TWI676373B - 資料通訊裝置、系統及方法 - Google Patents

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TWI676373B
TWI676373B TW104119882A TW104119882A TWI676373B TW I676373 B TWI676373 B TW I676373B TW 104119882 A TW104119882 A TW 104119882A TW 104119882 A TW104119882 A TW 104119882A TW I676373 B TWI676373 B TW I676373B
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恩斯圖 米奎亞迪斯 二世 洛卓古姿
Ernesto Melquiades Rodriguez, Jr.
沃夫 吉瑞德 亞瑪儂
Vaughn Gerald Amann
拉斯 舒克斯
Lars Schrix
珍斯 維喬德
Jens Weichold
安 摩德 班尼迪克 瑪麗 艾瑪琳 拉普瑞斯
Anne-Maud Benedicte Marie Emeilienne Laprais
大衛 豪沃德 雷廷傑
David Howard Redinger
羅納德 大衛 傑斯米
Ronald David Jesme
大衛 詹姆士 巴德辛斯基
David James Badzinski
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Abstract

本文說明一種資料通訊設備、系統與方法。該資料通訊系統包含一收發器，其係設置在一封閉空間(例如，一地下封閉空間)之一入口埠上。該收發器包括一殼體，該殼體可安裝至該入口埠，其中該收發器經組態以與位於該地下封閉空間外部的一網路進行通訊。該資料通訊系統亦包括一監測裝置，其係設置在該地下封閉空間中，提供關於該地下封閉空間內之一即時狀況的資料。該資料通訊系統亦包括一感測器分析單元，以處理來自該監測裝置/感測器的該資料，並產生一經處理的資料信號，以及將該經處理的資料信號傳遞至該收發器。

Description

資料通訊裝置、系統及方法
機器對機器的通訊在能源、通訊與安全市場還有其他市場中，變得日益重要。業界使用的監視控制與資料收集(SCADA)系統取決於遠端定位感測器的輸入以正確地運作。SCADA系統亦可輸出信號以致動在現場的遠端設備。該設備的相當大部分(美國電力公用設施為~18%)設於地下，且在地上與地下設備間提供無線通訊是一相當艱難的挑戰。
用來定位出地下電纜故障的現行做法仍然緩慢且需要大量人力。即使是相當短時間的斷電亦可對公用事業產生不利，且導致要對用戶做費率調整，因此需要能更快速定位出與修復地下故障之一手段。
因此，需要能將無線信號傳遞入及出地下設備室與地下設備所在處的其他結構。
在本發明的一個態樣中，一資料通訊系統包含一收發器，其係設置在一封閉空間(例如，一地下或地面(grade level)封閉空間)之一入口埠上。針對該地下封閉空間環境，該收發器包 括一殼體，該殼體可安裝至該入口埠，其中該收發器經組態以與位於該地下封閉空間外部的一網路進行通訊。該資料通訊系統亦包括一監測裝置(例如，一感測器)，其係設置在該封閉空間中用以提供關於該封閉空間內之一即時狀況的資料。該資料通訊系統亦包括一感測器分析單元，以處理來自該監測裝置/感測器的資料，並產生一經處理的資料信號，以及將該經處理的資料信號傳遞至該收發器。
在另一態樣中，該感測器偵測下列的至少一者：功率、電壓、電流、溫度、易燃物質或燃燒副產物、機械應變、機械運動、濕度、土壤狀況、壓力、危險性氣氛、液體流、洩漏、組件壽命終了或組件壽命、人員在場、物理狀態、光位準、以及振動。在一進一步的態樣中，該感測器係併入於一感測器式電纜配件中，且經組態以監測一電力電纜之一狀況。
在又另一態樣中，該感測器分析單元包括一數位信號處理器。在另一態樣中，該感測器分析單元包括一無線網路通訊晶片。
在另一態樣中，該收發器單元包括一強化地上天線及無線電裝置。在另一態樣中，該收發器經組態以向上游傳送聚集資訊給另一聚集節點或在地上的雲端伺服器。在一進一步的態樣中，該聚集資料包含週期狀態通知與非同步警示通知中之一者或多者。
在另一態樣中，該入口埠包含一人孔蓋。在一進一步的態樣中，該收發器係固定至該人孔蓋，且該收發器殼體的一部分延伸通過經形成在該入口蓋中的一孔。在又另一態樣中，延伸通過經形成在該入口蓋中之該孔的該收發器殼體部分係實質上與該入口蓋之一頂部表面齊平。
在另一態樣中，該入口埠包含一人孔蓋、及用以收納該人孔蓋的一環部，其中該收發器係固定至該入口埠之該環部。
在另一態樣中，該資料通訊系統進一步包含一電力擷取裝置，其耦接至位於該地下封閉空間中之至少一電力線。在另一態樣中，該電力擷取裝置耦接至該感測器分析單元，並提供電力給該感測器分析單元。
在本發明之另一態樣中，一資料通訊系統包含一收發器，該收發器係設置在一地下封閉空間之一入口埠上。該收發器包括一殼體，該殼體可安裝至該入口埠，其中該收發器經組態以與位於該地下封閉空間外部的一網路進行通訊。該系統亦包括一感測器式電纜配件，該感測器式電纜配件係安裝至位於該地下封閉空間中的一電力線，該感測器式電纜配件包括一感測器，該感測器測量與該地下封閉空間內之一即時狀況相關的資料。該感測器式電纜配件亦包括一信號處理晶片用以處理該測量到的資料；及一通訊晶片用以將經處理的資料傳遞至該收發器。
在另一態樣中，該感測器式電纜配件進一步包含經耦接至該電力線的一電力擷取裝置，以提供電力給該信號處理晶片及通訊晶片。
在本發明之另一態樣中，一資料通訊系統包含一收發器，該收發器係設置在含有公用事業設備之一封閉空間的一部分之上，該收發器包括一殼體，該殼體可安裝至該封閉空間，其中該收發器經組態以與位於該封閉空間外部的一網路進行通訊。該系統亦包括一監測裝置(例如，一感測器)，其係設置在該封閉空間中，並提供關於該封閉空間內之一即時狀況的資料。該系統亦包括一感測器分析單元，以處理來自該監測裝置/感測器的該資料，並產生一經處理的資料信號。該經處理的資料信號可傳遞至該收發器。
在另一態樣中，該封閉空間包含一地下室。在一進一步的態樣中，該封閉空間包含一地面或地上封閉空間。
本發明的上述發明內容並非意欲描述本發明的每一所說明實施例或每一實施。隨後的圖式與實施方式更具體地例示描述這些實施例。
10‧‧‧地下室
10a‧‧‧第一地下室
10b‧‧‧第二地下室
10c‧‧‧拼接封閉空間
11‧‧‧地下室
20‧‧‧封閉空間
50‧‧‧人孔蓋
50a‧‧‧薄型人孔蓋
50’‧‧‧人孔蓋
51‧‧‧人孔蓋、凹部
52‧‧‧人孔蓋、環、框架、或凸緣結構
53‧‧‧切口部分
55‧‧‧入口埠
100‧‧‧資料通訊系統
100a‧‧‧第一地下資料通訊系統
100b‧‧‧第二地下資料通訊系統
103‧‧‧降壓變壓器
105a‧‧‧電線
105b‧‧‧電線
105c‧‧‧電線
107a‧‧‧電線
107b‧‧‧電線
107c‧‧‧電線
108a‧‧‧拼接部
108b‧‧‧組件
108c‧‧‧拼接部
108d‧‧‧拼接部
110‧‧‧終端
110a‧‧‧感測器式終端
110b‧‧‧感測器式終端
110c‧‧‧感測器式終端
120‧‧‧遠端終端單元或RTU
130‧‧‧電纜
130a至130f‧‧‧電纜
140‧‧‧收發器單元
140a‧‧‧收發器單元
140b‧‧‧收發器單元
140c‧‧‧收發器單元
140d‧‧‧收發器單元
140e‧‧‧收發器單元
141‧‧‧殼體
141a‧‧‧殼體
141b‧‧‧下殼體
142‧‧‧上本體部分
143‧‧‧閘道器單元
144‧‧‧下本體部分
145‧‧‧天線連接件或管道
147‧‧‧天線部分
147a‧‧‧第一天線部分
147b‧‧‧第二天線部分
200‧‧‧地下資料通訊系統
205a‧‧‧電線
205b‧‧‧電線
205c‧‧‧電線
210a‧‧‧電流感測器
210b‧‧‧電流感測器
210c‧‧‧電流感測器
215‧‧‧電力擷取線圈/裝置
217‧‧‧電力電纜
220‧‧‧SAU
230a‧‧‧信號線
230b‧‧‧信號線
230c‧‧‧信號線
240‧‧‧收發器
260‧‧‧主動感測器
262‧‧‧步驟
264‧‧‧步驟
266‧‧‧步驟
268‧‧‧步驟
270‧‧‧步驟
272‧‧‧步驟
275‧‧‧步驟
278‧‧‧步驟
280‧‧‧步驟
282‧‧‧步驟
284‧‧‧步驟
286‧‧‧步驟
300‧‧‧資料通訊系統
305a‧‧‧電線
305b‧‧‧電線
305c‧‧‧電線
310a‧‧‧感測器式電纜拼接部
310b‧‧‧感測器式電纜拼接部
310c‧‧‧感測器式電纜拼接部
311a‧‧‧系統分析
311b‧‧‧系統分析
311c‧‧‧系統分析
315a‧‧‧電力擷取裝置
315b‧‧‧電力擷取裝置
315c‧‧‧電力擷取裝置
340‧‧‧收發器
362‧‧‧步驟
364‧‧‧步驟
366‧‧‧步驟
368‧‧‧步驟
374‧‧‧步驟
375‧‧‧步驟
376‧‧‧步驟
377‧‧‧步驟
378‧‧‧步驟
380‧‧‧步驟
390‧‧‧步驟
395‧‧‧步驟
396‧‧‧步驟
398‧‧‧步驟
399‧‧‧步驟
400‧‧‧通訊系統
405a‧‧‧電線
405b‧‧‧電線
405c‧‧‧電線
410a‧‧‧電流感測器
410b‧‧‧電流感測器
410c‧‧‧電流感測器
413‧‧‧環境感測器
415‧‧‧電力擷取線圈
417‧‧‧電力電纜
420‧‧‧SAU
430a‧‧‧電纜/信號線
430b‧‧‧電纜/信號線
430c‧‧‧電纜/信號線
431‧‧‧銅及/或光纖電纜
440‧‧‧收發器
500‧‧‧地下資料通訊系統
505a‧‧‧電線
505b‧‧‧電線
505c‧‧‧電線
510a‧‧‧電流感測器
510b‧‧‧電流感測器
510c‧‧‧電流感測器
515‧‧‧電力擷取線圈
517‧‧‧電力電纜
520‧‧‧SAU
530a‧‧‧信號線
530b‧‧‧信號線
530c‧‧‧信號線
531‧‧‧電纜
540‧‧‧收發器
541‧‧‧托架或安裝結構
以下將部分參照本發明中的非限制性實例並參照圖式來描述本發明，其中：圖1為根據本發明之第一態樣之資料通訊系統的示意圖。
圖2A至圖2E為根據本發明之其他態樣之替代收發器安裝與構造的側視圖。
圖3為根據本發明之另一態樣之資料通訊系統的示意圖。
圖4為根據本發明之另一態樣之用於產生與傳遞來自地下室的資料信號之實例程序的流程圖。
圖5為根據本發明之另一態樣之資料通訊系統的示意圖。
圖6為根據本發明之另一態樣之資料通訊系統的示意圖。
圖7為根據本發明之另一態樣之用於資料通訊系統之實例程序流程的流程圖。
圖8為根據本發明之另一態樣之墊裝資料通訊系統的示意圖。
圖9為根據本發明之另一態樣之地下資料通訊系統的示意圖。
雖然本發明可具有各種修改與替代形式，但已在圖式中以舉例方式顯示其中細節且將詳細描述。不過，應瞭解，並未意圖將本發明限制於所描述的具體實施例。相反地，本發明應涵蓋所有落於如隨附申請專利範圍所定義的本發明之範疇內之修改例、均等例與替代例。
在下列詳細說明中參照附圖，該等附圖構成本文的一部分，並於其中以圖解說明之方式顯示可實行本發明的特定實施例。關於此，方向性術語(如「頂部」、「底部」、「前」、「後」、「開頭」、「前向」、「結尾」等等)是參照所描述之圖式的定向所使用。由於本發明實施例之組件可以許多不同定向放 置，因此方向性術語係用來圖解說明而絕非用於設限。應瞭解可運用其他實施例，且可有構造性或邏輯性的變更而不背離本發明之範疇。因此，下列詳細說明並不應被當成設限，且本發明之範疇係由隨附申請專利範圍所界定。
本文敘述資料通訊設備、系統、及方法可在封閉空間(例如，地面、地上、或地下封閉空間)中使用。在一態樣中，封閉空間為可經由一入口埠進出的一地下封閉空間。資料通訊系統包括一收發器，該收發器係設置在一地下封閉空間(例如，一地下室或人孔)之一入口埠上。收發器包括一強固型殼體。在一些態樣中，至少一部分的強固型殼體延伸高於入口埠的表面。在其他態樣中，強固型殼體係附接至入口埠，以致一部分的殼體實質上與入口埠的頂部表面齊平，且相當大部分的殼體係設置於入口埠的頂部表面之下。在地下室中設置有一監測裝置。監測裝置可為一感測器，其提供有關地下室內之即時狀況的資料。此外，在一些態樣中，資料通訊系統可包括一閘道器單元，其將資料中繼至收發器。在其他態樣中，感測器分析單元可處理及分析來自監測裝置的即時資料，並將經處理的資料中繼至收發器。在進一步的態樣中，感測器及感測器分析單元可經併入為部分的感測器式電氣配件。
具體來說，在一態樣中，收發器包括一實體堅固之天線與無線電裝置。此天線/收發器可採用來自監測裝置/感測器的無線及/或有線信號的組合，該監測裝置/感測器提供有關設置在地下封閉空間內的那些組件/設備的環境、組件、與其他電子設備狀 況的即時資料。此外，通訊系統可與設置在地下其他位置的其他設備與組件通訊。在一些態樣中，閘道器單元可將來自那些監測裝置/感測器與地下設備之資料酬載中繼至收發器，該收發器可與地上網路元件通訊，例如無線存取點、行動無線電單元、與私人無線電裝置。在其他態樣中，感測器式分析單元將對應於感測器所測量到的資料之經處理的資料中繼至收發器。同樣地，在一些態樣中，感測器可被用來提供有關地下電網效能的即時資訊，而用於與這些監測裝置/感測器通訊之具成本效益的手段是利用無線網路。
收發器可設置在或嵌入凸起的或齊平式安裝的結構之中。在另一態樣中，可針對地下封閉空間提供分別用於地上與地下傳輸之匹配對的嵌入式凸起結構天線及/或電子元件。此外，在單一強固型結構中提供多個天線(例如，傳輸/接收WiFi、GPS、行動無線電等信號的天線)。
圖1顯示本發明的一個態樣，資料通訊系統100。在此態樣中，資料通訊系統100為地下資料通訊系統。通訊系統100係設置在例示性地下封閉空間中，此處係地下室10。在此實例實施中，地下室10包括：各種設備，如一或多條高壓電線，諸如電線105a至105c(輸送例如低、中、或高電壓電力)；相關聯組件及/或附件，如拼接部或終端(在圖1的實例中，終端110將代表此相關聯組件及/或附件)；變壓器，例如降壓變壓器103；及進一步電線107a至107c(輸送低電壓電力(例如，440V)至附近建築物或結構)。在一些地下室中，其內可不包含一變壓器。
封閉空間或地下室10可從地上經由包括習知人孔蓋50之入口或入口埠55進出，該習知人孔蓋50可由金屬或非金屬形成，並可具有習知的圓形。在一態樣中，人孔蓋52可安裝在入口埠55之環、框架、或凸緣結構52上。在此態樣中，地下室10可構造成通常由電力、天然氣、水及/或其他公用事業所使用的習知地下室。不過，在替代態樣中，地下資料通訊系統100可使用在另一類型的地下封閉空間或類似結構中，如人孔、地下層、地窖、深坑、避難所、管路、或其他地下封閉空間。
地下室亦包括設置於其中的至少一監測裝置，該監測裝置可監測地下室的物理狀況或設在地下室中的組件或設備的物理狀況。此些狀況通常難以從地上收集或評估。如下列所詳述，地下資料通訊系統可提供通訊基礎設施，以將地下室狀況資訊中繼給地上網路或SCADA，而無需維修技術人員實際進入地下室以判定那些狀況。
在進一步的態樣中，地下通訊系統可在地上環境中實施。例如，通訊系統100可安裝在一地面、墊裝(pad mounted)封閉空間內。通訊系統可提供往返於一結構之無線通訊的手段，該結構之構成方式原會防止往返於該結構之內部的直接無線通訊。
如圖1所示，在此實例中，終端110提供用於電力電纜的終端連接，例如低、中、或高電壓電力電纜105a至105c。監測裝置可為設置在終端上的感測器。此感測器可提供測量電纜狀況如電壓、電流及/或溫度的感測能力。因此，在此實例中，終端 110可稱為感測器式終端110，其可提供有關一或多個相連接電力線之狀況的即時資料。
例如，此態樣的感測器式終端110可包括羅哥斯基(Rogowski)線圈，該線圈產生與電流微分成比例的電壓，意指可使用一積分器來復原成與電流成比例的信號。或者，電流感測器可經組態成一磁心式變流器，其產生的電流係與內部導體上的電流成比例。此外，感測器式終端110可包括電容式電壓感測器，該電容式電壓感測器提供精確的電壓測量值。因為感測器式終端110可包括電流感測器與電容式電壓感測器兩者，故感測器式終端可促進相位角(功率因素)、伏安(VA)、無功伏安(Volt Amps reactive，VAr)、以及瓦特(W)之計算。一例示性感測器式終端係在美國臨時專利申請案第61/839,543號中描述，該案之全文在此以引用方式併入本文。
雖然圖1的實施例顯示實施為感測器式終端的監測裝置，在本發明的其他態樣中，監測裝置可被實施為更一般性的感測器式電氣配件(例如，電纜終端、電纜拼接部、或電氣跨接線)的部分。
因此，設想監測裝置可包含下列感測器中之一或多者：功率、電壓、電流、溫度、易燃物質或燃燒副產物、機械應變、機械運動(例如，每分鐘轉數)、濕度、土壤狀況(酸度、水分含量、礦物質含量)、壓力、危險性氣氛、液體流、洩漏、組件壽命終了或組件壽命(例如，陰極防蝕感測器)、人員在場(例如，是否有某人進入封閉空間)、物理狀態(例如，封閉空間是開 啟或關閉、門是開啟或關閉、開關或閥門是開啟或關閉、是否有物件遭破壞)、光感測器、振動(地震、破壞)。
在本發明之另一態樣中，資料係自封閉空間內部的監測裝置傳遞至位在封閉空間外部的網路或SCADA。此通訊可經由閘道器單元與收發器來達成。如下面更詳細解釋，閘道器單元可併入於遠端終端單元中、併入於入口埠上所安裝之收發器裝置中、或其可實施為封閉空間內或在封閉空間入口處的獨立式單元。
閘道器單元可使用有線或無線連接在地下連接至各種監測裝置。閘道器單元可對來自監測裝置的資料執行本地分析及解譯。例如，閘道器單元可解譯監測裝置/感測器資訊，以判定環境狀況，如危險氣體的存在、濕度、灰塵、化學成分、腐蝕、有害生物存在等狀況。此外，閘道器單元可執行一些本地動作，如開關的開啟與關閉。此外，閘道器單元可將聚集資訊(如週期狀態或非同步警示通知)向上游傳送給另一聚集節點或地上的雲端伺服器。閘道器單元亦可對由一上游聚集節點或雲端(例如，SCADA)服務發送至其的訊息做出回應。來自一上游節點或雲端服務的典型命令可包括「傳送狀態」、「執行動作」、「設定組態參數」、「載入軟體」等。
如圖1所示，在此實例中，來自感測器式終端110a至110c的資料可經由一或多個通訊電纜(在本說明書為電纜130a至130f，其中每兩條電纜連接至各一感測器式終端)傳遞至一遠端終端單元或RTU 120。RTU 120可安裝在地下室10內的中央位 置，或沿著牆壁或其他內部地下室結構而安裝。在本發明的此實施例中，RTU 120可包括一閘道器單元(未分開顯示)。或者，閘道器單元可設置在收發器140內或經組態成為一獨立式組件。閘道器單元與收發器將在下面更詳細描述。
在一態樣中，RTU 120經調適以處理從感測器式終端110收到的資料信號，且將此等資料信號轉換成監視控制與資料收集(SCADA)系統中可使用的信號。此外，RTU 120亦可經調適以從SCADA系統接收信號以控制設在地下室內的一或多個組件或設備。如圖1所示，資料可經由電纜130(其可包含一習知同軸電纜)在RTU 120與一收發器單元140(在下面描述)間傳遞。
在本發明之另一態樣中，RTU 120可使用無線網路發射器/接收器實施。可在地下位置中使用的實例無線網路包括WiFi、ZigBee、ANT、藍牙、紅外線、及其他的任何組合。因此，RTU 120可經組態以與設在地下室10的收發器140及/或監測裝置及/或設備無線通訊。此設備可包括感測器式終端、或前述具備附加無線通訊能力的其他感測器類型之任一者。
通訊系統100進一步包括一收發器單元140，其將來自感測器式終端110/RTU 120的資訊傳達至地上SCADA或無線通訊網路，以及將來自地上SCADA或無線通訊網路的資訊傳達至感測器式終端110/RTU 120。圖2A至圖2E中顯示數個不同收發器單元構造140a至140e，且在下面更詳細描述。
應注意，在本發明之一替代態樣中，地下資料通訊系統可完全省略RTU。以此方式，收發器單元140可提供一閘道器單元，該閘道器單元將允許地下設備/監測裝置與地上通訊網路通訊。在數個態樣中，收發器單元140包含環境強化地上天線，其耦接至無線電裝置而與廣泛可用的地上無線通訊網路通訊，如WiFi、WiMax、行動電話(3G、4G、LTE)、私人租用頻帶等。收發器單元亦可包括內含閘道器電子元件之閘道器單元，閘道器電子元件提供在地上無線電信號間之介面，且經由第二天線、或經由使用銅纜線及/或光纖電纜直接連接至閘道器單元而與地下監測裝置/設備無線通訊。閘道器單元在地上與地下網路間執行網路連接、安全、與資料轉換之功能。
如前述，在一態樣中，一單一閘道器單元可與在地下室10內實施的多個地下監測裝置/設備中之一或多者通訊。如前述，監測裝置可包含獨立式感測器或與設置在地下室內的設備和組件整合之感測器(如感測器式終端110的感測部分)，以及其他地下室感測器(如濕度感測器、空氣品質感測器、壓力感測器等等)。
圖2A至圖2E顯示收發器單元140的數個不同構造。例如，圖2A顯示一收發器單元140a，其具有包括一本體部分142之一殼體141。一天線部分147與一無線電裝置部分(其可包括無線電電子元件，未顯示)可設置在本體部分142中。在此組態中，收發器單元140a安裝至人孔蓋50，該人孔蓋50允許從地上 進入地下室10。在此態樣中，人孔蓋50可包括一凹部51，該凹部51經組態以支撐收發器單元140a的至少一基底部分。在一態樣中，除了無線電與天線組件，收發器單元140a可進一步包括處理器、資料儲存單元、通訊介面、電源供應器、以及人機介面裝置。
殼體141可為一密封結構且可包括一或多個殼體零件，如蓋板與基板。至少一些殼體零件可由可塑性塑膠材料製成。殼體零件的材料可為抗侵蝕物質的。殼體可經密封以保護其內含的無線電裝置、天線與其他組件。藉由使用適當材料(如含有石墨的材料)密封，可使得密封能額外耐受侵蝕物質，如可能存在於外部環境的汽油或石油。
在一替代態樣中，殼體141可經構造為一射頻透射的道路標誌，其利用可模製、加工或澆注的耐高衝擊樹脂製成。實例替代構造係在美國專利第6,551,014號中描述，該案之全文在此以引用方式併入本文。在此替代態樣中，標誌的反射性可經修改而以視覺指示地下室內的設備狀態。例如，閃爍或非閃爍光可指示正常/不正常狀態。此外，一緩慢閃爍標誌光可指示小心，及/或快速閃爍光可指示危險狀況。在此實例中，液晶(LC)過濾器可安裝在反射器之前，且LC極性可使用微處理器來調變。或者，可直接調變內部光源(例如，LED)。
殼體141內含的電氣或電子組件可為主動式、被動式、或主動式與被動式兩者。因此，收發器殼體141使天線能夠被安裝在地下室或封閉空間的外部表面上，同時允許無線電裝置/天 線電性連接至例如設在地下室內的一RTU 120。例如，一天線連接件或管道145可耦接電纜130至收發器單元140a。在此態樣中，電纜130可為習知同軸電纜。管道145可有旋入式構造，且可旋入經攻牙入人孔蓋50之適當尺寸孔中。此外，所欲利用的天線設計之類型可將形成人孔蓋50所使用的構造與材料列入考量。在較佳態樣中，人孔蓋50包含標準的習知人孔蓋，因為可輕易修改各種不同大小與組成的現有人孔蓋以適配收發器/天線。
因此，利用此構造，監測裝置(如一感測器式終端的感測器部分)在感測出線路故障時，收發器單元140a可對電力公用事業網路或SCADA系統傳遞即時故障位置資訊。
圖2B顯示本發明之一替代態樣，收發器單元140b具有殼體141，該殼體141包括本體部分142，其中，天線部分147與無線電裝置部分可設置在本體部分142中。在此具體組態中，收發器單元140b實質上齊平式安裝至人孔蓋50且包括堅固厚實的殼體。例如，殼體可包含具有聚胺甲酸酯核心的聚碳酸酯材料，且有稜紋區，該稜紋區提供彈性以使聚碳酸酯材料不會裂開。
一天線連接件或管道145可耦接電纜130至收發器單元140b。收發器140b的內部組件與操作可與先前有關收發器140a之描述相同。
圖2C顯示本發明之另一替代態樣，一收發器單元140c具有一殼體141，該殼體141包括一本體部分142，其中一天線部分147與一無線電裝置部分連同隨附電子元件可設置在本體部 分142中。在此具體組態中，收發器單元140b凹入式安裝至薄型人孔蓋50a，且經由習知螺栓固定於其上。天線連接件或管道145可耦接電纜130至收發器單元140c。收發器140b的內部組件與操作可與先前有關收發器140a之描述相同。
圖2D顯示本發明之又另一替代態樣，一收發器單元140d具有一雙殼體141a、141b，其包括一上本體部分142與一下本體部分144，其中上本體部分142裝有一第一天線部分147a與一無線電裝置部分，而下本體部分144裝有一第二天線部分147b與一無線電裝置部分。第一天線部分147a可經組態以與地上無線網路通訊，而第二天線部分147b可經組態以經由電纜130與地下網路通訊。在此具體組態中，上本體部分142齊平式安裝在人孔蓋50的第一側，而下本體部分144齊平式安裝在人孔蓋50的第二側。此具體設計允許藉由鑽出一單孔洞並利用一旋入式管道145直接安裝至現有的人孔蓋，該旋入式管道145可被旋入經攻牙入人孔蓋50之適當尺寸孔中。殼體141a可由堅固、厚實之殼體材料形成。下殼體141b可由相同或不同材料形成。
圖2E顯示本發明之又另一替代態樣，一收發器單元140e具有一雙殼體141a、141b，其包括一上本體部分142與一下本體部分144，其中上本體部分142裝有一第一天線部分147a與一無線電裝置部分，而下本體部分144裝有一第二天線部分147b與一無線電裝置部分。此外，收發器單元140e進一步包括一閘道器單元143，其將資料從第一通訊協定(例如，Zigbee，用於地 下)轉換成第二通訊協定(例如，4G，用於地上)。如此，第一天線部分147a可經組態以與地上無線網路通訊，而第二天線部分147b可經組態以與可能不同於地上無線網路之一地下無線網路通訊。在此具體組態中，上本體部分142齊平式安裝在人孔蓋50的第一側。閘道器單元143(其可包含一單獨結構或可被包含在殼體141b內)與下本體部分144可齊平式安裝在人孔蓋50的第二側。閘道器單元接收來自監測裝置的資料且可包含適當電路及/或電子元件以讀取資料、分析資料、聚集資料、分類資料、基於資料推測地下室狀況、以及基於資料採取行動。此外，閘道器單元143可提供用於事件關聯性之時脈源。
再者，此具體設計允許藉由鑽出單一孔洞並利用旋入式管道145直接安裝在現有的人孔蓋，旋入式管道145可被旋入經攻牙入人孔蓋50之適當尺寸孔中。殼體141a可由堅固、厚實之殼體材料形成。下殼體141b可由相同或不同材料形成。
在一態樣中，可用來容納收發器及/或閘道器單元的至少一些組件之實例結構係在美國專利第8,135,352號中描述，該案之全文在此以引用方式併入本文。
在另一態樣中，可在相同殼體(或殼體部分)中嵌入多個天線，從而允許用於地上與地下兩者的多個通訊方法。例如，WiFi和4G天線可連同GPS天線嵌入相同的地上天線殼體中，以提供多個網路連接以及GPS定位與定時資訊。藍牙天線可嵌入地上殼體中，以對靠近收發器/閘道器單元的人員提供區域通 訊。例如，駕駛通過收發器/閘道器單元上方的技工人員可使用藍牙直接讀取地下室內的感測器。RFID天線可嵌入地上殼體中，以允許使用RFID讀取器來讀取地下感測器資料。
在另一態樣中，可透過各種手段提供電力給地下資料通訊系統100的組件。在一態樣中，設備可經由已設於地下室10的AC或DC電源而運行。在另一態樣中，若沒有可用的AC或DC電源，可在電氣設備(如終端110)上安裝電力擷取線圈，該電力擷取線圈可提供電力給地下室10內的組件。或者，可利用壓電換能器來將地下室10內發生的機械振動轉換成可儲存在電池或超級電容器內的電能。例如，可自Mide(www.mide.com)購得一習知壓電換能器。在另一態樣中，可利用熱電換能器來將地上與地下間的自然溫差轉換成電能。例如，請參照(http：//www.idtechex.com/research/reports/thermoelectric-energy-harvesting-2012-2022-devices-applications-opportunities-000317.asp)。在進一步的態樣中，太陽能板可用於涓流供電給電池組或其他內部組件。
在本發明之另一態樣中，多個地下資料通訊系統可經組態以與設在具體地下室位置外部的地下公用事業基礎設施內的監測裝置及/或設備通訊。例如，圖3顯示無線地下人孔公用事業基礎設施，其具有第一地下室10a與第二地下室10b，中間***拼接封閉空間10c以對地下室提供低/中/高電壓線路。地下室10a可使用第一地下資料通訊系統100a(其以類似於前述這些實施的方 式組態)實施，而地下室10b可使用一第二地下資料通訊系統100b(其亦以類似於前述這些實施的方式組態)實施。在一實例中，第一地下資料通訊系統100a使用Zigbee網路實施。第一地下資料通訊系統100a的RTU或閘道器單元可以所要間隔時間監測在地下室10a與封閉空間10c間的拼接部108a(其設在地下室10a的外部)的狀況。此外，第一地下資料通訊系統100a的RTU或閘道器單元可監測組件108b及/或拼接部108c(其設於或接近封閉空間10c)的狀況。第二地下資料通訊系統100b亦可以類似方式使用Zigbee網路實施且可監測在地下室10b與封閉空間10c間的拼接部108d(其設於地下室10b的外部)的狀況。
此外，多個地下資料通訊系統亦可經組態以與彼此、以及與地上網路(如公用設施SCADA系統)通訊。例如，除了與地上網路通訊外，第一地下資料通訊系統100a還可直接與第二地下資料通訊系統100b通訊。
圖4更進一步詳細提供繪示地下資料通訊系統的一些功能之實例流程圖。如前述，閘道器單元可為一獨立式單元，其可與一RTU結合或其可併入為收發器之部分。
在此實施例中，閘道器單元係與收發器共置。一監測裝置(在此實例為一主動感測器260)可經組態為例示性感測器式終端(如前述)的電流與電壓感測器，該監測裝置測量電線的即時狀況(步驟262)。例如，可將對應於即時狀況的類比信號數位化。在此實例中，可將測量值傳遞至一RTU(以無線方式或經由 有線方式)，或者可藉由主動感測器自行處理測量值，此取決於所使用的感測器類型。假設資料傳送給一RTU，RTU藉由計算頻率與相位角來處理測得信號(步驟264)。測得資料經格式化成一測量資料封包(步驟266)。然後加密資料封包並以區域網路(LAN)封包傳輸(步驟268)。在此實例中，LAN為Zigbee LAN，而RTU包括Zigbee無線電裝置。或者，若不使用一RTU，信號處理可由監測裝置來執行，其接著可將資料直接傳遞至閘道器或最接近的Zigbee無線電裝置。
在步驟270，閘道器單元解密及解碼LAN封包。在步驟272中，閘道器單元解譯經解碼資料。例如，閘道器單元可被上傳有關鍵故障庫，以基於預設或所下載之狀況或現有狀況的組合來提供具體故障之分類或嚴重程度的指定。基於該解譯，閘道器單元判定是否採取本地動作(步驟275)。在步驟278中，若需要一本地動作，閘道器會傳遞信號至設備以採取動作(例如，跳脫一斷路器，開啟/關閉電容器組等)。
此外，在步驟280中，閘道器亦可判定是否需要上游通知。若為是，閘道器單元可格式化廣域網路(WAN)封包(步驟282)並加密與傳輸WAN封包(步驟284)。WAN封包可經由WiFi、區域無線電等發送(如前述)。WAN接收器(例如，行動接收器單元，如具有載入有適當應用程式之通訊裝置的維修技術人員、或服務提供者的操作中心)可接收WAN資料封包、解密及解 碼WAN封包(步驟286)。接收WAN資料封包的實體(例如，操作中心或服務車輛)可接著處理來自閘道器單元的通知。
在一態樣中，此類型通訊系統允許公用事業公司能正確定位一地下故障位置，因此節省了時間及進入並實際檢查電網內眾多地下室位置的費用。此外，執行適當的本地動作可迅速回復對消費者之服務及避免對電網本身造成進一步的損壞。
圖5顯示本發明之另一態樣，一地下資料通訊系統200。通訊系統200係設置在例示性地下封閉空間中，此處係地下室11。在此實例實施中，地下室11包括一或多條電線，例如，電線205a至205c(輸送例如低、中、或高壓電力)。
類似於上文所討論的，在替代態樣中，地下通訊系統200可在地上環境中實施。
回頭參照圖5，封閉空間或地下室11可從地上經由例如習知或修改過的人孔蓋51之入口進出，人孔蓋51可由金屬或非金屬形成，並可為習知的圓形。在此態樣中，地下室11可構造成通常由電力、天然氣、水及/或其他公用事業所使用的習知地下室。不過，在替代態樣中，地下資料通訊系統200可使用在另一類型的地下封閉空間或類似結構中，如人孔、地下層、地窖、深坑、避難所、管路、或其他地下封閉空間。
地下室亦包括設置於其中的至少一監測裝置，監測裝置可監測地下室的物理狀況或設在地下室中的組件或設備的物理狀況。例如，在此態樣中，例如羅哥斯基線圈之電流感測器(210a 至210c)係設置在各電線205a至205c上，該電流感測器產生與電流微分成比例的電壓。或者，其他感測器裝置(例如，上文所述的那些)亦可用在封閉空間11內。
原始資料信號可從感測器經由信號線230a至230c傳送至一感測器式分析單元(SAU)220。該SAU 220可安裝在地下室11內的中央位置，或沿著牆壁或其他內部地下室結構而安裝。SAU 220包括數位信號處理器(DSP)或系統單晶片(SOC)，以接收、操縱、分析、處理、或以其他方式轉換這類資料信號為監視控制與資料收集(SCADA)系統中可用的信號。此外，DSP可獨立於SCADA之外執行一些操作。例如，DSP可執行故障偵測、隔離、位置及狀況監測、以及通報。此外，DSP/SAU可經程式化以提供額外特徵，例如，伏特、VAR最適化、相量測量(同步相量)、初期故障偵測、負載特性化、事後事件分析、特徵波形辨識與事件擷取、自行修復與最適化、能量查核、部分放電、諧波/分諧波分析、閃爍分析、及漏電流分析。
此外，DSP及SAU需求中所用的其他晶片可經組態為僅需要低功率位準，大約小於10W。在此態樣中，SAU 220可經由電力擷取線圈215供電，該電力擷取線圈215可耦接至電線的其中之一者，以經由電力電纜217提供足夠的電力給SAU。
此外，SAU 220可實施為具有備用電池組(未顯示)。進一步地，SAU 220可包括額外的感測器，以監測例如封閉空間內的環境狀況。
來自SAU 220之經處理的資料可經由收發器240傳遞至網路或SCADA。如圖5所示，收發器240經組態為耐環境影響之通訊閘道器。在此態樣中，收發器240可包括完全整合之極低功率電子元件(用於偵測時間同步事件之SOC)，以及GPS和多功能無線電通訊模組。收發器240可藉由電池源或無線電力(例如，無線電力發射器，未顯示)來供電。收發器240可以模組化方式安裝/設計，以便有彈性地針對不同應用在各種封裝中安裝各種額外的感測器。
如圖5所示，收發器可直接安裝至入口蓋51上。在此態樣中，一部分的收發器240經組態為延伸通過形成在入口蓋51中之孔或管道。此外，收發器240之頂部部分係設計為實質上與入口蓋51的頂部表面齊平。以此方式降低來自外部元件對收發器造成損害的風險。
收發器240可與內部封閉空間組件(例如，SAU 220)經由短程通訊協定(例如，藍牙、WiFi、ZigBee、ANT)進行通訊。以此方式，收發器單元240可提供閘道器，該閘道器允許地下設備/監測裝置(例如，SAU 220)往返地上通訊網路進行通訊。在此態樣中，收發器單元240亦包含例如上文所述之環境強化地上天線。地上天線可容納於實質上與入口蓋的頂部表面齊平、或延伸高於(參見例如圖1)入口蓋的頂部表面之部分的收發器240中，且其耦接至無線電裝置而與廣泛可用的地上無線通訊網路(例如，WiFi、WiMax、行動電話(3G、4G、LTE、GSM)、私人租用頻 帶、免執照頻帶等)通訊。收發器240亦可包括閘道電子元件，該閘道電子元件提供地上無線電信號間的介面，並經由第二天線與SAU 220無線通訊。或者，SAU 220可經由與銅及/或光纖電纜(類似圖1所示的電纜130，但未顯示於圖5)的直接連接與收發器240通訊。收發器在地上與地下網路間執行網路連接、安全、與資料轉換之功能。在其他態樣中，閘道電子元件可設置在SAU內，該閘道電子元件可將資料包格式化為適當的網路格式，並將格式化後的信號經由標準信號電纜傳送至收發器的發射天線。
在此態樣中，收發器240包括額定持續至少12至15年的大型原電池組(primary battery)。在此態樣中，通訊系統200可經組態為藉由在週期性基礎上操作來節省收發器240所用的電力。例如，除了例如一天一次的狀態核對之外，SAU 220可經程式化為僅在關鍵、有問題的事件發生時傳送信號至收發器240。
在替代態樣中，收發器240可由外部電源(例如，可得自電力擷取裝置215、或者耦接至另一電線之電力擷取裝置的電力)供電。
在進一步的替代態樣中，地下封閉空間可進一步包括安裝在接近收發器240之處的無線電力發射器。無線電力發射器可無線地發送電力給收發器(經由電感耦合，例如，近場電感耦合)。例如，無線電力發射器可包括第一(原級)電感器，其與位於收發器240中的第二電感器耦接在一起。可經由安裝在地下封閉空間內之鉸接支撐臂將無線電力發射器帶入與收發器240緊密相鄰 之處。在一態樣中，可將無線發射器置於操作位置，該位置至收發器240的距離可比所用之載波頻率的約1/3波長更為靠近。安置在無線電力發射器及收發器內的天線可進一步依據各項條件予以最適化。無線電力發射器本身可藉由例如裝置215之電力擷取裝置來供電。
圖6顯示本發明之另一態樣，資料通訊系統300。通訊系統300係設置在例示性地下封閉空間中，此處係地下室11。在此實例實施中，地下室11包括一或多條高壓電線，例如，電線305a至305c(輸送例如中至高電壓電力)。
封閉空間或地下室11可從地上經由例如習知或修改過的人孔蓋51之入口進出，該人孔蓋51可由金屬或非金屬形成，並可為習知的圓形。在此態樣中，地下室11可構造成通常由電力、天然氣、水及/或其他公用事業所使用的習知地下室。不過，在替代態樣中，地下資料通訊系統300可使用在另一類型的地下封閉空間或類似結構中，如人孔、地下層、地窖、深坑、避難所、管路、或其他地下封閉空間。
地下室亦包括設置於其中的至少一監測裝置，監測裝置可監測地下室的物理狀況或設在地下室中的組件或設備的物理狀況。
在此態樣中，監測裝置及SAU係完全整合在感測器式電纜配件內。感測器式電纜配件，在此例中係感測器式電纜拼接部310a至310c進一步包括完全整合為部分的感測器式電纜配件之 系統分析311a至311c(包括DSP晶片及系統通訊(例如，藍牙)晶片)。
在一態樣中，DSP晶片、系統通訊晶片、及其他如所需的晶片(例如，A/D轉換器及定時晶片)可安裝在可撓性電路或小型印刷電路板(例如，FR4)上，其耦接至延伸環繞電纜拼接部之電力載荷導體之絕緣層的絕緣電極元件。以此方式，系統300不需獨立的SAU，因為整合的感測器式電纜配件可接收、操縱、分析、處理、或以其他方式轉換原始感測器資料信號為可用於監視控制與資料收集(SCADA)系統的信號。
此外，電力擷取裝置(例如，裝置315a至315c)可整合為部分的感測器式電纜拼接部310a至310c，以提供用於DSP/藍牙晶片組之足夠的電力。本發明之此態樣中所用的電力擷取裝置可以類似於例如EP專利申請案第EP 14169529.6號中所述之能量擷取裝置的方式構成，該專利申請案全文係併入本文以供參照。在此實例構造中，能量擷取裝置可用於供電給共置的感測裝置作為部分的感測器式電纜配件。
來自感測器式電纜配件310a至310c之經處理的資料可經由收發器340傳遞至網路或SCADA。如圖6所示，收發器340經組態為耐環境影響之通訊閘道器。在此態樣中，收發器340可包括完全整合之極低功率電子元件(用於偵測時間同步事件之SoC)，以及GPS和多功能無線電通訊模組。收發器340可藉由例如上述之電池源來供電。如圖6所示，收發器340係直接安裝至入 口蓋51上。此外，收發器340之頂部部分係設計為實質上與入口蓋51的頂部表面齊平。以此方式降低來自外部元件對收發器造成損害的風險。
收發器340可與內部封閉空間組件(例如，感測器式電纜配件310a至310c)經由短程通訊協定(例如，藍牙)進行通訊。在此態樣中，收發器單元340亦包含例如上文所述之環境強化地上天線。地上天線可容納於實質上與入口蓋51的頂部表面齊平、或延伸高於(參見例如圖1)入口蓋51的頂部表面之部分的收發器340中，且其耦接至無線電裝置而與廣泛可用的地上無線通訊網路(例如，WiFi、WiMax、行動電話(3G、4G、LTE)、私人租用頻帶等)通訊。收發器340亦可包括閘道電子元件，該閘道電子元件提供地上無線電信號間的介面，並經由第二天線與感測器式電纜配件無線通訊。
在替代態樣中，收發器340可進一步與一或多個感測器(例如，環境(例如，氣體、煙霧、溫度等)感測器)整合在一起。收發器340亦可包括DSP晶片、系統通訊晶片、及其他如所需的晶片(例如，A/D轉換器及定時晶片)，以在環境感測器及網路或SCADA之間進行通訊。
此外，多個地下資料通訊系統亦可經組態以與彼此、以及與地上網路(如公用設施SCADA系統)通訊。例如，除了與地上網路通訊外，第一地下資料通訊系統100a還可直接與第二地下資料通訊系統100b通訊。
圖7進一步詳細地提供繪示實例通訊方案之另一實例通訊流程圖。
類似於系統200的實施例(示於圖5)，通訊閘道器單元係與收發器240共置。在其他態樣中，通訊閘道器單元可與SAU共置。
在圖7之實例中，可將感測器測量值傳遞至SAU(以無線方式或經由有線方式)，或者可藉由主動感測器自行處理測量值，此取決於所使用的感測器類型。假設資料被傳送至SAU，則SAU藉由執行一或多個分析模式來處理測量到的信號。在此實例中，SAU 220可記錄電線之即時狀況的測量值(步驟362)，在此實例中，測量值係來自例如感測器310a之監測裝置。SAU 220判定是否將格式化後的資料發送(步驟364)至收發器/閘道器單元。若否，則在步驟366中，SAU判定是否須分析資料。若資料未經分析，則將其傳送至資料儲存裝置(步驟374)。若欲對資料進行分析，可由SAU執行(步驟368)分析及/或事件偵測。基於分析，SAU可指示特定動作(例如，控制動作)、及/或將資料儲存在記憶體中(步驟374)。
若欲將資料傳遞至封閉空間外部，格式化後的/測量到的/經分析的資料係在步驟375中傳遞至收發器/閘道器單元(無線地或透過通訊線路)。在此態樣中，收發器240一般保持在休眠模式(步驟380)，且一經接收儲存在資料儲存中之來自SAU的 資料信號(步驟376)，便會在收到信號被喚醒(步驟377)。否則，在此態樣中，收發器/閘道器單元係在預定時間被喚醒。
在步驟378中，(在SAU或收發器/閘道器單元)作出發送資料的決定。若資料未被傳送，收發器/閘道器單元可重回休眠模式(步驟380)。資料包係藉由閘道器單元來格式化，並從收發器經由標準或私人電信協定(步驟399)發送至雲端資料服務或SCADA(步驟398)。接收資料的實體(例如，操作中心或服務車輛)可接著處理來自收發器/閘道器單元的通知。例如，WAN接收器(例如，行動接收器單元，如具有載入有適當應用程式之通訊裝置的維修技術人員、或服務提供者的操作中心)可接收來自收發器的封包資料、查詢、解密、及/或解碼資訊(步驟390)。此資訊可經由網際網路或網路通訊傳遞(步驟395)自/至雲端資料服務或SCADA(398)，其中資料由網站應用程式耗用(步驟396)。例如，在步驟396中，可發生表示狀態傳送，從而創造、讀取、更新、及/或刪除伺服器上的資訊。
在一態樣中，此類型通訊系統允許公用事業公司能正確定位地下故障位置，因此節省了時間及進入並實際檢查電網內眾多地下室位置的費用。此外，執行適當的本地動作可迅速回復對消費者之服務及避免對電網本身造成進一步的損壞。進一步地，此通訊系統允許公用設施直接與特定的封閉空間、收發器、及/或SAU進行通訊，以重組態或更新用於電力及環境感測之系統設定、表、臨限值。
類似於上文所討論的，在替代態樣中，地下通訊系統300可在地上環境中實施，例如，低、中、或高壓電纜從地下進入並在地面設備中曝露之處。例如，感測器式電纜拼接部及收發器可在地上變壓器封閉空間中實施。例如，可採用這些通訊系統之一或多者的地面或地上裝置包括例如電力或配電變壓器、馬達、開關傳動裝置、電容器組、及發電機。此外，這些通訊系統的一或多者可在自監測應用中實施，例如，橋梁、天橋、車輛及標誌監測、地鐵、水壩、隧道、及建築物。可將監測裝置本身或與SAU的組合植入系統，該系統需要由事件發生、鑑別、位置、及經由自供電單元採取的行動所驅動之極低電力計算能力。進一步地，GPS能力與時間同步事件的整合致使以設定好的臨限值和演算法使用早期偵測針對關鍵結構性或公用設施組件的各種初期應用/故障/降格找出關鍵問題。另一可變性係非破壞性機械構造，其能夠在相當危險的應用中使用。
例如，圖8顯示實例封閉空間20，其可在地面(at grade)或地上實施，其包括通訊系統400。在此實例實施中，封閉空間20包括一或多條電線，例如，電線405a至405c(輸送例如低、中、或高壓電力)。在替代態樣中，封閉空間20可容納電容器組、馬達、開關傳動裝置、電力或配電變壓器、發電機、及/或其他公用事業設備。
封閉空間20亦包括設置於其中的至少一監測裝置，該監測裝置可監測地下室的物理狀況或設在地下室中的組件或設備 的物理狀況。例如，在此態樣中，例如羅哥斯基線圈之電流感測器(410a至410c)係設置在各電線405a至405c上，該電流感測器產生與電流微分成比例的電壓。此外，亦可包括環境感測器413。其他感測器裝置(例如，上文所述的那些)亦可用在封閉空間20內。
原始資料信號可從感測器經由信號線430a至430c傳送至感測器式分析單元(SAU)420。SAU 420可安裝在地下室20內的中央位置，或沿著牆壁或其他內部地下室結構而安裝。SAU 420包括數位信號處理器(DSP)或系統單晶片(SOC)，以接收、操縱、分析、處理、或以其他方式轉換這類資料信號為監視控制與資料收集(SCADA)系統中可用的信號。此外，DSP可獨立於SCADA之外執行一些操作。例如，DSP可執行故障偵測、隔離、位置及狀況監測、以及通報。此外，DSP/SAU可經程式化為提供額外特徵，例如，伏特、VAR最適化、相量測量(同步相量(synchnophaser))、初期故障偵測、負載特性化、事後事件分析、特徵波形辨識與事件擷取、自行修復與最適化、能量查核、部分放電、諧波/分諧波分析、閃爍分析、及漏電流分析。
此外，DSP及SAU需求中所用的其他晶片可經組態為僅需要低功率位準，大約小於10W。在此態樣中，SAU 420可經由電力擷取線圈415供電，該電力擷取線圈415可耦接至電線的其中之一，以經由電力電纜417提供足夠的電力給SAU。此外，SAU 420可實施為具有備用電池組(未顯示)。
來自SAU 420之經處理的資料可經由收發器440傳遞至網路或SCADA。在此態樣中，收發器440可包括完全整合之極低功率電子元件(用於偵測時間同步事件之SOC)，以及GPS和多功能無線電通訊模組。收發器440可藉由封閉空間20內之線電源、電池源、或無線電力(例如，無線電力發射器，未顯示)來供電。SAU 420可經由與銅及/或光纖電纜431的直接連接而與收發器440進行通訊。
在此態樣中，收發器440可直接安裝在封閉空間20的頂部(或其他)表面上。收發器440可與內部封閉空間組件(例如，SAU 420)經由電纜430a至430c進行通訊。若有必要，收發器420可在外部與內部網路間執行網路連接、安全、與資料轉換之功能。
在另一態樣中，SAU 420可經組態為模組化或可升級的單元。這一類模組化單元可容許經由一或多個介面埠之伺服器鑰或獨立模組的附接。如圖8所示，多個感測器(410a至410c、413)均連接至SAU 420。這一類組態可容許監測電力線及/或各種額外的環境感測器，類似於感測器413，其可偵測參數(例如，氣體、水、振動、溫度、含氧量等)。例如，在一個替代態樣中，感測器413可包含熱像儀，以觀察環境及封閉空間內之組件的溫度曲線。前文提及的DSP/其他晶片可提供計算能力來解譯、過濾、啟動、組態、及/或與收發器440通訊。伺服器鑰或連接器區塊可容納額外的電路，以創造類比至數位的前端。伺服器鑰或連接器區塊 亦可包括隨插即用電路，以用於自動鑑別及辨識***的感測模組(以及自動安裝適當的同步、定時、及其他適當的通訊狀況)。
圖9顯示本發明之另一態樣，地下資料通訊系統500。通訊系統500係設置在例示性地下封閉空間中，此處係地下室11。在此實例實施中，地下室11包括一或多條電線，例如，電線505a至505c(輸送例如低、中、或高壓電力)。
封閉空間或地下室11可經由入口埠55從地上進出，該入口埠55包括經修改的人孔蓋50’、及環或凸緣52。在此態樣中，地下室11可構造成通常由電力、天然氣、水及/或其他公用事業所使用的習知地下室。不過，在替代態樣中，地下資料通訊系統500可使用在另一類型的地下封閉空間或類似結構中，如人孔、地下層、地窖、深坑、避難所、管路、或其他地下封閉空間。
地下室亦包括設置於其中的至少一監測裝置，監測裝置可監測地下室的物理狀況或設在地下室中的組件或設備的物理狀況。例如，在此態樣中，例如羅哥斯基線圈之電流感測器(510a至510c)係設置在各電線505a至405c上，該電流感測器產生與電流微分成比例的電壓。其他感測器裝置(例如，上文所述的那些)亦可用在封閉空間11內。
原始資料信號可從感測器經由信號線530a至530c傳送至感測器式分析單元(SAU)520。SAU 520可安裝在地下室11內的中央位置，或沿著牆壁或其他內部地下室結構而安裝。如圖9所示，SAU可安裝在地下室11的頂部壁上。SAU 520包括數位信號 處理器(DSP)或系統單晶片(SOC)，以接收、操縱、分析、處理、或以其他方式轉換這類資料信號為監視控制與資料收集(SCADA)系統中可用的信號。此外，DSP可獨立於SCADA之外執行一些操作。例如，DSP可執行故障偵測、隔離、位置及狀況監測、以及通報。此外，DSP/SAU可經程式化為提供額外特徵，例如，伏特、VAR最適化、相量測量(同步相量)、初期故障偵測、負載特性化、事後事件分析、特徵波形辨識與事件擷取、自行修復與最適化、能量查核、部分放電、諧波/分諧波分析、閃爍分析、及漏電流分析。
此外，DSP及SAU需求中所用的其他晶片可經組態為僅需要低功率位準，大約小於10W。在此態樣中，SAU 520可經由電力擷取線圈515供電，該電力擷取線圈515可耦接至電線的其中之一，以經由電力電纜517提供足夠的電力給SAU。
此外，SAU 520可實施為具有備用電池組(未顯示)。進一步地，SAU 520可包括額外的感測器，以監測例如封閉空間內的環境狀況。
來自SAU 520之經處理的資料可經由收發器540傳遞至網路或SCADA。在此態樣中，收發器540可包括完全整合之極低功率電子元件(用於偵測時間同步事件之SOC)，以及GPS和多功能無線電通訊模組。收發器540可藉由電池源或無線電力(例如，無線電力發射器，未顯示)來供電。SAU 520可經由與銅及/或光纖電纜531的直接連接而與收發器540通訊。或者，收發 器540亦可包括閘道電子元件，其提供地上無線電信號間之介面，並經由第二天線與SAU 520無線通訊。
在此態樣中，收發器540可直接安裝在入口埠55之環或凸緣部分52上。在此態樣中，托架或安裝結構541可經組態以安裝至環或凸緣52，並在其中固定收發器540。入口蓋50’可包括沿著其周長之切口部分53，其符合收發器/托架結構的外部形狀。此外，收發器540之頂部部分係設計為實質上與入口蓋50的頂部表面齊平。以此方式降低來自外部元件對收發器造成損害的風險。此外，降低在未適當地移除入口蓋50’的情況下對收發器540造成損害或電纜531斷開的風險。
收發器540可與內部封閉空間組件(例如，SAU 520)經由電纜530a至530c及/或經由短程通訊協定(例如，藍牙、WiFi、ZigBee、ANT)進行通訊。以此方式，收發器單元540可提供閘道器，其允許地下設備/監測裝置(例如，SAU 520)往返地上通訊網路進行通訊。在此態樣中，收發器單元540亦包含例如上文所述之環境強化地上天線。地上天線可容納於實質上與入口蓋的頂部表面齊平之部分的收發器540中，且其耦接至無線電裝置而與廣泛可用的地上無線通訊網路(例如，WiFi、WiMax、行動電話(3G、4G、LTE、GSM)、私人租用頻帶、免執照頻帶等)通訊。收發器在地上及地下網路間執行網路連接、安全、及資料轉換之功能。在其他態樣中，閘道電子元件可設置在SAU內，其可將資料 包格式化為適當的網路格式，並將格式化後的信號經由標準信號電纜傳送至收發器的發射天線。
現已參照數個個別實施例而描述說明本發明。前述實施方式之提供僅為了清楚理解本發明之用。不應將其理解或解讀為不必要之限制。對於右、左、前、後、上與下之所有參照，以及對於方向的參照僅為例示性且不限制所主張之發明。所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，可在所描述的實施例中作出許多變化而不背離本發明的範疇。因此，本發明的範疇應不侷限於本文中描述的細節與結構，而是由申請專利範圍之語言所述的結構及這些結構的均等物加以定義。

Claims (20)

  1. 一種資料通訊系統，其包含：一收發器，其包括主動電子元件、一天線及全球定位系統(GPS)電路，該收發器係設置在一地下封閉空間(enclosure)的一金屬入口埠上，該收發器包括一殼體，該殼體可安裝至該金屬入口埠，其中該收發器經組態以與該地下封閉空間外部的一網路進行通訊；一監測裝置，其係設置在該地下封閉空間中，提供有關該地下封閉空間內之一即時狀況的資料；以及一感測器分析單元，其處理來自該監測裝置的該資料，並產生一經處理的資料信號，以及將該經處理的資料信號通訊至該收發器。
  2. 如請求項1之資料通訊系統，其中該監測裝置包含一感測器。
  3. 如請求項2之資料通訊系統，其中該感測器偵測下列的至少一者：功率、電壓、電流、溫度、易燃物質或燃燒副產物、機械應變、機械運動、濕度、土壤狀況、壓力、危險性氣氛、液體流、洩漏、組件壽命終了或組件壽命、人員在場、物理狀態、光位準、以及振動。
  4. 如請求項1之資料通訊系統，其中該收發器包括一通訊閘道器單元。
  5. 如請求項1之資料通訊系統，其中該感測器分析單元包括一數位信號處理器。
  6. 如請求項1之資料通訊系統，其中該感測器分析單元包括一無線網路通訊晶片。
  7. 如請求項1之資料通訊系統，其中該收發器單元包括一強化地上天線及無線電裝置。
  8. 如請求項1之資料通訊系統，其中該收發器經組態以向上游傳送聚集資訊給另一聚集節點或在地上的雲端伺服器。
  9. 如請求項1之資料通訊系統，其中該收發器經組態以對由一上游聚集節點或雲端所發送至其的訊息做出回應。
  10. 如請求項1之資料通訊系統，其中該金屬入口埠包含一人孔蓋(manhole cover)、以及用以收納該人孔蓋之一環部。
  11. 如請求項10之資料通訊系統，其中該收發器係經固定至該人孔蓋，且一部分的該收發器殼體延伸通過經形成在該入口蓋中的一孔。
  12. 如請求項11之資料通訊系統，其中延伸通過經形成在該入口蓋中之該孔的該收發器殼體部分係實質上與該入口蓋的一頂部表面齊平。
  13. 如請求項10之資料通訊系統，其中該收發器係經固定至該入口埠的一環部。
  14. 如請求項1之資料通訊系統，其進一步包含經耦接至位於該地下封閉空間中之至少一電力線的一電力擷取裝置。
  15. 如請求項1之資料通訊系統，其中該感測器分析單元含有複數個介面埠，該複數個介面埠經組態以連接至一或多個環境感測器。
  16. 一種資料通訊系統，其包含：一收發器，其包括主動電子組件、一天線及全球定位系統(GPS)電路，該收發器係設置在一地下封閉空間的一金屬入口埠上，該收發器包括一殼體，該殼體可安裝至該金屬入口埠，其中該收發器經組態以與位於該地下封閉空間外部的一網路進行通訊；以及一感測器式電纜配件(accessory)，其係安裝至位於該地下封閉空間中之一電力線，該感測器式電纜配件包括：一感測器，該感測器測量與該地下封閉空間內之一即時狀況相關的資料；一信號處理晶片，其處理該測量到的資料；及一通訊晶片，其將該經處理的資料通訊至該收發器。
  17. 如請求項16之資料通訊系統，其中該感測器式電纜配件進一步包含經耦接至該電力線的一電力擷取裝置，以提供電力給該信號處理晶片及通訊晶片。
  18. 如請求項17之資料通訊系統，其中該地下封閉空間包含一地下室(underground vault)。
  19. 如請求項17之資料通訊系統，其中該地下封閉空間包含一地面(grade level)或地上封閉空間。
  20. 一種資料通訊系統，其包含：一收發器，其包括主動電子組件、一天線及全球定位系統(GPS)電路，該收發器係設置在含有公用事業設備(utility equipment)之一地下封閉空間的一金屬部分上，該收發器包括一殼體，該殼體可安裝至該地下封閉空間，其中該收發器經組態以與位於該地下封閉空間外部的一網路進行通訊；一監測裝置，其係設置在該地下封閉空間中，提供有關該地下封閉空間內之一即時狀況的資料；以及一感測器分析單元，其處理來自該監測裝置的該資料，並產生一經處理的資料信號，以及將該經處理的資料信號通訊至該收發器。
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