利用环境余热供电的无线温度测量系统设计

第３１卷第６期２０１８年６月

传感技术学报

ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＥＮＳＯＲＳＡＮＤＡＣＴＵＡＴＯＲＳ

Ｖｏｌ ３１㊀Ｎｏ ６Ｊｕｎｅ２０１８

项目来源:贵州省基础研究重大项目(黔科合ＪＺ字[２０１４]２００１)收稿日期:２０１７－１１－２９㊀㊀修改日期:２０１８－０２－２８

ＤｅｓｉｇｎｏｆａＷｉｒｅｌｅｓｓＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍ

ＰｏｗｅｒｅｄｂｙＡｍｂｉｅｎｔＴｈｅｒｍａｌＥｎｅｒｇｙ∗

ＹＡＮＧＣｈａｏｌｅｉꎬＷＡＮＧＭｉｎｈｕｉ∗ꎬＷＡＮＧＷｕ

(ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＧｕｉｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＧｕｉｙａｎｇ５５００２５ꎬＣｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｍｅａｓｕｒｉｎｇｎｏｄｅｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｉｎｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ.Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍꎬａｍｅｔｈｏｄｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｐｒｏｖｉｄｅｐｏｗｅｒｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｍｅａｓｕｒｉｎｇｎｏｄｅｓｂｙｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇａｍｂｉｅｎｔｔｈｅｒｍａｌｅｎｅｒｇｙｆｒｏｍｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｓｉｔｅａｎｄｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇｉｔｉｎｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｎｅｒｇｙｉｎ

ｔｈｉｓｐａｐｅｒ.Ａｗｉｒｅｌｅｓｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇｏｆｓｅｖｅｒａｌｗｉｒｅｌｅｓｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｎｏｄｅｓ

ａｎｄａＳｉｎｋｎｏｄｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ.ＴｈｅｗｉｒｅｌｅｓｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｎｏｄｅｃｏｎｔａｉｎｓａＣＣ２５３０ｐｒｏｃｅｓｓｏｒꎬａｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒａｎｄａｎｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｍｏｄｕｌｅꎬｅｔｃ.Ｔｈｅｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｍｏｄｕｌｅｃｏｌｌｅｃｔｓａｍｂｉｅｎｔｈｅａｔｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｈｉｐｓａｎｄａｐｏｗｅｒｍａｎａｇｅｍｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｃｏｎｖｅｒｔｓｔｈｅｏｕｔｐｕｔｏｆｔｈｅｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｈｉｐｔｏａ３.３Ｖｖｏｌｔａｇｅｔｏｐｏｗｅｒｔｈｅｗｉｒｅｌｅｓｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｎｏｄｅ.ＬＴＣ３１０９ｉｓｔｈｅｍａｉｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｍａｎａｇｅｍｅｎｔｃｉｒ￣ｃｕｉｔ.ＡｓｏｆｔｗａｒｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｄｉｓｐｌａｙａｎｄｓａｖｅｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄａｔａｏｆｅａｃｈｍｅａｓｕｒｉｎｇｎｏｄｅｒｅｃｅｉｖｅｄｂｙｔｈｅＳｉｎｋｎｏｄｅｉｎｒｅａｌｔｉｍｅ.Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｍｏｄｕｌｅｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｐｏｗｅｒｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｔｅｍ￣ｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｎｏｄｅｓｕｎｄｅｒｃｅｒｔａｉｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎬａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｏｌｕｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｍｅａｓｕｒｉｎｇｎｏｄｅｓ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔꎻｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍꎻＺｉｇＢｅｅꎻｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＥＥＡＣＣ:７２１０ꎻ６１５０Ｐ㊀㊀㊀㊀ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００４－１６９９.２０１８.０６.０２７

利用环境余热供电的无线温度测量系统设计∗

杨朝磊ꎬ王民慧∗ꎬ王㊀武

(贵州大学电气工程学院ꎬ贵阳５５００２５)

摘㊀要:无线测量节点的供电是无线测量系统在实际应用中受限制的主要问题之一ꎮ为解决此问题提出了一种收集工业生

产现场环境余热并转换成电能为无线测量节点供电的方法ꎮ设计了由多个无线温度测量节点和一个Ｓｉｎｋ节点组成的无线温度测量系统ꎮ无线温度测量节点以ＣＣ２５３０为核心处理器ꎬ用热电偶测量温度ꎬ节点电源由能量收集模块供给ꎮ能量收集模块用热电片收集环境余热ꎬ以ＬＴＣ３１０９为核心构成电源管理模块从而获得３.３Ｖ输出电压ꎮ设计了上位机软件实时显示和保存Ｓｉｎｋ节点收到的各测温节点的温度数据ꎮ实验表明ꎬ在一定环境条件下能量收集模块可以为无线温度测量节点提供工作电源ꎬ为无线测量节点供电提供了一种参考解决方案ꎮ

关键词:能量收集ꎻ温度测量系统ꎻＺｉｇＢｅｅꎻ无线通信

中图分类号:ＴＰ２７７ꎻＴＮ９２㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１００４－１６９９(２０１８)０６－０９７５－０６㊀㊀在２０世纪中期ꎬ随着半导体技术的发展和革新ꎬ半导体温差发电技术开始应用于航天㊁医疗等尖

端领域中ꎬ而在工业和民用产业等领域却鲜有实际应用ꎮ在一些特殊的工业环境中ꎬ需要对现场某些工艺设备如工业炉窑㊁旋转反应炉等进行温度检测ꎬ这些工艺设备本身会产生大量的工业余热ꎬ环境温

度高ꎬ检测环境复杂ꎬ传统的有线供电测温方式存在着供电电缆的铺设㊁拆卸和维护不便的问题ꎬ已经不能满足此种工业环境下的生产操作要求ꎮ此外ꎬ采用电池供电的无线测温装置或仪器不适合长时间近距离工作在温度较高的一些工业场合ꎬ而且这种测温方式需要定期更换电池ꎬ会影响连续生产ꎬ这些缺

传㊀感㊀技㊀术㊀学㊀报ｗｗｗ.ｃｈｉｎａｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ.ｃｏｍ

第３１卷

陷使得这类测温装置或仪器在一些环境温度较高场合的应用受到了限制ꎮ针对以上问题ꎬ本文研究和设计了一种能自动收集周围环境中的热量并利用该能量为无线温度测量电路供电的测温装置[１]ꎬ该装置利用半导体温差材料的赛贝克效应将环境余热转换为电能ꎬ作为温度检测装置的电源[２]ꎮ检测装置功耗极低ꎬ所需能量相对于工艺设备内部高温环境来说极其微小ꎬ对受检测的温度场几乎无影响ꎮ同时ꎬ针对该装置研究和设计了一种基于ＺｉｇＢｅｅ技术的低功耗多传感器网络[３]ꎬ传感器网络的数据最终上传到上位机系统保存ꎬ供后续查阅和分析ꎮ

１㊀无线温度测量系统组成

利用环境余热供电的无线温度测量系统主要由温度测量节点和Ｓｉｎｋ节点㊁上位机系统组成ꎮ温度测量节点整体框图如图１所示ꎬ温度测量节点主要由热电偶温度传感器㊁调理电路模块㊁ＣＣ２５３０(ＭＣＵ＋射频)模块以及热电转换单元㊁电源管理电路模块组成ꎮ热电转换单元用于将环境热能转换为电能ꎬ进而通过电源管理电路进行稳压处理后给调理电路模块以及ＣＣ２５３０模块供电ꎮ同时ꎬＣＣ２５３０模块将采集到的温度数据以无线的方式发送给Ｓｉｎｋ节点

ꎮ

图１㊀

无线温度测量节点整体框图

图２㊀Ｓｉｎｋ节点与上位机连接原理框图

Ｓｉｎｋ节点主要由ＣＣ２５３０模块㊁ＵＳＢ转串口模

块组成ꎬＳｉｎｋ节点作为数据收集终端负责接收各温度测量节点发送的温度数据ꎬ并通过串口将数据传送至上位机进行集中监测和管理ꎬＳｉｎｋ节点与上位机连接原理框图如图２所示ꎮＳｉｎｋ节点是ＺｉｇＢｅｅ

无线网络的中心ꎬ负责网络的建立和维护工作ꎬ不具备休眠功能ꎬ其电源模块由ＰＣ机的ＵＳＢ口供电ꎬ进而为由ＣＣ２５３０模块和ＵＳＢ转串口模块分别提供

３.３Ｖ和５.０Ｖ电源ꎮ

２㊀系统硬件电路设计

系统硬件电路包括无线温度测量节点硬件电路和Ｓｉｎｋ节点硬件电路ꎮ无线温度测量节点电路主要由环境热能收集与电源管理单元㊁温度信号调理与无线发送单元组成ꎮＳｉｎｋ节点电路主要为ＣＣ２５３０与ＣＨ４３０接口的ＵＳＢ转串口电路ꎮ

２.１㊀环境热能收集与电源管理热电转换单元主要实现对环境热能的收集ꎮ本设计利用一组半导体热电片从存在热源的环境中获取能量ꎬ每个热电片共有１２７个电偶对ꎬ只要环境中存在热源并且使其两端产生一定温差ꎬ就能在热电片的输出端产生赛贝克电动势Ｖ０[４－６]ꎬ将此电动势Ｖ０输出到电源管理单元进行整流㊁放大和稳压后即可对

其他模块供能ꎮ典型的热电转换器模型如图３所示

ꎮ图３㊀热电转换器模型

该热电发电器的总热电器件数包括串联的热电器件数ＮＳ和并联的热电器件数ＮＰꎮ则总的热电器件数ＮＴ为:

ＮＴ＝ＮＳˑＮＰ

通过负载ＲＬ的电流Ｉ(单位Α)为:

Ｉ＝ＮＳˑＳＭˑＤＴＮＳ

ＮＰˑＲＭ＋ＲＬ(１)

负载ＲＬ的功率Ｐ０(单位:Ｗ)为:

Ｐ０＝Ｉ２

ˑＲＬ＝

(ＮＳˑＳＭˑＤＴ)２ˑＲＬＮＳＮＰˑＲＭ＋ＲＬæèçö

ø

÷２

(２)

当ＲＬ＝

ＮＳ

ＮＰ

ˑＲＭ时ꎬＰ０达到最大值:Ｐ０ＭＡＸ＝

ＮＴˑ(ＳＭˑＤＴ)２

４ＲＭ

式中:ＲＭ为热电器平均内阻(单位为Ω)㊁ＳＭ为器件平均塞贝克系数(单位为Ｖ/Ｋ)㊁ＤＴ为热电器热端与冷端的温差(单位为Ｋ)ꎮ

热电片的内部结构示意图如图４所示ꎬ上㊁下陶

瓷材料为氧化铝陶瓷ꎬ上㊁下导流片的材料为铜ꎮ

６

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