一種新型自供電無線測溫傳感器控制系統

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溫傳感器控制系統

姜萬東1王 野2沈克明1周海濤1李才勇3

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

本文設計實現了一種新型自供電型的無線測溫傳感器控制系統，包括無線信號轉發中繼裝置及自供電取能電路，主要應用在高壓觸頭、母線和電纜頭無線測溫傳感器系統。與常規無線測溫傳感器功能相比，新增功能包括：①針對目前常規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，將從無線測溫傳感器采集到的數據利用無線通信的模式發送出去；③增加了人機接口界面；④增加了自供電無線測溫傳感器取能電路，提高了工作效率。

自供電；中繼；人機接口界面

在工業、電力行業中，電氣設備的正常運行保證了社會的正常運作以及人民的正常生活，因此設備的可靠性至關重要。眾多企業提倡對設備進行預防性維護，而溫度是預防性維護中最重要的監控參數，溫度的過高或過低均意味著故障產生的可能性。實現溫度在線監測是保證高壓設備安全運行的重要手段[1-5]。

面臨煤礦、石化、冶金等行業現場作業環境惡劣，布線困難，工作量大以及信號電纜維護成本較高等不足[6-10]，本文設計開發了一種新型無線測溫傳感器系統，包括無線信號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可提供無線數據轉發。可將采集到的無線測溫傳感器數據，通過新增加的無線通信模塊再次以無線的形式轉發出去；③提供了人機界面，用戶可以就地通過無線中繼觀察到通過無線信號傳輸過來的無線測溫傳感器測量到的溫度信息，又可以方便地設置配置參數，極大增加應用的靈活性；④設計采用單線圈開路控制模式實現了自供電無線傳感器取能電路。當電壓升高時，電子開關是處在開路狀態下，線圈的電流很小，因此，不會產生線圈發熱的問題。同時利用電壓升高時，后續電路與主電路通過電子開關斷開的方式來控制電壓，使效率大大提高。

1 現有的無線測溫傳感器系統

1.1 無線信號中繼轉發裝置

如圖1所示，現有無線測溫傳感器信號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備提供的5V輸出電源供電。采用無線通信模塊接收無線測溫傳感器發出的無線信號，并通過CPU處理后，驅動RS 485通信模塊將溫度采集信息通過雙絞線輸出到監控系統[11]。由于沒有人機接口所以無法設置參數，必須出廠前固化好配置信息，才能進行通信。

圖1 當前無線測溫傳感器無線信號轉發中繼裝置框圖

采用傳統的無線測溫傳感器無線信號轉發中繼，存在以下缺點。

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

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，設計裝置沒有人機接口電路，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的輔件（如USB轉RS 485模塊、無線接收模塊）與筆記本電腦進行通信，通過相應的配置軟件即可實現現場參數定值維護，但是增大了操作的繁瑣性。同時，設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），無法滿足現場靈活組網通信的 要求。

4）只提供RS 485雙絞線通信方式，在用戶布置網絡線困難的情況下，無法滿足用戶需求（尤其是后期改造安裝項目，再次布置網絡線施工難度很大。因此用戶多數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，傳統的自供電無線測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，產生交流電壓UAC1，經過整流電路后對儲能電容充電。LDO經過對儲能電容電壓進行線性變換后供后級電路供電。當電壓超過設定值時（VDC電壓不能過高，否則會損害電子電路），電壓穩定反饋電路工作，控制電子開關導通，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降低。當工作線圈電壓降低到設定值時，電壓反饋電路控制電子開關打開，工作線圈產生的電壓升高，對電容充電，供后續電路工作。

圖2 當前自供電無線測溫傳感器取能電路框圖

采用傳統的自供電無線測溫傳感器取能電路，存在以下缺點：①需要在環形鐵心上纏繞兩組線圈，增加了成本，并多產生了一道工序，降低了生產效率；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下，因此，產生了一個斷續的短路電流，該電流在線圈中持續工作，會引起線圈發熱，并且隨著短路電流的升高，發熱情況越來越嚴重；③控制效率低。采用短路工作模式，在高壓在流體電流增大、磁場增大時，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化為熱量消耗掉，因此效率很低。

2 無線測溫傳感器設計與實現

2.1 無線信號轉發中繼裝置硬件的實現

該裝置的硬件實現部分（如圖3所示）：①開關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無線收發模塊，而無線通信模塊2為2.4GHz的無線收發模塊，兩者都可以與CPU進行無線數據的收發；③RS 485通信模塊：與CPU進行串行數據的轉發，為有線接口電路；④人機接口電路：主要有LCD液晶顯示屏和按鍵、指示燈等，用戶可以方便地設定配置信息和讀取傳感器的所測量出的溫度。

圖3 新型無線測溫傳感器無線信號轉發中繼裝置原理電路組成框圖

裝置接入市電AC 220V后，開關電源電路將電源變換成直流5V弱電，5V再經過線性電源降壓成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驅動兩個無線模塊分別和無線測溫傳感器與無線通信服務器進行通信，具體使用哪個模塊與無線測溫傳感器和無線通信服務器通信，取決于用戶的配置信息記錄。同時，CPU通過串行口UART和RS 485通信模塊進行外部485通信總線進行通信，外部485通信可以通過通信雙絞線連接到監控系統。

CPU電路通過外部總線和IO與人機界面連接，用戶可以通過LCD屏幕查看到當前的設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置一些配置參數和報警值。

本電路有以下優點：

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

2）可提供無線數據轉發，通過增加的一路無線通信模塊，可將采集到的無線測溫傳感器數據，通過新增加的無線通信模塊再次以無線的形式轉發 出去。

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

2.2 自供電無線傳感器取能電路硬件的實現

本電路分為整流電路、電子開關電路、電子開關驅動電路、穩壓與分壓電路、電容儲能池、LDO線性電源電路、電壓穩定負反饋電路，如圖4所示。

圖4 一種新型自供電無線測溫傳感器取能電路原理圖

本系統采用單線圈開路控制模式。環形鐵心在高壓載流體的磁場作用下，形成交變磁場。磁場使環形鐵心的線圈產生交流電壓。交流電壓在整流電路處理后形成直流電壓VDC[13]。電壓VDC經過電子開關后，再經過分壓連接到儲能電容上，并作為LDO的輸入電壓。為控制LDO輸入電壓不超過芯片的規定值，電壓穩定反饋電路始終對其進行監視，當電壓高過設定電壓時，反饋電路控制電子開關斷開，這是負載的供電完全依靠電容中的儲能。隨著電容儲能的泄放，電壓in降低。在低于設定值后，電壓穩定反饋電路將電子開關打開，DC經過分壓后對儲能電容進行充電，在充電到高壓設定值后關閉。由于電容上的電壓不能突變，因此LDO的輸入電壓in是在一定范圍內的充電、放電。而LDO的輸出穩壓特性，決定了后續3.3V電壓的穩定。

為了保證在后續電路上電瞬間能起動工作，電子開關的驅動電路中的U1為常閉型的MOSFET型繼電器。在電瞬間，電子開關打開，對電容充電。在電容電壓升高到LDO能夠起動工作的電壓后，后續電路開始工作，對電壓進行穩定控制。

本電路有如下優點：

1）環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，降低了電路的復雜程度，簡單可靠。

3）解決了線圈發熱問題。采用傳統的控制方式，電路在穩定運行過程中，電子開關不斷短接線圈，短接線圈處在斷續的短路模式，產生了一個變化的短路電流，這個電流在線圈中持續發熱，進而引起線圈溫度升高。而本設計采用開路控制模式，當電壓升高時，電子開關處在開路狀態下，線圈的電流很小。因此，不會產生線圈發熱的問題。

4）電路效率大大提高。由于傳統的控制方式是在電壓升高時短接線圈，將能量完全轉化為熱量，而本發明在電壓升高時，使后續電路與主電路通過電子開關斷開的方式來控制電壓，因此效率極大提高，不會產生線圈過熱問題，提高了電路效率。

3 結論

本文設計開發了一種新型無線測溫傳感器控制系統，包括無線信號中繼裝置和自供電取能電路，主要應用在高壓觸頭、母線和電纜頭無線測溫傳感器系統。其功能包括：①增加了AC/DC開關電源；②可提供無線數據轉發，可將采集到的無線測溫傳感器數據，通過新增加的無線通信模塊再次以無線的形式轉發出去；③提供了人機界面，即可以方便地設置配置參數，增大應用的靈活性；④設計采用單線圈開路控制模式實現了自供電無線傳感器取能電路。解決了線圈發熱問題和大大提高電路效率。

[1] 任元元. 一種無線溫度傳感器網絡的設計與實現[D]. 太原: 山西大學, 2010: 1-2.

[2] 楊紅光. 基于物聯網的無線測溫系統設計[D]. 濟南: 山東大學, 2013: 2-3.

[3] 劉國巍. 低功耗無線溫度傳感器的設計與實現[J]. 工礦自動化, 2007(4): 72-74.

[4] 章俊偉. 高壓開關柜小型化、自供電、無線測溫系統設計[D]. 太原: 中北大學, 2015.

[5] 陳強, 李慶民, 叢浩熹, 等. 基于多點分布式光纖光柵的GIS隔離開關觸頭溫度在線監測技術[J]. 電工技術學報, 2015, 30(12): 298-306.

[6] 羅一鑌, 楊元凱, 殷青義, 等. 基于無線溫度傳感器的實時遠程測溫技術研究[J]. 機電信息, 2014(6): 92-93.

[7] 呂鑫, 吳瑞春, 申潔. 高壓帶電設備無線測溫系統的設計與應用[J]. 河北電力技術, 2013(1): 47-49.

[8] 吳必瑞, 謝善娟. 一種變壓器溫度的無線監測系統設計[J]. 電氣技術, 2015, 16(11): 61-63.

[9] 余海濤. 高壓變電站無線自動測溫控制系統研究[D]. 天津: 天津大學, 2007.

[10] 鄧世杰. 中置式開關柜的無線測溫方法[J]. 高壓電器, 2010, 46(11): 99-102.

[11] 袁曉東. 高壓開關柜的無源無線溫度監測系統的研究與設計[D]. 上海: 東華大學, 2013.

[12] 楊偉. 電氣接點溫度在線監測解決方案[J]. 電氣技術, 2014, 15(1): 135-136.

[13] 萬萌, 應展烽, 張旭東, 等. 功率器件集總參數熱路模型及其參數提取研究[J]. 電工技術學報, 2015, 30(21): 31-38.

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

該無線測溫傳感器系統已獲得兩項國家實用新型專利，實用新型（專利）號分別為201420441484.9和201420369820.3。

姜萬東（1980-），男，遼寧省朝陽市人，碩士研究生，主要從事電力系統繼電保護及電氣控制系統的開發及設計方面的研究工作。