超低功耗無線數據監測設備的製作方法
2023-10-06 03:03:14 1
超低功耗無線數據監測設備的製作方法
【專利摘要】本實用新型的超低功耗無線數據監測設備，其包括無線信號檢測電路、射頻收發電路、無線收發IC、主控CPU和電池供電系統，所述射頻收發電路的輸出端接於無線信號檢測電路的輸入端，無線信號檢測電路的輸出端接於主控CPU的輸入端，主控CPU的輸入輸出端接於無線收發IC的輸入輸出端，無線收發IC的輸入輸出端接於射頻收發電路的輸入輸出端，電池供電系統為上述各模塊供電；所述無線信號檢測電路包括信號接收單元、濾波單元、信號放大單元和信號發送單元，信號接收單元、濾波單元、信號放大單元和信號發送單元順次電連接。
【專利說明】超低功耗無線數據監測設備
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及電力線故障監測系統中的數據採集器，具體涉及一種超低功耗的無線數據監測設備。
【背景技術】
[0002]電力線故障監測系統由故障指示器、數據採集器、集中管理器、數據中心等幾部分組成。故障指示器是安裝在電力線上的帶無線通信的智能傳感器，帶信號採集、物理量計算、無線通訊、自取電等功能。如線路發生過流、過負荷、斷線等故障，就將故障信息通過無線方式發送到數據採集器上。數據採集器安裝在電線桿上，通過無線方式進行自動組網，網絡中的每個數據採集器均可路由轉發其它數據採集器發送的數據，最終發送到整個網絡中唯一的一個集中管理器中。集中管理器接收到數據採集器發送的信息，對進行數據處理後，通過GPRS/GSM/CDMA/3G等方式發送到數據中心。
[0003]其中，現有的數據採集器一般包括射頻收發電路，無線收發1C、主控CPU等模塊電路，為了保證無線數據不會丟失，需要使無線收發IC 一直處於等待接收模式，造成工作電流無法降低，從而造成設備功耗居高不下，雖然也有設備採用了周期性工作的解決方案，使設備本身功耗有所降低，但是實時性也大打折扣，同時造成了數據發送方的功耗大大增加，等於使功耗進行了轉移。沒有從本質上解決問題。所以大部分同類設備還是採用太陽能電池板+太陽能控制+可充電電池的方案，來解決持續工作時間的問題。進而導致現有線路故障監測系統中的數據採集器存在以下問題:
[0004]①設備昂貴。在使用太陽能電池板的數據採集器中，太陽能電池板及相配套的太陽能控制器的價格佔了整個設備硬體成本的70%以上。造成製造成本昂貴，不利於產品的推廣和應用；
[0005]②體積笨重。使用太陽能電池板，需要使用金屬結構的固定件對其進行固定，還要使用太陽能控制器，對充電電池進行保護，使得整個設備重達數十斤，不利於安裝和運輸；
[0006]③安裝人員要求高。太陽能電池板是通過吸收太陽光，將太陽輻射能通過光電效應或者光化學效應直接或間接轉換成電能，通過太陽能控制器，將電能存儲在可充電電池中。由於不同使用地區經緯度不同，太陽光在不同季節照射角度也不同，所以在安裝的時候均需按照使用地的具體情況，來調整太陽能電池板的角度，使其能接受更長的日照時間和更好的入射角度，來提高太陽能電池板的轉換效率。這樣對安裝人員的技術要求比較高，需要專業的行業知識，對設備進行安裝和調試，安裝是否合理直接影響到整個系統的運行；
[0007]④維護困難且昂貴。太陽能電池板長期安裝在戶外，充滿風沙、浮灰，而且現在環境汙染比較嚴重，基本都是油灰，這些雜質阻擋電池板吸收陽光，降低電池板的工作效率。如果沒有及時清洗的話，太陽能電池板不僅對太陽能的吸收逐漸減弱，還容易產生局部燒壞，從而影響系統工作。所以要定期進行清洗、保潔。由於數據採集器安裝在野外和高空，清洗起來非常麻煩，需要大量的人力物力。這樣就造成後期的維護成本昂貴；
[0008]⑤受環境氣候影響比較大。太陽能電池板受太陽光照射的影響，同一個地區在夏天和冬天日照時間和日照強度的不同，就造成同一個設備在冬天和夏天持續工作時間都不同。同時受天氣的影響，如果一個地區連續的陰雨天氣，就會造成系統因不能充電而停止工作。
實用新型內容
[0009]因此，針對上述的問題，本實用新型提出一種超低功耗無線數據監測設備，對其內部電路進行改進，使設備的工作時間大大延長，成功節省掉太陽能充電板及其相配套智能控制設備，避免了同類設備中由於採用太陽能充電方案而引起的一系列問題，從而解決現有技術之不足。
[0010]為了解決上述技術問題，本實用新型的思路是，考慮數據採集器，使其長時間工作。數據採集器中主要由射頻收發電路、無線收發1C、主控CPU等模塊電路。為了保證能實時接收到故障指示器發送過來的故障信息，主控CPU可以工作在低功耗模式，但是必需要保證射頻接收電路和無線收發IC處於接收狀態，否則就會使數據丟失。現今最低功耗的無線收發IC在接收狀態下的工作電流也達到了 15mA，如果沒有數據通信，還讓其等待接收數據，顯然對功耗極其敏感的電池供電系統來說，是極大的浪費。現有的數據採集器通過電池供電，由於電池容量、系統功耗等原因，不能使數據採集器長時間工作。為了解決這個問題，一般採用太陽能電池板對可充電鉛酸蓄電池或鋰電池進行充電，雖然延長了數據採集器的工作時間，但是也引出了一系列其它問題，如製造和維護成本、設備笨重、安裝工藝複雜、受環境氣候影響等，實用效果大打折扣。本實用新型從採用獨特的降低功耗的無線信號檢測電路，降低了數據採集器的功耗，使用12AH的一次性鋰電池，可以連續使用5年以上。不再使用太陽能充電板，避免了使用太陽能充電板引起的一系列問題。
[0011]具體的，本實用新型的超低功耗無線數據監測設備，包括無線信號檢測電路、射頻收發電路、無線收發1C、主控CPU和電池供電系統，所述射頻收發電路的輸出端接於無線信號檢測電路的輸入端，無線信號檢測電路的輸出端接於主控CPU的輸入端，主控CPU的輸入輸出端接於無線收發IC的輸入輸出端，無線收發IC的輸入輸出端接於射頻收發電路的輸入輸出端，電池供電系統為上述各模塊供電。
[0012]其中，射頻收發電路:接收數據時，接收無線信號，傳輸給無線收發IC和無線信號檢測電路；發送數據時，將無線收發IC處理後的信號，轉換為指定頻率的無線電波。
[0013]無線信號檢測電路對射頻收發電路的模擬信號，進行檢測，並根據檢測結果將主控CPU進行模式切換或直接丟棄。
[0014]主控CPU控制整個系統的運行，控制無線收發IC進行模式切換。被無線信號檢測電路喚醒後，將無線收發IC切換到接收模式，等待無線收發IC數據接收完成後，對數據進行讀取；發送數據時，將無線收發IC切換到發送模式，將待發送數據通過串行接口傳輸給無線收發1C。對電池供電系統提供的電壓進行檢測。
[0015]無線收發IC:由主控CPU控制其狀態，接收模式時，將射頻收發電路接收到無線信號，進行處理，並存入本身緩存；發送數據時，將主控CPU發送過來的數據，進行調製發送。
[0016]電池供電系統，為整個系統提供運行能耗。
[0017]進一步的，所述無線信號檢測電路包括信號接收單元、濾波單元、信號放大單元和信號發送單元，信號接收單元、濾波單元、信號放大單元和信號發送單元順次電連接。[0018]其中，所述信號接收單元包括天線晶片IRl。所述濾波單元包括電容C5、電容C8、電容C2和電感LI，電容C5的一端連接天線晶片IRl的信號輸入端和電感LI的一端，電容C5的另一端、天線晶片IRl的接地端以及電容C8的一端接地，電感LI的另一端連接電容C8的另一端以及電容C2的一端，電容C2的另一端連接信號放大單元。
[0019]進一步的，所述信號放大單元包括電阻R3、電阻R4、電阻R6、電阻R8、電阻R10、電容Cl、電容C3、電容C9和放大器U2，電阻R4的一端連接濾波單元，電阻R4的另一端連接電容Cl的一端、電容C3的一端和電阻R6的一端，電阻R6的另一端接地，電容Cl的另一端連接電阻R3的一端和放大器U2的輸出端，電容C3的另一端連接電阻R3的另一端以及放大器U2的反相輸入端,放大器U2的同相輸入端連接電容C9的一端、電阻RlO的一端和電阻R8的一端，電阻R8的另一端連接電源VCC，電容C9的另一端和電阻RlO的另一端接地。
[0020]進一步的，所述信號發送單元包括電容C4、電阻R1、電阻R2、電阻R5、電阻R7、電阻R9、電容C4、電容C6、電容C7、三極體VT1、三極體VT2和脈衝調製晶片Ul，脈衝調製晶片Ul實現帶通濾波以及脈寬調製，負責把波形信號轉變為電平變換，電容C4的一端和電阻R9的一端連接放大器U2的輸出端，電容C4的另一端連接電阻R7的一端和三極體VTl的基極，電阻R7的另一端和三極體VTl的發射極接地，三極體VTl的集電極連接脈衝調製晶片Ul的第2腳和電阻R2的一端，電阻R2的另一端連接電阻Rl的一端、脈衝調製晶片Ul的第8腳、脈衝調製晶片Ul的第4腳和電源VCC，脈衝調製晶片Ul的第6腳連接電阻Rl的另一端，脈衝調製晶片Ul的第7腳串聯電容C6後接地，脈衝調製晶片Ul的第I腳接地，脈衝調製晶片Ul的第5腳串聯電容C7後接地，脈衝調製晶片Ul的第3腳串聯電阻R5後連接三極體VT2的基極，三極體VT2的發射極接地，三極體VT2的集電極連接電阻R9的另一端，並作為該信號發送單元輸出端。
[0021]其中，為了提高檢測靈敏度更及準確性，所述無線信號檢測電路和無線射頻電路一起PCB布板。根據不同的無線頻率，調整檢測電路相應的參數。
[0022]本實用新型是在電力線故障監測系統中採用獨特的降低功耗的電路結構，解決了使用電池供電的無線數據採集設備中的功耗問題，使得整個設備的製造成本降低、體積減小、施工難度減小、免維護、不受環境氣候等影響。本實用新型通過改進無線信號檢測電路，降低了功耗，進而延長電池使用時間，從而避免同類設備中使用太陽能電池板而引出的一系列問題。與現有技術相比，本實用性具有如下優點:
[0023]①製造成本低。使用本實用新型設計的數據採集器，可以節省掉同類設備中，為了延長工作時間而增加的太陽能電池板及其配套控制設備，大大降低其製造成本。利於產品的推廣和應用；
[0024]②體積輕巧、緊湊。整個設備由於節省掉同類設備中使用的太陽能採集裝置，從而使體積大大縮小。便於安裝和運輸；
[0025]③安裝簡單。對安裝人員無特殊要求，只需要對設備進行簡單固定即可，無需調試、接線等；
[0026]④免維護。後續維護成本幾乎為零，即使出現問題，只需要簡單更換即可完成；
[0027]⑤不受環境氣候影響。全天候24小時工作，不受任何環境、地理因素影響。
【專利附圖】
【附圖說明】[0028]圖1為本實用新型的超低功耗無線數據監測設備的系統框圖；
[0029]圖2為本實用新型的實施例的無線信號檢測電路的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0030]現結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型進一步說明。
[0031]本實用新型的主要應用在數據採集器上(其它幾部分一般由外部電源供電，不需要考慮功耗的問題)。數據採集器通過電池供電，由於電池容量、系統功耗等原因，不能使數據採集器長時間工作。為了解決這個問題，一般採用太陽能電池板對可充電鉛酸蓄電池或鋰電池進行充電，雖然延長了數據採集器的工作時間，但是也引出了一系列其它問題，如製造和維護成本、設備笨重、安裝工藝複雜、受環境氣候影響等，實用效果大打折扣。本實用新型從採用獨特的降低功耗的無線信號檢測電路，降低了數據採集器的功耗，使用12AH的一次性鋰電池，可以連續使用5年以上。不再使用太陽能充電板，避免了使用太陽能充電板引起的一系列問題。
[0032]具體的，本實用新型的超低功耗無線數據監測設備，包括無線信號檢測電路、射頻收發電路、無線收發1C、主控CPU和電池供電系統，所述射頻收發電路的輸出端接於無線信號檢測電路的輸入端，無線信號檢測電路的輸出端接於主控CPU的輸入端，主控CPU的輸入輸出端接於無線收發IC的輸入輸出端，無線收發IC的輸入輸出端接於射頻收發電路的輸入輸出端，電池供電系統為上述各模塊供電。
[0033]其中，射頻收發電路接收空氣中傳播的無線信號，過濾掉其它頻段的無線信號，對同頻段的無線信號進行積分、濾波、放大等處理。將處理後的信號傳輸給無線收發1C。
[0034]無線信號檢測電路，對射頻收發電路接收並處理後的無線信號進行解調，放大、採樣轉換為數位訊號，如果是有效信號，將使用中斷方式喚醒主控CPU，使其從低功耗模式切換到活動模式。
[0035]主控CPU接收到無線信號檢測電路發送過來的中斷信號，從低功耗模式切換到活動模式，打開無線收發1C，使其處於接收狀態。等待無線收發IC接收到數據後，發送中斷信號到主控CPU，此時主控CPU發送讀取命令，讀取接收到的無線數據。然後進行數據解析；如果需要發送數據，則將無線收發IC切換到發送模式，通過串行方式將數據傳送給無線收發1C，由無線收發IC通過射頻收發電路，將數據通過無線電波發送出去。
[0036]無線收發IC被主控CPU切換到接收模式時，對射頻收發電路發送過來的無線信號，進行解調、放大、採樣等步驟後，轉換為數位訊號，並將數據存儲在內存中，通知主控CPU來對數據進行讀取；被主控CPU切換到發送模式時，對主控CPU發送過來的數據，轉換為模擬信號，進行濾波、倍頻、調製等處理後，通過射頻收發電路轉換為無線電波，進行數據傳輸。
[0037]電池供電系統為整個系統提供運行能耗。並有主控CPU對其提供的電壓進行檢測，若低於警戒值，將發送報警信息
[0038]其中，所述無線信號檢測電路包括信號接收單元、濾波單元、信號放大單元和信號發送單元，信號接收單元、濾波單元、信號放大單元和信號發送單元順次電連接。
[0039]作為一個具體的實例，所述信號接收單元包括天線晶片IRl (天線座)。所述濾波單元包括電容C5、電容C8、電容C2和電感LI，電容C5的一端連接天線晶片IRl的信號輸入端和電感LI的一端，電容C5的另一端、天線晶片IRl的接地端以及電容C8的一端接地，電感LI的另一端連接電容CS的另一端以及電容C2的一端，電容C2的另一端連接信號放大單元。所述信號放大單元包括電阻R3、電阻R4、電阻R6、電阻R8、電阻R10、電容Cl、電容C3、電容C9和放大器U2，電阻R4的一端連接濾波單元，電阻R4的另一端連接電容Cl的一端、電容C3的一端和電阻R6的一端，電阻R6的另一端接地，電容Cl的另一端連接電阻R3的一端和放大器U2的輸出端，電容C3的另一端連接電阻R3的另一端以及放大器U2的反相輸入端，放大器U2的同相輸入端連接電容C9的一端、電阻RlO的一端和電阻R8的一端，電阻R8的另一端連接電源VCC，電容C9的另一端和電阻RlO的另一端接地。所述信號發送單元包括電容C4、電阻R1、電阻R2、電阻R5、電阻R7、電阻R9、電容C4、電容C6、電容C7、三極體VTl、三極體VT2和脈衝調製晶片Ul，脈衝調製晶片Ul實現帶通濾波以及脈寬調製，負責把波形信號轉變為電平變換；電容C4的一端和電阻R9的一端連接放大器U2的輸出端，電容C4的另一端連接電阻R7的一端和三極體VTl的基極，電阻R7的另一端和三極體VTl的發射極接地，三極體VTl的集電極連接脈衝調製晶片Ul的第2腳和電阻R2的一端，電阻R2的另一端連接電阻Rl的一端、脈衝調製晶片Ul的第8腳、脈衝調製晶片Ul的第4腳和電源VCC，脈衝調製晶片Ul的第6腳連接電阻Rl的另一端，脈衝調製晶片Ul的第7腳串聯電容C6後接地，脈衝調製晶片Ul的第I腳接地，脈衝調製晶片Ul的第5腳串聯電容C7後接地，脈衝調製晶片Ul的第3腳串聯電阻R5後連接三極體VT2的基極，三極體VT2的發射極接地，三極體VT2的集電極連接電阻R9的另一端，並作為該信號發送單元輸出端。
[0040]本實用新型是在電力線故障監測系統中採用獨特的降低功耗的電路結構，解決了使用電池供電的無線數據採集設備中的功耗問題，使得整個設備的製造成本降低、體積減小、施工難度減小、免維護、不受環境氣候等影響。
[0041]為了保證能實時接收到故障指示器發送過來的故障信息，主控CPU可以工作在低功耗模式，但是必需要保證射頻接收電路和無線收發IC處於接收狀態，否則就會使數據丟失。現今最低功耗的無線收發IC在接收狀態下的工作電流也達到了 15mA，如果沒有數據通信，還讓其等待接收數據，顯然對功耗極其敏感的電池供電系統來說，是極大的浪費。本實用新型採用獨特的檢測電路，對射頻收發電路部分的射頻信號進行實時檢測，未檢測到有數據到來時，可以關閉無線收發1C，並使主控CPU進入休眠模式，整個系統中只有檢測電路進行工作，此時整個系統的電流只有20nA左右。檢測無線數據到來時，喚醒無線收發IC和主控CPU，對數據進行接收；有效降低了整個系統功耗，大大延長了電池的使用時間。假設使用12AH的一次性鋰電池，每隔5分鐘收到一次故障信息，數據採集器對故障信息進行處理後，再將其發送到集中管理器(中間可能需要經過其它數據採集器的中轉和路由)，可保證系統工作8年以上。按照這樣的功耗，完全沒必要再使用太陽能電池板和可充電電池。就成功避免了使用太陽能電池板引起的一系列問題。
[0042]其中，本實用新型主要對無線信號檢測電路進行改進。無線信號檢測電路和無線射頻電路一起PCB布板。根據不同的無線頻率，調整檢測電路相應的參數，提高檢測靈敏度更及準確性。
[0043]另外，本實用新型的電路具備通用性，可以應用到其它電池供電的數據檢測領域。本實用新型可以用在對功耗要求比較嚴格的其它領域，如本實用新型中的無線信號檢測電路也可以用到氣表/水錶自動抄表系統等領域。[0044]儘管結合優選實施方案具體展示和介紹了本實用新型，但所屬領域的技術人員應該明白，在不脫離所附權利要求書所限定的本實用新型的精神和範圍內，在形式上和細節上可以對本實用新型做出各種變化，均為本實用新型的保護範圍。
【權利要求】
1.超低功耗無線數據監測設備，其特徵在於:包括無線信號檢測電路、射頻收發電路、無線收發1C、主控CPU和電池供電系統，所述射頻收發電路的輸出端接於無線信號檢測電路的輸入端，無線信號檢測電路的輸出端接於主控CPU的輸入端，主控CPU的輸入輸出端接於無線收發IC的輸入輸出端，無線收發IC的輸入輸出端接於射頻收發電路的輸入輸出端，電池供電系統為上述各模塊供電； 所述無線信號檢測電路包括信號接收單元、濾波單元、信號放大單元和信號發送單元，信號接收單元、濾波單元、信號放大單元和信號發送單元順次電連接。
2.根據權利要求1所述的無線數據監測設備，其特徵在於:所述信號接收單元包括天線晶片IR1。
3.根據權利要求2所述的無線數據監測設備，其特徵在於:所述濾波單元包括電容C5、電容C8、電容C2和電感LI，電容C5的一端連接天線晶片IRl的信號輸入端和電感LI的一端，電容C5的另一端、天線晶片IRl的接地端以及電容C8的一端接地，電感LI的另一端連接電容C8的另一端以及電容C2的一端，電容C2的另一端連接信號放大單元。
4.根據權利要求3所述的無線數據監測設備，其特徵在於:所述信號放大單元包括電阻R3、電阻R4、電阻R6、電阻R8、電阻R10、電容Cl、電容C3、電容C9和放大器U2，電阻R4的一端連接濾波單兀，電阻R4的另一端連接電容Cl的一端、電容C3的一端和電阻R6的一端，電阻R6的另一端接地，電容Cl的另一端連接電阻R3的一端和放大器U2的輸出端，電容C3的另一端連接電阻R3的另一端以及放大器U2的反相輸入端，放大器U2的同相輸入端連接電容C9的一端、電阻RlO的一端和電阻R8的一端，電阻R8的另一端連接電源VCC，電容C9的另一端和電阻RlO的另一端接地。
5.根據權利要求4所述的無線數據監測設備，其特徵在於:所述信號發送單元包括電容C4、電阻R1、電阻R2、電阻R5、電阻R7、電阻R9、電容C4、電容C6、電容C7、三極體VT1、S極管VT2和脈衝調製晶片Ul，電容C4的一端和電阻R9的一端連接放大器U2的輸出端，電容C4的另一端連接電阻R7的一端和三極體VTl的基極，電阻R7的另一端和三極體VTl的發射極接地，三極體VTl的集電極連接脈衝調製晶片Ul的第2腳和電阻R2的一端，電阻R2的另一端連接電阻Rl的一端、脈衝調製晶片Ul的第8腳、脈衝調製晶片Ul的第4腳和電源VCC，脈衝調製晶片Ul的第6腳連接電阻Rl的另一端，脈衝調製晶片Ul的第7腳串聯電容C6後接地，脈衝調製晶片Ul的第I腳接地，脈衝調製晶片Ul的第5腳串聯電容C7後接地，脈衝調製晶片Ul的第3腳串聯電阻R5後連接三極體VT2的基極，三極體VT2的發射極接地，三極體VT2的集電極連接電阻R9的另一端，並作為該信號發送單元輸出端。
【文檔編號】H04W52/02GK203590239SQ201320774616
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年12月2日 優先權日:2013年12月2日
【發明者】楊小青, 楊新磊 申請人:盛發電力科技（廈門）有限公司