一种用于智慧工地智能配电箱的数据采集系统

技术领域

本发明涉及数据采集技术领域，并且更具体地，涉及一种用于智慧工地智能配电箱的数据采集系统。

背景技术

在目前大力推动数字化转型的情况下，智慧工地迅速崛起，利用智能配电箱实现工地现场用电的智能化、数字化和对于智能配电箱数据的高效管理是当务之急。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种用于智慧工地智能配电箱的数据采集系统，包括：数据采集单元、数据处理单元和数据管理单元；

所述数据采集单元用于采集智能配电箱及与智能配电箱相关的数据信号，所述数据处理单元用于对所述数据信号进行校正，获取正确的数据信号值，所述数据管理单元用于将所述正确的数据信号值，以4G技术上传至互联网平台或云平台；

所述互联网平台或云平台，用于对上传的正确的数据信号值进行存储及管理。

其中，数据采集单元采集的数据信号，包括：智能配电箱的三相电压电流信号及漏电信号，与所述智能配电箱相连电缆的温度信号。

其中，数据采集单元，包括：三相电压采集电路、三相电流采集电路、温度传感器和漏电电流互感器；

所述三相电压采集电路用于采集智能配电箱的三相电压信号；

所述三相电流采集电路用于采集智能配电箱的三相电流信号；

所述温度传感器用于采集电缆的温度信号；

所述漏电电流互感器用于采集智能配电箱的漏电信号。

其中，三相电压采集电路采集智能配电箱的三相电压信号，包括：

通过所述三相电压采集电路采集智能配电箱的三相电压的电压模拟信号，将所述电压模拟信号经电阻分压后，将分压后的电压模拟信号经A/D转换后得到三相电压信号。

其中，三相电流采集电路采集智能配电箱的三相电流信号，包括：

通过所述三相电流传感器采集智能配电箱的三相电流的电流模拟信号，将所述电流模拟信号经互感器进行变比，将所述互感器二次侧的电流模拟信号转换为电压信号，将所述电压信号经A/D转换后得到三相电流信号。

其中，温度传感器用于采集电缆的温度信号，包括：

通过所述温度传感器采集电缆的模拟温度信号，将所述模拟温度信号经A/D转换为温度信号。

其中，温度传感器包括4路，所述4路的温度传感器紧贴电缆，以采集所述电缆的温度信号。

其中，电流互感器用于采集智能配电箱的漏电信号，包括：

当所述电流互感器采集到漏电电流后，将所述电流互感器二次侧的电流信号经电阻转换为电压信号，将电压信号经A/D转换为漏电信号。

其中，数据处理单元用于对所述数据信号进行校正，获取正确的数据信号值，包括：

通过所述数据处理单元的芯片对三相电压信号、三相电流信号和漏电信号进行校正，得到正确的三相电压信号、三相电流信号和漏电信号的值，通过查表和线性计算的方式，根据温度信号计算出正确的温度信号的值；

所述芯片内置校正算法。

其中，数据采集单元，包括多种芯片，所述数据采集单元根据获取的不同的模拟信号，选择不同的芯片对模拟信号进行A/D转换。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出了一种用于智慧工地智能配电箱的数据采集系统，包括：数据采集单元、数据处理单元和数据管理单元；所述数据采集单元用于采集智能配电箱及与智能配电箱相关的数据信号，所述数据处理单元用于对所述数据信号进行校正，获取正确的数据信号值，所述数据管理单元用于将所述正确的数据信号值，以4G技术上传至互联网平台或云平台；所述互联网平台或云平台，用于对上传的正确的数据信号值进行存储及管理。本发明能够用于系统的采集智能配电箱的相关数据，实现对于智能配电箱的数字化管理。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为本发明系统的电源电路示意图；

图3为本发明系统的数据采集的逻辑框图；

图4为本发明系统的电压分压电路示意图；

图5为本发明系统的电流值的取样电路示意图；

图6为本发明系统的温度参数采集电流示意图；

图7为本发明系统的漏电电流采样电路示意图；

图8为本发明系统的开关接点输出电路示意图；

图9为本发明系统的开关接点输入电路示意图；

图10为本发明系统的数组区间判断流程示意图；

图11为本发明系统的串口数据通信流程示意。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

实施例1：

本发明提出了一种用于智慧工地智能配电箱的数据采集系统，包括：数据采集单元、数据处理单元和数据管理单元；

所述数据采集单元用于采集智能配电箱及与智能配电箱相关的数据信号，所述数据处理单元用于对所述数据信号进行校正，获取正确的数据信号值，所述数据管理单元用于将所述正确的数据信号值，以4G技术上传至互联网平台或云平台；

所述互联网平台或云平台，用于对上传的正确的数据信号值进行存储及管理。

其中，数据采集单元采集的数据信号，包括：智能配电箱的三相电压电流信号及漏电信号，与所述智能配电箱相连电缆的温度信号。

其中，数据采集单元，包括：三相电压采集电路、三相电流采集电路、温度传感器和漏电电流互感器；

所述三相电压采集电路用于采集智能配电箱的三相电压信号；

所述三相电流采集电路用于采集智能配电箱的三相电流信号；

所述温度传感器用于采集电缆的温度信号；

所述漏电电流互感器用于采集智能配电箱的漏电信号。

其中，三相电压采集电路采集智能配电箱的三相电压信号，包括：

通过所述三相电压传感器采集智能配电箱的三相电压的电压模拟信号，将所述电压模拟信号经电阻分压后，将分压后的电压模拟信号经A/D转换后得到三相电压信号。

其中，三相电流采集电路采集智能配电箱的三相电流信号，包括：

通过所述三相电流采集电路采集智能配电箱的三相电流的电流模拟信号，将所述电流模拟信号经互感器进行变比，将所述互感器二次侧的电流模拟信号转换为电压信号，将所述电压信号经A/D转换后得到三相电流信号。

其中，温度传感器用于采集电缆的温度信号，包括：

通过所述温度传感器采集电缆的模拟温度信号，将所述模拟温度信号经A/D转换为温度信号。

其中，温度传感器包括4路，所述4路的温度传感器紧贴电缆，以采集所述电缆的温度信号。

其中，电流互感器用于采集智能配电箱的漏电信号，包括：

当所述电流互感器采集到漏电电流后，将所述电流互感器二次侧的电流信号经电阻转换为电压信号，将电压信号经A/D转换为漏电信号。

其中，数据处理单元用于对所述数据信号进行校正，获取正确的数据信号值，包括：

通过所述数据处理单元的芯片对三相电压信号、三相电流信号和漏电信号进行校正，得到正确的三相电压信号、三相电流信号和漏电信号的值，通过查表和线性计算的方式，根据温度信号计算出正确的温度信号的值；

所述芯片内置校正算法。

其中，数据采集单元，包括多种芯片，所述数据采集单元根据获取的不同的模拟信号，选择不同的芯片对模拟信号进行A/D转换。

下面结合具体实例对本发明进行进一步的说明：

本发明系统的技术原理如下：

三相电流和三相电压的数据采集利用RN7302芯片的A/D变换实行，将采集的电压信号通过电阻分压后进行AD转换，电流通过一定的互感器变比后，将二次侧的电流值转换欸电压值进行AD转换，实现对现场数据采集；

现场温度通过紧贴在电缆上的4路温度传感器，经过电阻调整电压范围后由STM32进行A/D转换，漏电电流经过互感器，二次侧电流通过电阻进行电压转换收入到STM32的A/D转换引脚；

各种参数通过计算校正后获得正确值，温度数据通过查表和线性计算相结合的方式，提高了计算精度；

设备的通过Modbus RTU协议实现了数据通信，并方便上传到云平台和互联网，实现远程管理。

其具体的实现方案如下：

数据参数采集的实现：

在设备的电路板中有各种不同电压，如嵌入式芯片STM32F103和RN7302的电源电压为3.3V，A/D转换的基准电压为2.5V，输出继电器线圈的电压为DC5V。电源电压的质量直接关系到设备的性能，为此需要进行多级电压的设计。本发明的电压设计如图2所示，AC220V交流电源经过电容、电感滤波后进行AC/DC变换为直流5V电压，再分别经过稳压元件AMS1117和TL431转换为电压为3.3V和2.5V的直流电源。2.5V的电压只做A/D转换的基准电压，功率较小，用TL431进行转换完全能满足要求，通过电容滤波稳压后作为直流电源。

配电箱参数的数据采集如图3所示，通过芯片STM32F103和RN7302进行数据采集和指令传输，此两个芯片之间采用SPI同步通信接口进行通信。三相电压直接连接到设备，用三个电流互感器采集三相电源主回路的电流值，根据三相电源的功率选择合适的互感器变比。在应用过程中，通过数码管设置和查看互感器的设定值与实际安装互感器的变比应一致。经过互感器变换后的三相电流，由取样电阻转换为三路电压信号，以及分压后的三路电压信号分别通过RN7302的AD变换接口进行模拟数字变换，生产数字量信号进行数字传输。电压的分压电路如图4所示，A相电压的取样电路，电压值是相对于零线N的值，分压后连接到RN7302的A相电压差分输入模拟数字转换的A相电压输入引脚，B、C相电压相同。电流取样信号如图5所示，A相电流经互感器后通过电阻取样电流，与电压一样连接到RN7302的差分输入A相电流输入引脚。设备上电由MCU对RN7302进行初始化后，由硬件自动完成模数转换，并根据设置的增益计算三相电压和电流的有效值、有功功率、功率因数、相位、无功功率、视在功率等参数。将计算的参数值存储在规定的寄存器，微处理器可根据需要读取相应的参数值。

温度、剩余电流的数据采集和开关量信号：

对于温度、漏电电流，只有大小，没有相位和方向，可以通过嵌入式微处理器的数模转换进行数据采集。温度采样电路如图6所示，所用的温度传感器为热敏电阻温度传感器，电阻以负温度系数随着温度变变化，测量范围为-30℃～105℃。剩余电流的数据采集电路如图7所示，L1-5、L1n-6连接漏电电流互感器，通过电阻R24转换为电压信号，再通过R29和电容C2阻容滤波后连接到微处理器的模数转换引脚转换为数字量信号。

开关量输出信号电路如图8所示，通过继电器隔离输出，防止干扰。继电器线圈接5V电源，当微处理器通用引脚的PB12为低电平0V时，三极管截至，继电器线圈没有电流，常开接点断开状态；当通用引脚为高电平3.3V时，三极管饱和导通，继电器线圈得电，有电流，常开出点闭合。开关量的输入如图9所示，用光耦隔离，可以起到防止电压串扰，同时可以进行电压转换。外部电压一般为24V，有信号时，光耦输入端的24V电压经过稳压二极管降压后，再通过光耦和电阻，使光耦输出端导通，微处理器通用引脚PB5由1K电阻接地，输入低电平，否则由内部设置的上拉电阻输入为高电平。

参数的计算方法：

三相电压、电流信号直接输入到RN7302专用芯片，通过参数配置，该芯片具有自动计算三相、电流电压有效值，和有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、相位、用电量等参数的能力。微处理器只需要通过SPI接口读取相应存储器内的计算结果即可。温度、漏电流信号由微处理器的A/D转换完成，需要编程计算。ADC转换器的为12位的一种逐次逼进型模拟数字转换器，基准电压位2.5V，最大数字量位4095，模拟输入电压0-2.5V对应数字来0-4095，根据这个对应关系计算输入电压，由输入电压和取样电阻值可计算互感器的输出电流，再根据互感器的变比计算漏电电流，如下式所示。

其中d

温度值的计算中，因为温度传感器的电阻变化与温度不是线性关系，直接用线性关系计算会存在较大误差。本设备中结合了查表法进行计算，原理是：在曲线中取一个很小长度的曲线段，可以近似看作一段直线，长度越小，精度越高。在温度测量范围-30℃～105℃，计算-30℃、-25℃、-20℃、......、0℃、5℃、......、105℃的数字量值，形成一维数组d[0]、d[1]、d[2]、......d[27]。根据传感器的温度-电阻曲线，查找对应的电阻值，利用图5中分压电路计算上述数组，如下式所示。

其中R51、R49为图6中分压电路的电阻值分别为1K、150K，R

其中temp为计算的实时温度，d[i]、d[i+1]为所在的数组区间。

判断读取的温度数字量所在的区间，如图10所示的流程图，通过读取模数转换相应的寄存器为变量赋值，依次比较区间的上限值，知道小于某个区间的上限值的区间，就是所要找的温度区间值。用该方法依次计算A、B、C、N电缆的温度。

数据通信及参数设置：

对于配电箱内各种参数，三相电流、三相电压、功率、电能等参数，微处理器STM32F103只需要通过SPI串行接口读取RN7302相应的寄存器，然后与温度、漏电电流一起存储到微处理器内部相应的寄存器。微处理器的串口由MAX485电平转换连接到4G功能的DTU模块，通过Modbus RTU通信协议进行通信，本设备作为一个从站，将采集的配电箱实时数据通过4G通信上传到云平台或工业互联网，实现远程管理。内部参数如Modbus的从站地址、波特率、数据位数、校验方式、互感器变比等参数通过按键和数码管进行设置。Modbus协议的串口通信传输过程如图11所示，设备接收到发送报文，忽略报为地址与本设备地址不一致的报文，然后根据报文功能码，如果是读寄存器，则根据寄存器的地址和数据数量，将对应参数寄存器的数据作为返送返回报文的数据发送；如果是写功能码，则执行相应的写操作，主要是针对DO输出节点的置位和复位操作，在配电系统应用中是执行断路器脱扣和智能开锁。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。