泛在电力物联——智能电缆井盖您见过吗？
作者 Ethan Li
“智慧城市”、“智能电网”、“泛在电力物联”......近几年一些新概念相继被提出，这些规划相互交叉影响，在一些试点城市快速建设推进，如高压电缆线已由空架开始转到地下，以青岛为例，主干道、高新区老区改造新区建设都要求电缆下地，每50m-100m覆盖一个智能井盖来保证城市安全，释放城市空间资源。
电力智能井盖产品定义及终端功能
产品定义: 智能井盖监控系统，可以检测井盖是否丢失，智能井盖监控系统利用目前先进的无线通讯技术、电源技术、可以持续采集井盖状态和井下环境信息，包括水位、温度、有害气体等，然后存储和远传。将井盖的开启、井盖巡检纳入到统一的维护管理系统中，并建立相对应的报警处理机制，通过电子地图展示井盖所处位置的状态和报警内容，例如井盖被盗或者破坏，监控人员能够及时到达现场处理，快速地解决安全遗患。
电力井盖监控终端功能：
- 入侵报警：实时监控井盖的开启及破坏情况
- 环境监测：井下O2浓度有毒气体如CO， H2S......
- 状态管理：远程控制或密钥开启、关闭井盖
- 通过通讯协议接口实现与其他系统的互联互通
- 基于物联网的设备的全生命周期的管理
ADI IC从感知（iSensor MEMS）、采集（Analog to Digital Converter），到数字隔离通讯接口(iCoupler)、电源供电系统(ADI Power by Linear)，在一个典型小而智慧的应用“电力智能井盖”中的应用。
产品典型信号链
图1 电力智能井盖典型信号链
系统技术要求
- 系统供电： 24Vdc(Range16V~36V) 在线式供电系统(同样要求有后备电源系统或者锂电池供电系统)
- 井盖倾斜检测：阈值报警，1~2°误差
- 气体检测精度：~5%
- 通讯方式：隔离RS-232/485总线通讯，速率<115200bps， 2G/4G/NB-IOT无线
- 静态功耗：<0.02W
- 报警响应时间：<10S
- 免维护时间：1年以上
电源供电系统- ADI Power by Linear
电源需启动较大功率机械动作开关，也要保证下井后系统断电的人工安全，所以供电方式上采用在线式24Vdc供电Vin=16~36V，后备电源为6~8节Li-ion(25.2Vfull/29.4Vfull)串联充电。
成功设计使用案例：LTC4020高压buck-boost兼容MPPT太阳能充电功能+LTC4416外部路径管理的高可靠性设计方案。
图2 LTC4020应用简图及特点
- Multi-chemistry support
- VOUT tracks VBAT
- 4 switch topology charges “any battery from any source”
- External power FETs and current sense R allow for high current charging
此外，还有反激式LT8302隔离电源方案，LT860X多路同步整流DC/DC，以及Silent switcher技术的LT8609S、LTC8645S、LTC8650S等全套电源供电可参考方案。
ADI MEMS G-sensor在倾角检测的应用
成功设计使用案例：超低功耗3轴MEMS加速度计ADXL362，保证整机的静态功耗。
- 超低功耗
1.8 μA（100 Hz ODR、电源2.0 V）
3.0 μA（400 Hz ODR、电源2.0 V）
270 nA运动激活唤醒模式
10 nA待机电流 - 深度嵌入式FIFO最大程度地减轻主机处理器负荷
- 片内温度传感器
关于3轴G-SENOR测倾角的设计，可参考ADI官网完整的应用笔记AN1057。
井下气体检测
系统一般会要求有O2、CO、CO2、H2S四种气体加常规辅助量检测，检测误差精度~5%，要求不高，现在客户设计方案还是电化学传感器加放大器，如ADA4528、AD623 TIA信号调理后MCU片内ADC采集的方案。
2019年ADI发布的一颗基于电化学传感器方案气体检测的平台级产品——ADuCM355。
LGA Package
ADucM355内部框图
CO检测base on ADuCM355完整方案
- 低功耗
数字部分的有功电流消耗为 30 μA/MHz
带外部传感器偏置的休眠，8.5 μA
不保留SRAM的关断模式，2 μA - 26 MHz ARM Cortex-M3 处理器
- 16 位，400kSPS ADC
- 2个低功耗低噪声TIA放大器适用于电化学检测
ADuCM355高集成度、高精度、高安全可靠性、小体积、低功耗等特性，在基于电化学传感器做气体检测中应用中优势显著，有客户已开始导入评测，ADuCM355具体的应用设计本文不展开细说，可参考ADI官网电路笔记CN0425、CN0429了解。
隔离通讯接口
通讯方式：隔离RS-232/485总线通讯，功能性隔离2500Vdc，通讯速率<115200bps，以及2G/4G/NB-IOT无线。
成功设计使用案例：隔离RS-232、 ADM3251E、 隔离RS-485、 低成本ADM2483， 集成isoPower的ADM2587E。相比于传统的光耦隔离与电容隔离，ADI iCoupler专利的磁隔离技术鲁棒性高，抗干扰能力强。新一代的磁隔离编解码技术在原有解码基础上又升级进一步增加抗干扰性，集成度高、设计简单。
磁耦技术 聚酰亚胺隔离
单端“一脉冲两脉冲”编码架构
差分开关键控架构
ADI可提供的iSensor+ Single process+ iCoupler+ ADI power by linear全套产品方案。此外，世健在山东区域已配合客户设计支持，具有成功设计使用的经验，并且已经量产。随着城市发展和泛电力物联网的大力推进，电力智能井盖产品功能也会不断丰富。相信将来ADI产品与客户方案设计上会有更全面、更深入的合作。