部表面上方延伸(参见例如图1)并且耦接到无线电部件的部分中，该无线电部件与广泛可获得的地上无线通信网络，诸如WiFi、WiMax、移动电话(3G、4G、LTE)、私有执照频带等通信。收发器340还可包括网关电子器件，该网关电子器件在地上无线电信号之间提供接口并且经由第二天线对被感测的线缆附件无线地通信。

在另选方面中，收发器340还可与一个或多个传感器集成，所述传感器诸如环境(例如，气体、烟雾、温度等)传感器。收发器340还可根据需要包括DSP芯片、系统通信芯片、以及其它芯片诸如A/D转换器和定时芯片以在环境传感器与网络或SCADA之间通信。

另外，多个地下数据通信系统可被构造成彼此通信并与地上网络诸如设施SCADA系统通信。例如，第一地下数据通信系统100a除了与地上网络通信之外还可与第二地下数据通信系统100b直接通信。

在另外的详述中，图7提供示出示例性通信方案的另一示例性通信流程图。

类似于系统200的实施方案(图5中示出)，通信网关单元与收发器240协同定位。在其它方面中，通信网关单元可与SAU协同定位。

在图7的示例中，根据所利用的传感器的类型，传感器测量结果可被(无线地或有线地)传送至SAU，或其可由有源传感器自身进行处理。假设数据被发送至SAU，SAU通过执行一种或多种分析模式来处理测得的信号。在该示例中，SAU 220可记录对电线的实时状况的测量结果(步骤362)，在该示例中，所述测量结果来自监测装置，诸如传感器310a。SAU 220确定是否要将格式化的数据传输至收发器/网关单元(步骤364)。如果否，则在步骤366中，SAU确定它是否应分析数据。如果不分析数据，则将数据发送至数据存储装置(步骤374)。如果要分析数据，可由SAU执行分析和/或事件检测(步骤368)。基于分析，SAU可指导执行某个动作，诸如控制动作，并且/或者数据会存储在存储器中(步骤374)。

如果要将数据传送到壳体之外，则在步骤375中，(无线地或通过通信线)将格式化/测得/经分析的数据传送至收发器/网关单元。在该方面中，收发器240通常保持在睡眠模式(步骤380)并且将在从SAU接收到数据存储装置中所存储的数据信号(步骤376)时，被通知唤醒(步骤377)。否则，在该方面中，收发器/网关单元在预定时间唤醒。

在步骤378中(在SAU或收发器/网关单元处)决定传输数据。如果不发送数据，收发器/网关单元可置回睡眠模式(步骤380)。数据包被网关单元格式化并经由标准或私有电信协议(步骤399)从收发器传输至云数据服务或SCADA(步骤398)。接收数据的实体(例如，操作中心或服务车辆)可然后根据来自收发器/网关单元的通知采取动作。例如，WAN接收器(例如，移动接收器单元，诸如拥有加载有适当应用程序的通信装置的服务技术人员，或服务提供商的操作中心)可接收来自收发器的封包数据、查询、解密和/或解码信息(步骤390中)。该信息可藉由Web应用程序的数据消耗(步骤396)，经由互联网或网络通信装置(步骤395)从/向云数据服务或SCADA(步骤398)传送。例如，在步骤396中，可进行表示性状态传输，从而创建、读取、更新和/或删除服务器上的信息。

在一个方面中，该类型的通信系统允许设施公司准确地定位地下故障位置，因此节省了进入和物理上检测电网内多个保险库位置的时间和花费。另外，执行适当的本地动作可迅速恢复对顾客的服务并防止对电网自身的进一步损坏。此外，该通信系统允许设施直接对特定壳体、收发器和/或SAU通信以重新配置或更新系统设置、表格、电力和环境感测的阈值。

类似于上文所述，在另选方面中，地下通信系统300可在地上环境中实现，所述地上环境诸如低电压线缆、中电压线缆或高电压线缆从地下进入并且暴露在地面设备中的地方。例如，被感测的线缆接头和收发器可在地上变压器壳体中实现。例如，可使用这些通信系统中的一个或多个的地面或地上装置包括例如电力或配电变压器、电机、开关设备、电容器组和发电机。此外，这些通信系统中的一个或多个可在自监测应用程序中实现，所述自监测应用程序诸如桥梁、天桥、车辆和标志监测、地铁、大坝、隧道和建筑物。监测装置自身，或者与SAU一起，可植入在需要功率非常低的计算能力的系统中，所述计算能力由事件发生、识别、定位以及经由自供电单元采取的动作来驱动。此外，GPS能力以及时间同步事件的集成有助于通过以设定的阈值进行的早期检测以及通过针对关键结构性或设施部件的各种初期应用程序/故障/衰退的算法来找出关键问题。另一变量是能够用在相当危险的应用程序中的非破坏性机械构造。

例如，图8示出了可在地面或地上实现的示例性壳体20，其包括通信系统400。在该示例性具体实施中，壳体20包括一个或多个电线，诸如电线405a–405c(承载例如低电压功率、中电压功率或高电压功率)。在另选方面中，壳体20可容纳电容器组、电机、开关设备、电力或配电变压器、发电机和/或其它设施设备。

壳体20还包括设置在其中的至少一个监测装置，该监测装置可监测所述保险库或位于所述保险库中的部件或设备的物理状况。例如，在该方面中，在每个电线405a-405c上设置有产生与电流的导数成比例的电压的电流传感器(410a–410c)，诸如罗戈夫斯基线圈。此外，还可包括环境传感器413。也可在壳体20内使用其它传感器装置，诸如上文所述的那些传感器装置。

原始数据信号可经由信号线430a-430c从传感器载送至被感测的分析单元(SAU)420。SAU 420可安装在壳体20内中心位置处，或者沿壁或其它内部结构安装。SAU 420包括数字信号处理器(DSP)或片上系统(SOC)以接收、调控、分析、处理此类数据信号或以其它方式将此类数据信号转化成监控和数据采集(SCADA)系统中可用的信号。此外，DSP可独立于SCADA地执行一些操作。例如，DSP可执行故障检测、隔离、定位以及状况监测和报告。此外，DSP/SAU可被编程为提供附加特征，诸如电压、VAR优化、相量测量(同步相量仪)、初期故障检测、负载表征、事后事件分析、签名波形识别和事件捕捉、自修复和优化、能量审计、局部放电、谐波/子谐波分析、闪烁分析和漏电流分析。

此外，DSP以及SAU中使用的其它芯片需要被构造成仅需低功率水平，即大约小于10W。在该方面中，SAU 420可经由电力获取线圈415提供电力，该电力获取线圈耦接至所述电线中的一个以经由电力线缆417向SAU提供足够的电力。此外，SAU 420可实现为具有备用电池(未示出)。

来自SAU 420的处理后的数据可经由收发器440传送至网络或SCADA。在该方面中，收发器440可包括完全集成的功率非常低的电子器件(用于检测时间同步事件的SOC)以及GPS和多功能无线电通信模块。收发器440可由壳体20内的线电源、电池电源或无线电源(诸如无线电力发射器，未示出)供电。SAU 420可经由用铜和/或光纤布线431进行的直接连接来对收发器440通信。

在该方面中，收发器440可直接安装到壳体20的顶部(或其它)表面上。收发器440可经由线缆430a–430c与内部壳体部件诸如SAU 420通信。必要时，收发器420可在外部网络与内部网络之间执行网络连接、安全性和数据转换功能。

在另一方面中，SAU 420可被构造为模块化或可升级的单元。此类模块化单元可允许经由一个或多个接口端口保护或隔离模块附接。如图8所示，多个传感器(410a-410c、413)连接至SAU 420。此类构型可允许监测电力线和/或各种附加环境传感器，所述附加环境传感器类似于传感器413并且可检测诸如气体、水、振动、温度、氧含量等的参数。例如，在一个另选方面中，传感器413可包括用于观察环境以及壳体内部件的温度概况的热成像相机。前述DSP/其它芯片可提供用于解译、过滤、激活、配置收发器440和/或对收发器440通信的计算能力。软件狗或连接器组件可容纳用于构建模数前端的附加电路。软件狗或连接器组件还可包括即插即用电路以用于自动识别和认出所插入的感测模块(并自动设置正确的同步、定时及其它适当的通信条件)。

图9示出本发明的一个方面，即地下数据通信系统500。数据通信系统500设置在示例性地下壳体中，在本文中为地下保险库11。在该示例性具体实施中，保险库11包括一个或多个电线，诸如电线505a–505c(承载例如低电压功率、中电压功率或高电压功率)。

壳体或保险库11可经由入口端口55从地上进入，该入口端口包括经修改的人孔盖50’以及环或凸缘52。在该方面中，保险库11可被构造为常常由电力设施、气体设施、水设施和/或其它设施使用的常规地下保险库。然而，在另选方面中，地下数据通信系统500可用于另一类型的地下壳体或类似结构中，诸如人孔、地下室、地窖、凹坑、掩蔽所、管线或其它地下壳体。

保险库还包括设置在其中的至少一个监测装置，该监测装置可监测所述保险库或位于所述保险库中的部件或设备的物理状况。例如，在该方面中，在每个电线505a-505c上设置有产生与电流的导数成比例的电压的电流传感器(510a–510c)，诸如罗戈夫斯基线圈。另选地，可在壳体11内使用其它传感器装置，诸如上文所述的那些传感器装置。

原始数据信号可经由信号线530a-530c从传感器载送至被感测的分析单元(SAU)520。SAU 520可安装在保险库11内中心位置处，或者沿壁或其它内部保险库结构安装。如图9所示，SAU可安装在保险库11的顶壁上。SAU 520包括数字信号处理器(DSP)或片上系统(SOC)以接收、调控、分析、处理此类数据信号或以其它方式将此类数据信号转化成监控和数据采集(SCADA)系统中可用的信号。此外，DSP可独立于SCADA地执行一些操作。例如，DSP可执行故障检测、隔离、定位以及状况监测和报告。此外，DSP/SAU可被编程为提供附加特征，诸如电压、VAR优化、相量测量(同步相量仪)、初期故障检测、负载表征、事后事件分析、签名波形识别和事件捕捉、自修复和优化、能量审计、局部放电、谐波/子谐波分析、闪烁分析和漏电流分析。

此外，DSP以及SAU中使用的其它芯片需要被构造成仅需低功率水平，即大约小于10W。在该方面中，SAU 520可经由电力获取线圈515提供电力，该电力获取线圈耦接至所述电线中的一个以经由电力线缆517向SAU提供足够的电力。

此外，SAU 520可实现为具有备用电池(未示出)。此外，SAU 520可包括附加传感器以监测例如壳体内的环境状况。

来自SAU 520的处理后的数据可经由收发器540传送至网络或SCADA。在该方面中，收发器540可包括完全集成的功率非常低的电子器件(用于检测时间同步事件的SOC)以及GPS和多功能无线电通信模块。收发器540可由电池电源或无线电源(诸如无线电力发射器，未示出)供电。SAU 520可经由用铜和/或光纤布线531进行的直接连接来对收发器540通信。另选地，收发器540还可包括网关电子器件，该网关电子器件在地上无线电信号之间提供接口并且经由第二天线对SAU 520无线地通信。

在该方面中，收发器540可直接安装到入口端口55的环或凸缘部分52上。在该方面中，支架或安装结构541可构造成安装到环或凸缘52并将收发器540固定在其中。入口盖50‘可包括沿其周长的切口部分53，该切口部分与收发器/支架结构的外形相符。这样，收发器540的顶部部分被设计成与入口盖50‘的顶部表面基本上齐平。因此就降低了外部元件损坏收发器540的风险。此外，在入口盖50‘未正确移除的情况下，收发器540的损坏风险或线缆531的连接断开风险也被降低。

收发器540可经由线缆530a–530c和/或短程通信协议(例如，蓝牙、WiFi、ZigBee、ANT)与内部壳体部件诸如SAU 520通信。这样，收发器单元540可提供允许地下设备/监测装置(例如，SAU 520)与地上通信网络来回通信的网关。在该方面中，收发器单元540还包括环境硬化型地上天线，诸如上文所述的天线。地上天线可容纳在收发器540的与入口盖的顶部表面基本上齐平并且耦接到无线电部件的部分中，该无线电部件与广泛可获得的地上无线通信网络，诸如WiFi、WiMax、移动电话(3G、4G、LTE、GSM)、私有执照频带、非执照频带等通信。收发器在地上网络与地下网络之间执行网络连接、安全性和数据转换功能。在其它方面中，网关电子器件可设置在SAU内，SAU可将数据包格式化为适当的网络格式并经由标准信号线缆将格式化的信号发送至收发器的传输天线。

现已参考若干独立的实施方案描述了本发明。上述具体实施方式已被给出仅用于清楚地理解本发明。不应将之理解为或用作不必要的限制。对右、左、前、后、上和下的参考以及对方向的参考仅是示例性的，并且不限制受权利要求书保护的发明。在不脱离本发明范围的情况下，在所描述的实施方案中进行许多修改对本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明的范围不应受本文所述细节和结构的限制，而是仅受权利要求的语言描述的结构及其那些结构的等同物的限制。