自取能無線溫度監測系統設計

高興軍 李子健 張志東 李永彬 潘迪峰

摘要：溫度傳感器是自取能無線溫度監測系統的重要組成部分。隨著微機電技術、傳感技術的發展，體積小、功耗低、成本低的傳感器逐漸成為市場的主流。傳統的傳感器采用電池供電，而電池容量和續航能力有限，且在特殊環境下不易維護更換。 針對目前存在的問題，本設計采用將輸電線周圍環境能量進行采集并轉換成電能以突破傳感器的供電瓶頸，設計了相應的電源管理電路，對自供電溫度傳感器進行分析，研究溫度傳感器的分類并進行選擇，采用開關電路為溫度傳感器供電，進行傳感器的驅動實驗并測量溫度變化曲線。

關鍵詞：自取能;溫度;無線監測系統

1 自取能無線溫度監測系統

溫度傳感器系統由低功耗溫度傳感器、電源管理模塊和隔離變壓器組成。這些分布在各個電網區域的溫度傳感器感知外界溫度變化并收集監測對象的信息，通過隔離變壓器將數據傳輸到安全區域以外。可以在保證電網安全運行的情況下連續監測其覆蓋區域內的溫度值。溫度傳感器系統框圖如圖1 所示。

2 溫度傳感器的硬件選擇

傳感器主要由三部分組成，傳感單元選擇的是熱敏電阻 MF5A-503。隔離變壓器 T2 耐壓為 10kV，工作頻率為 10Hz～40kHz，匝數比為 2：3。電源單元使用的是電場換能器通過電源管理電路對溫度傳感器供電。

與模擬溫度傳感器相比，熱敏電阻具有體積小，反應速度快，成本低，可以對其進行交流供電，并且功耗低等優勢。熱敏電阻廣泛用于空調設備，暖氣設備， 醫療儀器，溫控儀表中的溫度傳感器。

傳感器發展應用的一個關鍵性問題就是大批傳感器分布在被電網監測區域，不方便使用電池，電池的壽命有限，需要定期地維護更換，進而耗費很大的財力物力和人力，嚴重制約了傳感器的智能化。自供能技術通過采集輸電線周圍環境能量為傳感器供電成為一個研究熱點。然而，其采用的無線傳感網絡節點中的模擬溫度傳感器需要直流供電，信號處理和信號發射都需要毫瓦量級的功耗。由于能量采集的功率較低，所以只能通過超級電容累計能量間斷性地給傳感器供電，造成了傳感器工作的不連續性，并引入了超級電容、充電電池等元件降低了系統的安全性和可靠性。本文設計的熱敏電阻溫度傳感器采用環境中的電場能自供電。能量采集電路采集分布在輸電線周圍的電場能量并將其轉換為電能，經管理電路對傳感器供電，在保證電網安全運行和傳感器系統穩定的情況下，無需大電容和外接電源就能使溫度傳感器正常工作。

3 溫度傳感器驅動實驗

用晶振將換能器采集到的能量進行存儲，利用 SPDT 開關切換將電能釋放，輸出交流電供傳感器工作。前面研究了自供電溫度傳感器的電源管理電路，下面對電路的驅動能量進行實驗測試。

當輸電線對地有電勢差時，電線周圍會產生交變的空間電場，經過電場能量采集器將電場能轉換為電能。頻率變換電路將電路的主頻率由低頻變換至高頻，以保證后續電路可以正常工作，開關電路間隙性放電，驅動溫度傳感器正常工作。

4 溫度傳感器的輸出特性

將溫度傳感器單獨置于高低溫濕熱交變試驗箱中，調節高低溫濕熱交變試驗箱溫度從-10 C 遞增到 100 C ，通過溫度測量電路測得溫度與隔離變壓器 T2 次級兩端輸出電壓的關系如圖2所示。

由圖 2可知，高低溫濕熱交變試驗箱內溫度從-10 C 變化到 100 C 的過程當中，測量 Vout 兩端電壓峰峰值從 24Vpp 變化至 2.72Vpp。因此通過分析測量 Vout 的輸出電壓，可實現對溫度的測量。

結束語

本文對自取能無線溫度監測系統進行了簡要的概述，對溫度傳感器的硬件選擇進行了描述。系統采用電場能量采集器對高壓輸電線周圍的電場能量進行采集。電場能量采集器是通過電路分壓的形式將電場能量轉換為電能，然后通過無電解電容和可充電電池的電源管理電路為溫度傳感器供電，從而實現在無需外接電源的情況下使溫度傳感器節點能夠穩定、高效地工作。