一种新型自供电无线测温传感器控制系统

姜万东 王 野 沈克明 周海涛 李才勇



一种新型自供电无线测温传感器控制系统

姜万东1王 野2沈克明1周海涛1李才勇3

（1. 江苏国网自控科技股份有限公司，江苏昆山 215311； 2. 丽水学院大学生创新实践空间，浙江丽水 323000； 3. 珠海恒瑞电力科技有限公司，广东珠海 519000）

本文设计实现了一种新型自供电型的无线测温传感器控制系统，包括无线信号转发中继装置及自供电取能电路，主要应用在高压触头、母线和电缆头无线测温传感器系统。与常规无线测温传感器功能相比，新增功能包括：①针对目前常规中继装置主要采用直流5V供电，无法接入市电问题，增加AC/DC开关电源直接接入市电AC220V；②增加了一路无线通信模块，将从无线测温传感器采集到的数据利用无线通信的模式发送出去；③增加了人机接口界面；④增加了自供电无线测温传感器取能电路，提高了工作效率。

自供电；中继；人机接口界面

在工业、电力行业中，电气设备的正常运行保证了社会的正常运作以及人民的正常生活，因此设备的可靠性至关重要。众多企业提倡对设备进行预防性维护，而温度是预防性维护中最重要的监控参数，温度的过高或过低均意味着故障产生的可能性。实现温度在线监测是保证高压设备安全运行的重要手段[1-5]。

面临煤矿、石化、冶金等行业现场作业环境恶劣，布线困难，工作量大以及信号电缆维护成本较高等不足[6-10]，本文设计开发了一种新型无线测温传感器系统，包括无线信号中继装置和自供电取能电路。其功能包括：①增加了AC/DC开关电源，可以直接接入市电，无需用户外部提供直流5V电源或电源适配器；②可提供无线数据转发。可将采集到的无线测温传感器数据，通过新增加的无线通信模块再次以无线的形式转发出去；③提供了人机界面，用户可以就地通过无线中继观察到通过无线信号传输过来的无线测温传感器测量到的温度信息，又可以方便地设置配置参数，极大增加应用的灵活性；④设计采用单线圈开路控制模式实现了自供电无线传感器取能电路。当电压升高时，电子开关是处在开路状态下，线圈的电流很小，因此，不会产生线圈发热的问题。同时利用电压升高时，后续电路与主电路通过电子开关断开的方式来控制电压，使效率大大提高。

1 现有的无线测温传感器系统

1.1 无线信号中继转发装置

如图1所示，现有无线测温传感器信号中继装置主要采用直流5V供电，无法直接接入市电，必须采用电源适配器或者其他设备提供的5V输出电源供电。采用无线通信模块接收无线测温传感器发出的无线信号，并通过CPU处理后，驱动RS 485通信模块将温度采集信息通过双绞线输出到监控系统[11]。由于没有人机接口所以无法设置参数，必须出厂前固化好配置信息，才能进行通信。

图1 当前无线测温传感器无线信号转发中继装置框图

采用传统的无线测温传感器无线信号转发中继，存在以下缺点。

1）采用弱电直流5V供电，电平低，在受到电磁干扰时，耐受容限很低，使中继装置无法正常 运行。

2）用户必须外部提供外部直流5V电源，增加了硬件成本。

3）如图1所示，设计装置没有人机接口电路，用户无法在本地观察到无线温度传感器所采集的温度信息。用户虽然可以通过相应的辅件（如USB转RS 485模块、无线接收模块）与笔记本电脑进行通信，通过相应的配置软件即可实现现场参数定值维护，但是增大了操作的繁琐性。同时，设备必须在出厂前固化好配置信息（例如RS 485通信地址以及通信波特率等），无法满足现场灵活组网通信的 要求。

4）只提供RS 485双绞线通信方式，在用户布置网络线困难的情况下，无法满足用户需求（尤其是后期改造安装项目，再次布置网络线施工难度很大。因此用户多数情况下拒绝再次施工布线）。

1.2 自供电无线传感器供电电路

目前，传统的自供电无线测温传感器供电部分处理电路如图2所示。其工作原理是采用如下控制方式，环形铁心有两组线圈，其中一组作为供电线圈，另一组为短路线圈。工作原理如下：高压在流体有电流通过后，产生交流电压UAC1，经过整流电路后对储能电容充电。LDO经过对储能电容电压进行线性变换后供后级电路供电。当电压超过设定值时（VDC电压不能过高，否则会损害电子电路），电压稳定反馈电路工作，控制电子开关导通，使短路线圈通过整流桥短路[12]。由于工作线圈和短路线圈同在一个铁心上，短路线圈短路后，铁心上的磁通基本都降落在短路线圈上，因此工作线圈上的电压就会降低。当工作线圈电压降低到设定值时，电压反馈电路控制电子开关打开，工作线圈产生的电压升高，对电容充电，供后续电路工作。

图2 当前自供电无线测温传感器取能电路框图

采用传统的自供电无线测温传感器取能电路，存在以下缺点：①需要在环形铁心上缠绕两组线圈，增加了成本，并多产生了一道工序，降低了生产效率；②由于为了控制工作电压不能过高，短路线圈始终处在短路、开路交替工作的状态下，因此，产生了一个断续的短路电流，该电流在线圈中持续工作，会引起线圈发热，并且随着短路电流的升高，发热情况越来越严重；③控制效率低。采用短路工作模式，在高压在流体电流增大、磁场增大时，该电路必须连读短接一组线圈，来降低另一组线圈的电压。该工作电路主要将能量转化为热量消耗掉，因此效率很低。

2 无线测温传感器设计与实现

2.1 无线信号转发中继装置硬件的实现

该装置的硬件实现部分（如图3所示）：①开关电源电路和线性电源电路：将市电AC220V变换为5V，然后通过线性电源电路将5V变换为3.3V，为微控制器和其他电路实用；②无线通信模块1和模块2：无线通信模块1为433MHz无线收发模块，而无线通信模块2为2.4GHz的无线收发模块，两者都可以与CPU进行无线数据的收发；③RS 485通信模块：与CPU进行串行数据的转发，为有线接口电路；④人机接口电路：主要有LCD液晶显示屏和按键、指示灯等，用户可以方便地设定配置信息和读取传感器的所测量出的温度。

图3 新型无线测温传感器无线信号转发中继装置原理电路组成框图

装置接入市电AC 220V后，开关电源电路将电源变换成直流5V弱电，5V再经过线性电源降压成3.3V，供CPU微处器理电路和其他模块使用。CPU微处理器通过两个SPI接口分别和无线通信模块1与无线通信模块2连接，CPU驱动两个无线模块分别和无线测温传感器与无线通信服务器进行通信，具体使用哪个模块与无线测温传感器和无线通信服务器通信，取决于用户的配置信息记录。同时，CPU通过串行口UART和RS 485通信模块进行外部485通信总线进行通信，外部485通信可以通过通信双绞线连接到监控系统。

CPU电路通过外部总线和IO与人机界面连接，用户可以通过LCD屏幕查看到当前的设置信息与无线温度传感器通过无线通信传输过来的温度信息，并可以通过按键来设置一些配置参数和报警值。

本电路有以下优点：

1）可直接接入市电，无需用户提供5V电源或电源适配器。由于采用了开关电源，所以产品的抗干扰性能大大提高。

2）可提供无线数据转发，通过增加的一路无线通信模块，可将采集到的无线测温传感器数据，通过新增加的无线通信模块再次以无线的形式转发 出去。

3）提供了人机界面，用户可以在就地通过无线中继观察到通过无线信号传输过来的无线测温传感器测量到的温度信息，又可以方便地设置配置参数，增大应用的灵活性。

2.2 自供电无线传感器取能电路硬件的实现

本电路分为整流电路、电子开关电路、电子开关驱动电路、稳压与分压电路、电容储能池、LDO线性电源电路、电压稳定负反馈电路，如图4所示。

图4 一种新型自供电无线测温传感器取能电路原理图

本系统采用单线圈开路控制模式。环形铁心在高压载流体的磁场作用下，形成交变磁场。磁场使环形铁心的线圈产生交流电压。交流电压在整流电路处理后形成直流电压VDC[13]。电压VDC经过电子开关后，再经过分压连接到储能电容上，并作为LDO的输入电压。为控制LDO输入电压不超过芯片的规定值，电压稳定反馈电路始终对其进行监视，当电压高过设定电压时，反馈电路控制电子开关断开，这是负载的供电完全依靠电容中的储能。随着电容储能的泄放，电压in降低。在低于设定值后，电压稳定反馈电路将电子开关打开，DC经过分压后对储能电容进行充电，在充电到高压设定值后关闭。由于电容上的电压不能突变，因此LDO的输入电压in是在一定范围内的充电、放电。而LDO的输出稳压特性，决定了后续3.3V电压的稳定。

为了保证在后续电路上电瞬间能起动工作，电子开关的驱动电路中的U1为常闭型的MOSFET型继电器。在电瞬间，电子开关打开，对电容充电。在电容电压升高到LDO能够起动工作的电压后，后续电路开始工作，对电压进行稳定控制。

本电路有如下优点：

1）环形铁心线圈只需一组，降低了硬件成本和减少了一道工序，提高了工作效率。

2）采用单线圈开路控制模式，降低了电路的复杂程度，简单可靠。

3）解决了线圈发热问题。采用传统的控制方式，电路在稳定运行过程中，电子开关不断短接线圈，短接线圈处在断续的短路模式，产生了一个变化的短路电流，这个电流在线圈中持续发热，进而引起线圈温度升高。而本设计采用开路控制模式，当电压升高时，电子开关处在开路状态下，线圈的电流很小。因此，不会产生线圈发热的问题。

4）电路效率大大提高。由于传统的控制方式是在电压升高时短接线圈，将能量完全转化为热量，而本发明在电压升高时，使后续电路与主电路通过电子开关断开的方式来控制电压，因此效率极大提高，不会产生线圈过热问题，提高了电路效率。

3 结论

本文设计开发了一种新型无线测温传感器控制系统，包括无线信号中继装置和自供电取能电路，主要应用在高压触头、母线和电缆头无线测温传感器系统。其功能包括：①增加了AC/DC开关电源；②可提供无线数据转发，可将采集到的无线测温传感器数据，通过新增加的无线通信模块再次以无线的形式转发出去；③提供了人机界面，即可以方便地设置配置参数，增大应用的灵活性；④设计采用单线圈开路控制模式实现了自供电无线传感器取能电路。解决了线圈发热问题和大大提高电路效率。

[1] 任元元. 一种无线温度传感器网络的设计与实现[D]. 太原: 山西大学, 2010: 1-2.

[2] 杨红光. 基于物联网的无线测温系统设计[D]. 济南: 山东大学, 2013: 2-3.

[3] 刘国巍. 低功耗无线温度传感器的设计与实现[J]. 工矿自动化, 2007(4): 72-74.

[4] 章俊伟. 高压开关柜小型化、自供电、无线测温系统设计[D]. 太原: 中北大学, 2015.

[5] 陈强, 李庆民, 丛浩熹, 等. 基于多点分布式光纤光栅的GIS隔离开关触头温度在线监测技术[J]. 电工技术学报, 2015, 30(12): 298-306.

[6] 罗一镔, 杨元凯, 殷青义, 等. 基于无线温度传感器的实时远程测温技术研究[J]. 机电信息, 2014(6): 92-93.

[7] 吕鑫, 吴瑞春, 申洁. 高压带电设备无线测温系统的设计与应用[J]. 河北电力技术, 2013(1): 47-49.

[8] 吴必瑞, 谢善娟. 一种变压器温度的无线监测系统设计[J]. 电气技术, 2015, 16(11): 61-63.

[9] 余海涛. 高压变电站无线自动测温控制系统研究[D]. 天津: 天津大学, 2007.

[10] 邓世杰. 中置式开关柜的无线测温方法[J]. 高压电器, 2010, 46(11): 99-102.

[11] 袁晓东. 高压开关柜的无源无线温度监测系统的研究与设计[D]. 上海: 东华大学, 2013.

[12] 杨伟. 电气接点温度在线监测解决方案[J]. 电气技术, 2014, 15(1): 135-136.

[13] 万萌, 应展烽, 张旭东, 等. 功率器件集总参数热路模型及其参数提取研究[J]. 电工技术学报, 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

该无线测温传感器系统已获得两项国家实用新型专利，实用新型（专利）号分别为201420441484.9和201420369820.3。

姜万东（1980-），男，辽宁省朝阳市人，硕士研究生，主要从事电力系统继电保护及电气控制系统的开发及设计方面的研究工作。