姜萬東 王 野 沈克明 周海濤 李才勇

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一種新型自供電無線測(cè)溫傳感器控制系統(tǒng)

姜萬東1王 野2沈克明1周海濤1李才勇3

（1. 江蘇國網(wǎng)自控科技股份有限公司，江蘇昆山 215311； 2. 麗水學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐空間，浙江麗水 323000； 3. 珠海恒瑞電力科技有限公司，廣東珠海 519000）

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種新型自供電型的無線測(cè)溫傳感器控制系統(tǒng)，包括無線信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)中繼裝置及自供電取能電路，主要應(yīng)用在高壓觸頭、母線和電纜頭無線測(cè)溫傳感器系統(tǒng)。與常規(guī)無線測(cè)溫傳感器功能相比，新增功能包括：①針對(duì)目前常規(guī)中繼裝置主要采用直流5V供電，無法接入市電問題，增加AC/DC開關(guān)電源直接接入市電AC220V；②增加了一路無線通信模塊，將從無線測(cè)溫傳感器采集到的數(shù)據(jù)利用無線通信的模式發(fā)送出去；③增加了人機(jī)接口界面；④增加了自供電無線測(cè)溫傳感器取能電路，提高了工作效率。

自供電；中繼；人機(jī)接口界面

在工業(yè)、電力行業(yè)中，電氣設(shè)備的正常運(yùn)行保證了社會(huì)的正常運(yùn)作以及人民的正常生活，因此設(shè)備的可靠性至關(guān)重要。眾多企業(yè)提倡對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，而溫度是預(yù)防性維護(hù)中最重要的監(jiān)控參數(shù)，溫度的過高或過低均意味著故障產(chǎn)生的可能性。實(shí)現(xiàn)溫度在線監(jiān)測(cè)是保證高壓設(shè)備安全運(yùn)行的重要手段[1-5]。

面臨煤礦、石化、冶金等行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境惡劣，布線困難，工作量大以及信號(hào)電纜維護(hù)成本較高等不足[6-10]，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型無線測(cè)溫傳感器系統(tǒng)，包括無線信號(hào)中繼裝置和自供電取能電路。其功能包括：①增加了AC/DC開關(guān)電源，可以直接接入市電，無需用戶外部提供直流5V電源或電源適配器；②可提供無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。可將采集到的無線測(cè)溫傳感器數(shù)據(jù)，通過新增加的無線通信模塊再次以無線的形式轉(zhuǎn)發(fā)出去；③提供了人機(jī)界面，用戶可以就地通過無線中繼觀察到通過無線信號(hào)傳輸過來的無線測(cè)溫傳感器測(cè)量到的溫度信息，又可以方便地設(shè)置配置參數(shù)，極大增加應(yīng)用的靈活性；④設(shè)計(jì)采用單線圈開路控制模式實(shí)現(xiàn)了自供電無線傳感器取能電路。當(dāng)電壓升高時(shí)，電子開關(guān)是處在開路狀態(tài)下，線圈的電流很小，因此，不會(huì)產(chǎn)生線圈發(fā)熱的問題。同時(shí)利用電壓升高時(shí)，后續(xù)電路與主電路通過電子開關(guān)斷開的方式來控制電壓，使效率大大提高。

1 現(xiàn)有的無線測(cè)溫傳感器系統(tǒng)

1.1 無線信號(hào)中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置

如圖1所示，現(xiàn)有無線測(cè)溫傳感器信號(hào)中繼裝置主要采用直流5V供電，無法直接接入市電，必須采用電源適配器或者其他設(shè)備提供的5V輸出電源供電。采用無線通信模塊接收無線測(cè)溫傳感器發(fā)出的無線信號(hào)，并通過CPU處理后，驅(qū)動(dòng)RS 485通信模塊將溫度采集信息通過雙絞線輸出到監(jiān)控系統(tǒng)[11]。由于沒有人機(jī)接口所以無法設(shè)置參數(shù)，必須出廠前固化好配置信息，才能進(jìn)行通信。

圖1 當(dāng)前無線測(cè)溫傳感器無線信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)中繼裝置框圖

采用傳統(tǒng)的無線測(cè)溫傳感器無線信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)中繼，存在以下缺點(diǎn)。

1）采用弱電直流5V供電，電平低，在受到電磁干擾時(shí)，耐受容限很低，使中繼裝置無法正常 運(yùn)行。

2）用戶必須外部提供外部直流5V電源，增加了硬件成本。

3）如圖1所示，設(shè)計(jì)裝置沒有人機(jī)接口電路，用戶無法在本地觀察到無線溫度傳感器所采集的溫度信息。用戶雖然可以通過相應(yīng)的輔件（如USB轉(zhuǎn)RS 485模塊、無線接收模塊）與筆記本電腦進(jìn)行通信，通過相應(yīng)的配置軟件即可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)定值維護(hù)，但是增大了操作的繁瑣性。同時(shí)，設(shè)備必須在出廠前固化好配置信息（例如RS 485通信地址以及通信波特率等），無法滿足現(xiàn)場(chǎng)靈活組網(wǎng)通信的 要求。

4）只提供RS 485雙絞線通信方式，在用戶布置網(wǎng)絡(luò)線困難的情況下，無法滿足用戶需求（尤其是后期改造安裝項(xiàng)目，再次布置網(wǎng)絡(luò)線施工難度很大。因此用戶多數(shù)情況下拒絕再次施工布線）。

1.2 自供電無線傳感器供電電路

目前，傳統(tǒng)的自供電無線測(cè)溫傳感器供電部分處理電路如圖2所示。其工作原理是采用如下控制方式，環(huán)形鐵心有兩組線圈，其中一組作為供電線圈，另一組為短路線圈。工作原理如下：高壓在流體有電流通過后，產(chǎn)生交流電壓UAC1，經(jīng)過整流電路后對(duì)儲(chǔ)能電容充電。LDO經(jīng)過對(duì)儲(chǔ)能電容電壓進(jìn)行線性變換后供后級(jí)電路供電。當(dāng)電壓超過設(shè)定值時(shí)（VDC電壓不能過高，否則會(huì)損害電子電路），電壓穩(wěn)定反饋電路工作，控制電子開關(guān)導(dǎo)通，使短路線圈通過整流橋短路[12]。由于工作線圈和短路線圈同在一個(gè)鐵心上，短路線圈短路后，鐵心上的磁通基本都降落在短路線圈上，因此工作線圈上的電壓就會(huì)降低。當(dāng)工作線圈電壓降低到設(shè)定值時(shí)，電壓反饋電路控制電子開關(guān)打開，工作線圈產(chǎn)生的電壓升高，對(duì)電容充電，供后續(xù)電路工作。

圖2 當(dāng)前自供電無線測(cè)溫傳感器取能電路框圖

采用傳統(tǒng)的自供電無線測(cè)溫傳感器取能電路，存在以下缺點(diǎn)：①需要在環(huán)形鐵心上纏繞兩組線圈，增加了成本，并多產(chǎn)生了一道工序，降低了生產(chǎn)效率；②由于為了控制工作電壓不能過高，短路線圈始終處在短路、開路交替工作的狀態(tài)下，因此，產(chǎn)生了一個(gè)斷續(xù)的短路電流，該電流在線圈中持續(xù)工作，會(huì)引起線圈發(fā)熱，并且隨著短路電流的升高，發(fā)熱情況越來越嚴(yán)重；③控制效率低。采用短路工作模式，在高壓在流體電流增大、磁場(chǎng)增大時(shí)，該電路必須連讀短接一組線圈，來降低另一組線圈的電壓。該工作電路主要將能量轉(zhuǎn)化為熱量消耗掉，因此效率很低。

2 無線測(cè)溫傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 無線信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)中繼裝置硬件的實(shí)現(xiàn)

該裝置的硬件實(shí)現(xiàn)部分（如圖3所示）：①開關(guān)電源電路和線性電源電路：將市電AC220V變換為5V，然后通過線性電源電路將5V變換為3.3V，為微控制器和其他電路實(shí)用；②無線通信模塊1和模塊2：無線通信模塊1為433MHz無線收發(fā)模塊，而無線通信模塊2為2.4GHz的無線收發(fā)模塊，兩者都可以與CPU進(jìn)行無線數(shù)據(jù)的收發(fā)；③RS 485通信模塊：與CPU進(jìn)行串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，為有線接口電路；④人機(jī)接口電路：主要有LCD液晶顯示屏和按鍵、指示燈等，用戶可以方便地設(shè)定配置信息和讀取傳感器的所測(cè)量出的溫度。

圖3 新型無線測(cè)溫傳感器無線信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)中繼裝置原理電路組成框圖

裝置接入市電AC 220V后，開關(guān)電源電路將電源變換成直流5V弱電，5V再經(jīng)過線性電源降壓成3.3V，供CPU微處器理電路和其他模塊使用。CPU微處理器通過兩個(gè)SPI接口分別和無線通信模塊1與無線通信模塊2連接，CPU驅(qū)動(dòng)兩個(gè)無線模塊分別和無線測(cè)溫傳感器與無線通信服務(wù)器進(jìn)行通信，具體使用哪個(gè)模塊與無線測(cè)溫傳感器和無線通信服務(wù)器通信，取決于用戶的配置信息記錄。同時(shí)，CPU通過串行口UART和RS 485通信模塊進(jìn)行外部485通信總線進(jìn)行通信，外部485通信可以通過通信雙絞線連接到監(jiān)控系統(tǒng)。

CPU電路通過外部總線和IO與人機(jī)界面連接，用戶可以通過LCD屏幕查看到當(dāng)前的設(shè)置信息與無線溫度傳感器通過無線通信傳輸過來的溫度信息，并可以通過按鍵來設(shè)置一些配置參數(shù)和報(bào)警值。

本電路有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）可直接接入市電，無需用戶提供5V電源或電源適配器。由于采用了開關(guān)電源，所以產(chǎn)品的抗干擾性能大大提高。

2）可提供無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，通過增加的一路無線通信模塊，可將采集到的無線測(cè)溫傳感器數(shù)據(jù)，通過新增加的無線通信模塊再次以無線的形式轉(zhuǎn)發(fā) 出去。

3）提供了人機(jī)界面，用戶可以在就地通過無線中繼觀察到通過無線信號(hào)傳輸過來的無線測(cè)溫傳感器測(cè)量到的溫度信息，又可以方便地設(shè)置配置參數(shù)，增大應(yīng)用的靈活性。

2.2 自供電無線傳感器取能電路硬件的實(shí)現(xiàn)

本電路分為整流電路、電子開關(guān)電路、電子開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、穩(wěn)壓與分壓電路、電容儲(chǔ)能池、LDO線性電源電路、電壓穩(wěn)定負(fù)反饋電路，如圖4所示。

圖4 一種新型自供電無線測(cè)溫傳感器取能電路原理圖

本系統(tǒng)采用單線圈開路控制模式。環(huán)形鐵心在高壓載流體的磁場(chǎng)作用下，形成交變磁場(chǎng)。磁場(chǎng)使環(huán)形鐵心的線圈產(chǎn)生交流電壓。交流電壓在整流電路處理后形成直流電壓VDC[13]。電壓VDC經(jīng)過電子開關(guān)后，再經(jīng)過分壓連接到儲(chǔ)能電容上，并作為L(zhǎng)DO的輸入電壓。為控制LDO輸入電壓不超過芯片的規(guī)定值，電壓穩(wěn)定反饋電路始終對(duì)其進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)電壓高過設(shè)定電壓時(shí)，反饋電路控制電子開關(guān)斷開，這是負(fù)載的供電完全依靠電容中的儲(chǔ)能。隨著電容儲(chǔ)能的泄放，電壓in降低。在低于設(shè)定值后，電壓穩(wěn)定反饋電路將電子開關(guān)打開，DC經(jīng)過分壓后對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電，在充電到高壓設(shè)定值后關(guān)閉。由于電容上的電壓不能突變，因此LDO的輸入電壓in是在一定范圍內(nèi)的充電、放電。而LDO的輸出穩(wěn)壓特性，決定了后續(xù)3.3V電壓的穩(wěn)定。

為了保證在后續(xù)電路上電瞬間能起動(dòng)工作，電子開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路中的U1為常閉型的MOSFET型繼電器。在電瞬間，電子開關(guān)打開，對(duì)電容充電。在電容電壓升高到LDO能夠起動(dòng)工作的電壓后，后續(xù)電路開始工作，對(duì)電壓進(jìn)行穩(wěn)定控制。

本電路有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）環(huán)形鐵心線圈只需一組，降低了硬件成本和減少了一道工序，提高了工作效率。

2）采用單線圈開路控制模式，降低了電路的復(fù)雜程度，簡(jiǎn)單可靠。

3）解決了線圈發(fā)熱問題。采用傳統(tǒng)的控制方式，電路在穩(wěn)定運(yùn)行過程中，電子開關(guān)不斷短接線圈，短接線圈處在斷續(xù)的短路模式，產(chǎn)生了一個(gè)變化的短路電流，這個(gè)電流在線圈中持續(xù)發(fā)熱，進(jìn)而引起線圈溫度升高。而本設(shè)計(jì)采用開路控制模式，當(dāng)電壓升高時(shí)，電子開關(guān)處在開路狀態(tài)下，線圈的電流很小。因此，不會(huì)產(chǎn)生線圈發(fā)熱的問題。

4）電路效率大大提高。由于傳統(tǒng)的控制方式是在電壓升高時(shí)短接線圈，將能量完全轉(zhuǎn)化為熱量，而本發(fā)明在電壓升高時(shí)，使后續(xù)電路與主電路通過電子開關(guān)斷開的方式來控制電壓，因此效率極大提高，不會(huì)產(chǎn)生線圈過熱問題，提高了電路效率。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型無線測(cè)溫傳感器控制系統(tǒng)，包括無線信號(hào)中繼裝置和自供電取能電路，主要應(yīng)用在高壓觸頭、母線和電纜頭無線測(cè)溫傳感器系統(tǒng)。其功能包括：①增加了AC/DC開關(guān)電源；②可提供無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，可將采集到的無線測(cè)溫傳感器數(shù)據(jù)，通過新增加的無線通信模塊再次以無線的形式轉(zhuǎn)發(fā)出去；③提供了人機(jī)界面，即可以方便地設(shè)置配置參數(shù)，增大應(yīng)用的靈活性；④設(shè)計(jì)采用單線圈開路控制模式實(shí)現(xiàn)了自供電無線傳感器取能電路。解決了線圈發(fā)熱問題和大大提高電路效率。

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Implementation Analysis of a New Type Self-Powered Wireless Temperature Detecting Sensor Control System

Jiang Wandong1Wang Ye2Shen Keming1Zhou Haitao1Li Caiyong3

(1. Jiangsu State Grid Automation Technology Co., Ltd, Kunshan, Jiangsu 215311；2. Innovative Practice Space of Lishui University, Lishui, Zhejiang 323000；3. Zhuhai Hengrui Electric Power Technology Co., Ltd, Zhuhai, Guangdong 519000)

This paper provides the implementation analysis of a new type self-powered wireless temperature detecting sensor control system, including wireless signal transimt relay system and self-powered circuit. This system will apply in the high-voltage contact, bus and cable head. Comparing with the normal wireless temperature detecting sensor system, the new function is including: ① The developed sensor system can connect the AC 220V through the AC/DC switch, which solves DC 5V powered problem; ② To add wireless communication module, which will transmit the data by wireless communication; ③ To add a visible interface for hanling the parameters; ④ To add a self-powered wirelss control circuit, which can improve the working efficiency.

self-powered; relay; visible interface

該無線測(cè)溫傳感器系統(tǒng)已獲得兩項(xiàng)國家實(shí)用新型專利，實(shí)用新型（專利）號(hào)分別為201420441484.9和201420369820.3。

姜萬東（1980-），男，遼寧省朝陽市人，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及電氣控制系統(tǒng)的開發(fā)及設(shè)計(jì)方面的研究工作。