一种低成本的电力防窃电计量设备

摘要

本发明涉及一种低成本的电力防窃电计量设备，包括：顺序连接的电池、电池管理模块、主控芯片，以及与主控芯片连接的通信模块、门磁开关、振动传感器、摄像头。使用本发明可以精确、科学、充分地高效地利用信息化手段进行电力计量箱的运维监测和电量管理，同时由于4G传输功能不经常被开启，箱门受到外界击打或者强拆时仅仅依靠NB_IoT小数据量的传输即可准确上报报警信息和GPS地理位置信息提请人工及时干预，从而大大节约了流量资费和设备运行成本。

说明书

技术领域

本发明涉及泛在电力物联网领域，具体地说是一种低成本的电力防窃电计量设备。

背景技术

目前电力计量系统和运维管理单位对用户自维计量箱的管理仍采用人工周期性巡检的模式，对偏远地区或发生用户私自开箱窃电的行为管理极其有限，受巡检运维人员的技术水平、交通便捷和工作模式的影响极大。

对个别窃电的行为由于没有切实的照片、视频资料等证据干涉极其有限。对窃电特别严重的区域电力计量及运维单位采用现场按定点摄像头的方式防范，定点摄像头安装的位置和角度往往会产生监控的“死角”，不利于科学规范的管理。

另一方面由于定点摄像头传输的视频数据量大、只能采用有线的方式安装，势必造成布线麻烦和后台服务器存储数据量大，并且发生了用户私自开箱窃电的情况时依赖人工巡视视频流的模式效率极其低下。定点摄像头全天候运行，也造成了电能的极大损耗，产生的“线损”过大也导致此方式不便于全面推广。

现有的防窃电技术产生“线损”浪费电能，不便于全面推广，同时由于产生的“冗余”视频过多，不方便针对性巡检，采用有线的布线方式既不方便处理也造成后台服务器的存储压力。

发明内容

本发明采用锂离子电池组供电，既不会造成“线损”，也不会对正常的供电系统造成干扰。仅仅传输报警信息和小容量的窃电图片数据，既省去了现场布线的麻烦，也解决了服务器需要存储过多数据以及运维资费的问题。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种低成本的电力防窃电计量设备，包括：顺序连接的电池、电池管理模块、主控芯片，以及与主控芯片连接的通信模块、门磁开关、振动传感器、摄像头。

所述电池管理模块包括降压电路；所述降压电路采用降压稳压芯片，其中使能控制引脚EN通过电阻R6连接电源VCC，电感引脚LX通过顺序连接电感L1、电阻R7以及电阻R9接地，电阻R7以及电阻R9的节点连接所述降压稳压芯片的输出反馈管脚FB，输入引脚IN连接电源VCC并通过电容C3接地，输出反馈引脚FB通过电容C2连接电池，并通过电容C4接地，电感L1与电阻R7的节点与电池相连。

所述振动传感器电源引脚VDD与片选引脚CS通过电阻R17相连，电源引脚VDD与电源引脚Vs相连，电源引脚VDD与串行通信时钟引脚SCL通过电阻R12相连、电源引脚VDD通过并联的两个电容C20、C21接地，串行通信时钟引脚SCL依次通过电阻R12、电阻R13与串行数据引脚SDA相连，串行通信时钟引脚SCL与串行数据引脚SDA分别与主控芯片相连，串行数据输出引脚SDO通过电阻R16接地，接地端接地。

所述通信模块包括NB_IoT模块和4G模块。

所述4G模块通过开关电路与主控芯片相连，所述开关电路采用三极管Q1控制，其中集电极通过电阻R20与4G模块相连，发射极接地并通过电阻R23与基极相连，基极通过电阻R22与主控芯片相连。

所述4G模块连有显示电路，所述显示电路采用三极管Q2控制，其中集电极通过串联的电阻R25和LED灯与电池相连，发射极接地并通过电阻R30与基极相连，基极通过电阻R29与4G模块相连。

当震动传感器三个轴中任意一个轴的数据变化超过了设定阈值时，NB_IoT模块把震动信息上传至后台服务器，用于提醒进行人工及时干预；

当装有防窃电计量设备的箱门被打开时，门磁开关由原先的高电平变成低电平进而被主控芯片识别，启动摄像头进行拍照取证，通过4G模块传输至后台服务器。

所述NB_IoT在主控芯片控制下通过MQTT协议与服务器进行通信，进行报警。

现场拍摄的图片通过所述4G模块进行传输，服务器端接收到图片后进行备份保存。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明减少了误报和错报的可能性，大大节省了人力。

2.本发明既没有现场布线的麻烦，也解决了服务器需要存储过多数据和现场运维流量资费的问题。

3.本发明采用锂离子电池组供电不会对正常的供电系统造成干扰。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的主控系统控制流程图；

图3是本发明的电源供电部分中的降压稳压电路图一；

图4是本发明的电源供电部分中的降压稳压电路图二；

图5是ADXL345加速度计电路图；

图6是开关电路电路图；

图7是网络状态信号显示电路电路图；

图8是干扰检测指示显示电路电路图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明在电力防窃电计量箱设计理念，当箱体收到外界应力的击打或者强拆超过了一定的限度后，震动传感器发送至少两个轴的角度及加速度值变化，与MCU内部设置的角度设置阈值进行比较，当角度大于36°以上时认为此时确实发生了外界应力击打或强拆箱体，通过NB_IoT及时为后台终端发送对应信息，提示人工及时进行干预。

当箱门被真正打开的瞬间，原先布置在两侧门的门磁开关电平由原来的高电平转换为低电平从而引起外部中断产生，MCU判别此中断触发布置在箱体内部的带夜视功能的红外摄像头拍照留存证据，然后通过4G模块及时进行照片的远传和备份，摄像头布置在箱体内部测，切实地拍摄现场窃电嫌疑人照片，而不会造成错拍和误拍。

NB_IoT和4G同时应用在防窃电计量箱内部，分别执行不同传输的角色，进而充分利用自己的传输距离优势，而不会相互干扰。

如图1所示，在防窃电出厂前可以利用DC5V直流电源给自带的锂离子电池组充满电，然后设备调整摄像头的固定位置和合适角度，防窃电箱安装在现场后开机即可运行。此时3.6V的锂离子电池组给整个设备的各个功能部件供电，包括4G模块、NB_IoT模块、摄像头、门磁开关、ADXL345震动传感器等用电设备。

门磁开关作用为：当箱门在无授权状态下真正打开后原先的门磁开关由原来的高电平变为低电平，引发外部中断产生从而触发主控芯片执行下一步功能。门磁开关一端与单片机连接，另一端接地。

红外摄像头在外部门磁开关变为低电平后被箱内主控芯片触发拍照，其1s两张的拍摄模式连续拍摄10s,通过4G信息及时传输到后台服务器内，备份保留充足的证据，以备追责。

NB_IoT在MCU控制下通过MQTT协议与服务器进行远程通信，进行报警信息和GPS地理位置数据信息进行上传，二者进行交互，执行各自功能。

现场拍摄的图片通过4G模块进行远程及时传输，服务器端接收到数据后进行备份保存，作为追责信息。

图2为主控系统控制流程图，根据以上流程图解释如下：开机上电后，主控系统通过对应的协议由NB_IoT和4G模块分别向服务器发送对应的信息，请求服务器下发指令流。若服务器有指令下发，则执行服务的指令状态，执行完毕后进入监控功能状态。如服务器没有指令下发，则主控系统在等待一段时间后直接进入监控功能状态。

在监控功能状态下当震动传感器三个轴的数据有变化时通过NB_IoT把震动信息及GPS地理位置信息上传至后台服务器，提醒进行人工及时干预。当箱门被真正打开时门阀开关由原先的高电平变成低电平进而被主控系统MCU识别，启动带夜视的摄像头进行拍照取证，通过4G模块传输至后台服务器方便追责。

图3、图4为本发明的电源供电部分中的降压稳压电路图，在监控设备安装在箱体前由外界输入DC5V直流电源通过SY8088降压稳压芯片电路给配备的大容量电池组充电，充满电后的VBT_3.6V可以经过XC6206P332MR芯片的降压稳压电路转化为VCC_3.3V输出电压，给主控芯片MCU及其他各功能电路提供电能。同时VBT_3.6V电池组可直接为4G模块电路供电。输出电阻分压器电阻R7与电阻R9的节点连接SY8088的输出反馈管脚FB。

主控芯片起着大脑和指挥中枢的作用，统筹协调各子模块电路和各功能电路发挥作用。检测ADXL345三个轴是否有加速度值变化，检测门磁开关是否有开关通断，和NB_IoT模块、4G模块、摄像头等进行联动、采集电池组电压值等功能。

图5为ADXL345加速度计，当防窃电变电箱受到外力的击打或者强拆时其三个轴的加速度值会有至少两个轴的数值发生变化，MCU采集到其变化与设定的阈值进行比较，当其变化值大于设定的阈值时，比如x轴和y轴的值大于36°角时，认为受到了人为的外力击打或强拆，则MCU通过NB_IoT进行信息及GPS地理位置信息的上传，等到服务器进行指令的下发或者继续执行监控功能。

图6为开关控制电路，通过主控芯片MCU的第63脚输出的高低电平来推动三极管Q1进行导通和关闭，当M_PWR_CTRL端为高电平时，三极管管集电极(C端)输出低电平。而当M_PWR_CTRL端为低电平时三极管不被导通，集电极(C端)保持其默认的上电状态。根据4G模块的PWRKEY高低电平时序时长即可控制对4G模块的开关机。通过M_PWR_CTRL为高电平拉低M_IGT(即4G模式的PWRKEY引脚)至少1s然后M_PWR_CTRL为低电平可以使模块开机。

图7为网络状态信号指示电路，LPG端为4G模块的第41脚，即NETLIGHT信号的网络状态信号脚。当该管脚输出高电平，则此时三极管(Q2)被导通，则集电极端(C端)输出低电平，LED网络状态指示灯(D2)点亮。当该管脚输出低电平，则此时三极管(Q2)基级无法导通，则集电极端(C端)输出高电平，LED网络状态指示灯(D2)灭。根据LED指示灯的亮灭时长可以指示出4G模块的联网状态。比如：亮64ms灭800ms为没找到网络；亮64ms灭3000ms为注册到网络；亮64ms灭300ms为GPRS通讯状态。

图8为干扰检测状态指示电路，F_SYNC管脚可以复用成RF干扰检测指示功能(JD)，可以通过AT+SJDR命令在RF_SYNC功能和JD功能之间切换。在JD模式下当检测到干扰并且AT+SJDR命令的参数设为2或者3时，该管脚输出高电平，则此时三极管(Q3)被导通，则集电极端(C端)输出低电平，LED灯(D3)点亮，对外表达指示信息。而当在其他模式的状态下，RF_SYNC管脚输出低电平，三极管(Q3)不被导通，此时集电极(C端)为高电平，LED灯(D3)为灭状态，对外表达另外一种信息。

未来即将完成的5G布网方式，可以代替本发明中的4G模块，执行同样的功能。或者直接采用高成本的方案模式仅仅采用5G模块直接取代4G和NB_IoT模块进行所有数据传输。

本发明解决了目前电力计量系统面临的窃电难题，改变了传统的利用定点监控摄像头全天拍摄附近区域而不能精确定位窃电发生事实的模式，采用NB_IoT技术和4G图像传输技术对发生的异常开箱取电和窃电发生时的现场留证，及时传输异常报警信息，提示对应人员及时准确干涉。使用本发明可以精确、科学、充分地高效地利用信息化手段进行电力计量箱的运维监测和电量管理，同时由于4G传输功能不经常被开启，箱门受到外界击打或者强拆时仅仅依靠NB_IoT小数据量的传输即可准确上报报警信息和GPS地理位置信息提请人工及时干预，从而大大节约了流量资费和设备运行成本。