CN102353473A

CN102353473A - 基于声表面波的无线传感器网络远程温度在线监测系统

Info

Publication number: CN102353473A
Application number: CN2011101715258A
Authority: CN
Inventors: 曾德华; 彭作良; 胡小林; 王权
Original assignee: CHENGSU SAIKANG INFORMATION TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2011-06-23
Filing date: 2011-06-23
Publication date: 2012-02-15

Abstract

本发明涉及基于声表面波的无线传感器网络远程温度在线监测系统，温度采集器定期发射温度探询射频信号，温度探询射频信号被温度传感器接收。温度传感器将温度探询射频信号转换成同频声表面波，温度传感器传播声表面波，在传播过程中受温度影响声表面波的频率发生变化，温度传感器将接收到的调制的声表面波转换成带有温度信息的射频信号，温度传感器将带有温度信息的射频信号发射给所述温度采集器，温度采集器对采集到的带有温度信息的射频信号进行处理后解析出测量点的温度信息，温度采集器经通信将温度信息给温度监测仪，温度监测仪显示温度相关信息；测温主控终端负责汇集区域内的温度采集器采集的温度信息上传至主站系统实现远程监测温度。

Description

基于声表面波的无线传感器网络远程温度在线监测系统

技术领域

本发明涉及无线传感器领域，特别涉及基于声表面波的无线传感器网络远程温度在线监测系统。

背景技术

电力行业中存在数量众多的重要设备。在长期运行过程中，这些设备部分触点和连接部位因老化或接触电阻过大发热，其温度如无法实时监测和及时控制很可能最终导致事故发生。实现温度在线监测是保证设备安全运行的重要手段。

目前国内外测温技术比较多，常规的热电偶、热电阻、半导体温度传感器等测温方式，需要金属导线传输信号，绝缘性能不能保证。光纤温度传感器采用光导纤维传输温度信号，光导纤维具有优异的绝缘性能，能够隔离开关柜内的高压，因此光纤温度传感器能够直接安装到开关柜内的高压触点上，准确测量高压触点的运行温度，实现开关柜触点运行温度的在线监测。然而，光纤具有易折，易断、不耐高温等特性。积累灰尘后易导致光纤沿面放电从而使绝缘性降低，且受开关柜结构影响，在柜内布线难度较大。红外测温为非接触式测温，易受环境及周围的电磁场干扰，另外开关柜内的空间非常狭小，无法安装红外测温探头(因为探头必须与被测物体保持一定的安全距离，并需要正对被测物体的表面)，要求被测量点能够在视野内并无遮掩，并且表面干净以确保准确性。有源的无线温度传感器尺寸通常相对较大并且需经常更换电池，系统维护成本较高。同时，电池不适于在高温状态下工作，特别是高于150摄氏度的工作环境。

同时，测温系统传统的本地数据传输方式通常为有线方式，如485总线、CAN总线等。有线方式存在施工布线工作量大；网线易受人为破坏，线路破坏后，故障点不易查找；易受雷击和过电压的影响；传输距离较短等问题。

发明内容

本发明的目的在于，为解决上述问题，本发明提出基于声表面波的无线传感器网络远程温度在线监测系统，应用于电力设备运行温度在线监测及状态检修，也可扩展应用到工业生产过程的温度监控等相关领域，实现温度监测系统环境适应性好、数据传输稳定可靠、易维护等。

为实现上述发明目的，本发明提出基于声表面波的无线传感器网络远程温度在线监测系统，其特征在于，该系统包括：温度传感器、温度采集器、温度监测仪和测温主控终端；所述温度传感器固定在测量点表面；

所述温度传感器与所述温度采集器无线相连；所述温度采集器与所述温度监测仪相连，以测温主控终端为中心，所述测温主控终端与所述温度采集器组成无线传感器网络；

所述温度采集器定期发射温度探询射频信号，温度探询射频信号频率与温度传感器频率一致时，该温度探询射频信号被温度传感器接收。温度采集器通过控制改变温度探询射频信号的频率值使不同的温度传感器接收，所述温度传感器将温度探询射频信号转换成同频声表面波，所述温度传感器传播声表面波，在传播过程中受温度影响声表面波的频率发生变化，调制后的声表面波反射至温度传感器，所述温度传感器将接收到的调制的声表面波转换成带有温度信息的射频信号，所述温度传感器将带有温度信息的射频信号发射给所述温度采集器，所述温度采集器对采集到的带有温度信息的射频信号进行处理后转换成数字信号，并解析出测量点的温度信息，所述温度采集器经通信将温度信息给所述温度监测仪，所述温度监测仪显示实时温度信息、历史温度曲线及按照报警规则进行报警；所述测温主控终端负责汇集区域内的温度采集器采集的温度信息上传至主站系统实现远程监测温度。

所述温度采集器定期发射的温度探询射频信号的频率为428MHz～439MHz。

所述温度采集器采用天线定期发射温度探询射频信号。

本发明具有如下优点，

(1)声表面波传感器采用被动感应方式，无需电池驱动，减少了电池更换带来的维护成本，同时不会对生态环境造成影响；

(2)无线的温度采样方式无需在被测点或相关支撑结构上连线，从而实现了高压隔离，保障被测设备安全运行；

(3)传感器体积小且采用无线数据传输，安装方便灵活，不受被测设备结构和空间影响；

(4)传感器可在任何温度(工作温度范围内)下进行调试，不受季节影响，灰尘堆积等环境因素也不会对传感器测温产生影响；

(5)安装在被测物体表面的温度传感器具有分布较广、数量众多的特点，系统采用无线传感器网络技术完成与后端温度监控终端设备之间数据通信，无需大量布线，从而大大降低了工程安装、运行维护的工作量和难度。

附图说明

图1为本发明的基于声表面波的无线传感器网络远程温度在线监测系统组成结构图；

图2为本发明的基于声表面波的无线传感器网络远程温度在线监测系统中温度传感器硬件原理图；

图3为本发明的基于声表面波的无线传感器网络远程温度在线监测系统中温度采集器硬件组成图；

图4为本发明的基于声表面波的无线传感器网络远程温度在线监测系统工作流程图；

图5为本发明的基于声表面波的无线传感器网络远程温度在线监测系统中温度传感器老化曲线图。

图6为本发明中测温主控终端与温度采集器组成的无线传感器网络星型结构图；

图7为本发明中测温主控终端与温度采集器组成的无线传感器网络网状结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案进行进一步详细的说明。

如图1所示，图1为本发明的基于声表面波的无线传感器网络远程温度在线监测系统组成结构图。基于声表面波的无源温度传感器1采用接触式测温方法，固定在测量点表面，负责接收温度探询射频信号，并返回带温度信息的射频信号到采集器。传感器的固定方式可采用螺钉、扎带、卡环等多种方式。温度采集器2通过无线方式采集被测设备中安装的一组传感器的温度数据，是测温装置的发射和查询单元。它循环发射在428-439MHz内的单频信号，并接收相应频点的传感器反射的射频信息，并通过放大，下变频，滤波后，将传感信号转换成数字信号，解析出该测量点的温度信息。温度监测仪3与温度采集器2通过RS232接口通信，显示实时温度信息、历史温度曲线及按照告警规则发出声、光、短信告警。安装在每台被测设备，方便运行人员巡检。测温主控终端4负责汇集区域内所有被测设备温度信息、提供协议转换及对外数据接口(如RS485)接入主站系统，实现设备温度的远程监控。测温主控终端可配置显示屏5，在主控室本地显示温度及告警信息。温度采集器2及测温主控终端4自带无线模块，组成以测温主控终端为中心节点的无线传感器网络，进行无线数据通信。根据实际应用环境，该无线传感器网络可选择星型结构或网状网络。主站系统6其主要功能包括各温度传感器设备、温度监测各项参数设置、温度信息的远程获取、综合查询分析以及温度预测告警等。

本发明所述的温度在线监测系统提供温度信息的三级监控：①每套温度测量装置配置温度监测仪，用于被测设备温度信息的本地显示，方便进行设备巡检；②每个区域集中配置带显示屏的测温主控终端设备，可以方便的在中央控制室进行温度信息的监控；③终端设备通过指定的标准物理接口及通信规约与主站系统进行数据接口，从而实现温度信息的远程监控。

本发明所述的温度在线监测系统提供以下应用功能：

1)系统设置：管理温度监测相关的各类设备档案；传感器温度校准、各类预警值、时钟、温度采集频率、传感器发射功率、信号接受门限等各类参数设置。

2)监测功能：实现温度的在线实时监测；实现温度状态参量的采集、信号调理、模数转换和数据的预处理功能；可按照设定的频率自动进行各测量点的温度采集和数据保存；可响应远程监控系统发出的实时采集命令。

3)数据显示：显示内容包含测温点序号，温度值，测温日期、时间与预设值温差等信息；显示各设备及测点当前温度信息、历史温度数据、温度变化曲线等温度监测信息。

4)数据存储：装置运行后应能正确记录温度数据；装置异常等情况下应能够正确建立事件标识；保证记录数据的安全性，不应因电源中断、快速或缓慢波动及跌落丢失已记录的温度数据。

5)自动报警功能：可设定温度超上限、变化率超上限、不平衡度超上限等多种告警策略；实时监测故障特征，根据预先设定的报警策略，对各种异常状态发出报警信号；提供现场报警和远程报警；提供主站系统弹出提示框、发出告警音、指示灯闪烁以及短信电话等多种告警方式。

6)自动诊断功能：准确判断系统缺陷，识别故障类型，判断缺陷位置和范围，并提供诊断报告，供运行人员参考采取必要的处理措施。

7)扩展应用：与其他专家系统接口，支撑设备的故障分析、状态评估及检修辅助决策、电网状态分析等。

声表面波传感器主要可分为延迟型和谐振型两类。由于谐振型在灵敏度，可靠性和无线检测距离等指标优于延迟型，所以，谐振型更适合用于较远距离的无线传感。本项目是基于声表面波谐振器的无源无线传感系统，通过检测回波信号的谐振频率的相位变化来获取传感信息。为了使声表面波温度传感器具有较高的灵敏度和较好的线性度，选择LST切型的石英晶体作为基片材料。

如图2所示，图2为本发明的基于声表面波的无线传感器网络远程温度在线监测系统中温度传感器硬件原理图。声表面波传感器由压电基片7、天线8、叉指换能器9、左反射栅10和右反射栅11组成。

如图3所示，图3为本发明的基于声表面波的无线传感器网络远程温度在线监测系统中温度采集器硬件组成图。温度采集器由处理器12、发射模块13、接收模块14、微处理器接口及电源接口15、天线16及外壳17组成。

如图4所示，图4为本发明的基于声表面波的无线传感器网络远程温度在线监测系统工作流程图。本发明温度测量过程如下：

S1：温度采集器发射模块调制428-439MHz内不同频率的单频信号，并通过天线循环发射。

S2：当温度采集器发射的激励信号频率与传感器频率一致时，该信号被传感器天线接收。温度采集器通过控制改变激励信号的频率值使之被不同的传感器接收并实现谐振激励。

S3：谐振器接收电信号后，在叉指换能器上经逆压电效应转换为同频声表面波。

S4：声表面波沿压电基片进行传播，在传播过程中受到温度的影响其频率发生改变。

S5：被调制的声表面波在传播过程中遇到反射栅反射回叉指换能器。

S6：声表面波通过叉指换能器经压电效应转换成电信号，该电信号由于携带了被测信息，所以又可称之为传感信号。

S7：传感信号由叉指换能器端的天线辐射出去。

S8：采集器天线接收传感信号，并发送到采集器接收模块。

S9：采集器处理器通过信号放大、下变频、滤波后，将传感信号转换成数字信号，解析出测量点的温度信息。

S10：采集器处理后的温度信息通过接口传入其通信上位机，最终实现温度的在线监测。

如图5所示，图5为本发明的基于声表面波的无线传感器网络远程温度在线监测系统中温度传感器老化曲线图。A、B、C三条曲线分别为125℃、180℃、220℃三个温度段的频率为433MHz声表面波传感器的老化曲线。从中可以看出，老化过程非常平稳。在非高温(125℃及以下)的测量环境下，其测量精度可达在±1℃。

安装在被测物体表面的温度传感器具有分布较广、数量众多的特点，本发明采用无线传感器网络技术完成传感器与后端温度监控终端设备之间数据通信，无需大量布线，从而大大降低了工程安装、运行维护的工作量和难度。本发明所述无线传感器网络以测温主控终端为中心节点，各温度采集器为传感节点构成。

根据不同的应用场景无线传感器网络的网络结构可采用星型结构或网状结构。如图6所示，图6为本发明中测温主控终端与温度采集器组成的无线传感器网络星型结构图。众多传感节点与中心节点组成了星型网络，每个传感节点均通过点对点的方式与中心节点进行数据通信。

如图7所示，图7为本发明中测温主控终端与温度采集器组成的无线传感器网络网状结构图。众多传感节点与中心节点组成了一个多跳路由的无线传感器MESH网状网络。每个网络节点均可作为其他节点的路由节点。每个网络节点的上行、下行均具备多条路径。

本发明所述无线传感器网络点到点的传输距离可达800m左右，采用网状结构可以延伸到更远，满足绝大多数设备温度在线监测的应用要求。此外，该无线传感器网络还具有以下技术特点：在无人值守的情况下，能够长期有效的工作；规模化传感节点随机性发布，支持动态扩充和快速自组网；节点免配置，即放即用；节点检测到信道干扰或冲突，自动切换到其他信道发送数据；无线节点具备载波侦听和冲突避让功能；节点上行和下行传输都具有冗余路径，当某个中继节点拆除或故障后，能够立即自动找到一条新路由，确保数据通信成功率。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.基于声表面波的无线传感器网络远程温度在线监测系统，其特征在于，该系统包括：温度传感器、温度采集器、温度监测仪和测温主控终端；所述温度传感器固定在测量点表面；

2.根据权利要求1所述的基于声表面波的无线传感器网络远程温度在线监测系统，其特征在于，所述温度采集器定期发射的温度探询射频信号的频率为428MHz～439MHz。

3.根据权利要求1所述的基于声表面波的无线传感器网络远程温度在线监测系统，其特征在于，所述温度采集器采用天线定期发射温度探询射频信号。