自取能无线温度监测系统设计

高兴军 李子健 张志东 李永彬 潘迪峰

摘要：温度传感器是自取能无线温度监测系统的重要组成部分。随着微机电技术、传感技术的发展，体积小、功耗低、成本低的传感器逐渐成为市场的主流。传统的传感器采用电池供电，而电池容量和续航能力有限，且在特殊环境下不易维护更换。 针对目前存在的问题，本设计采用将输电线周围环境能量进行采集并转换成电能以突破传感器的供电瓶颈，设计了相应的电源管理电路，对自供电温度传感器进行分析，研究温度传感器的分类并进行选择，采用开关电路为温度传感器供电，进行传感器的驱动实验并测量温度变化曲线。

关键词：自取能;温度;无线监测系统

1 自取能无线温度监测系统

温度传感器系统由低功耗温度传感器、电源管理模块和隔离变压器组成。这些分布在各个电网区域的温度传感器感知外界温度变化并收集监测对象的信息，通过隔离变压器将数据传输到安全区域以外。可以在保证电网安全运行的情况下连续监测其覆盖区域内的温度值。温度传感器系统框图如图1 所示。

2 温度传感器的硬件选择

传感器主要由三部分组成，传感单元选择的是热敏电阻 MF5A-503。隔離变压器 T2 耐压为 10kV，工作频率为 10Hz～40kHz，匝数比为 2：3。电源单元使用的是电场换能器通过电源管理电路对温度传感器供电。

与模拟温度传感器相比，热敏电阻具有体积小，反应速度快，成本低，可以对其进行交流供电，并且功耗低等优势。热敏电阻广泛用于空调设备，暖气设备， 医疗仪器，温控仪表中的温度传感器。

传感器发展应用的一个关键性问题就是大批传感器分布在被电网监测区域，不方便使用电池，电池的寿命有限，需要定期地维护更换，进而耗费很大的财力物力和人力，严重制约了传感器的智能化。自供能技术通过采集输电线周围环境能量为传感器供电成为一个研究热点。然而，其采用的无线传感网络节点中的模拟温度传感器需要直流供电，信号处理和信号发射都需要毫瓦量级的功耗。由于能量采集的功率较低，所以只能通过超级电容累计能量间断性地给传感器供电，造成了传感器工作的不连续性，并引入了超级电容、充电电池等元件降低了系统的安全性和可靠性。本文设计的热敏电阻温度传感器采用环境中的电场能自供电。能量采集电路采集分布在输电线周围的电场能量并将其转换为电能，经管理电路对传感器供电，在保证电网安全运行和传感器系统稳定的情况下，无需大电容和外接电源就能使温度传感器正常工作。

3 温度传感器驱动实验

用晶振将换能器采集到的能量进行存储，利用 SPDT 开关切换将电能释放，输出交流电供传感器工作。前面研究了自供电温度传感器的电源管理电路，下面对电路的驱动能量进行实验测试。

当输电线对地有电势差时，电线周围会产生交变的空间电场，经过电场能量采集器将电场能转换为电能。频率变换电路将电路的主频率由低频变换至高频，以保证后续电路可以正常工作，开关电路间隙性放电，驱动温度传感器正常工作。

4 温度传感器的输出特性

将温度传感器单独置于高低温湿热交变试验箱中，调节高低温湿热交变试验箱温度从-10 C 递增到 100 C ，通过温度测量电路测得温度与隔离变压器 T2 次级两端输出电压的关系如图2所示。

由图 2可知，高低温湿热交变试验箱内温度从-10 C 变化到 100 C 的过程当中，测量 Vout 两端电压峰峰值从 24Vpp 变化至 2.72Vpp。因此通过分析测量 Vout 的输出电压，可实现对温度的测量。

结束语

本文对自取能无线温度监测系统进行了简要的概述，对温度传感器的硬件选择进行了描述。系统采用电场能量采集器对高压输电线周围的电场能量进行采集。电场能量采集器是通过电路分压的形式将电场能量转换为电能，然后通过无电解电容和可充电电池的电源管理电路为温度传感器供电，从而实现在无需外接电源的情况下使温度传感器节点能够稳定、高效地工作。