CN102435323B

CN102435323B - 一种自主能源供给的无线发射的热电传感器及火灾报警系统

Info

Publication number: CN102435323B
Application number: CN201110280841.9A
Authority: CN
Inventors: 邓元; 祝薇; 史永明; 王瑶; 叶慧红
Original assignee: Beijing Hangyi Jiaxin Technology Development Co Ltd; Beihang University
Current assignee: BEIJING HANGYI JIAXIN TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO LTD; Hangzhou Innovation Research Institute of Beihang University
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2031-09-21
Also published as: CN102435323A

Abstract

本发明提供一种自主能源供给的无线发射的热电传感器及火灾报警系统，针对目前火灾报警器都需采用外接电源或内部电池供电的现况，开发出基于新型热电材料的自主能源供给的无线发射的热电传感器，利用热电发电模块在被触发时产生的电信号作为电源供给和探测信号，从而避免了事先布线和经常更换电池的繁琐。整个火灾报警系统在无外接电源下，传感器自身组网，实现信号远程传输和接收。火灾报警系统的接收端的智能微处理器通过对多个信号进行综合分析处理，最终确定险情的位置，实现多点火灾的实时监测。采用自主能源供给的自组网无线发射火灾报警系统，将会摆脱电源的束缚，实现无源火灾报警的功能。

Description

一种自主能源供给的无线发射的热电传感器及火灾报警系统

技术领域

本发明涉及热电传感无线发射火灾远程传输报警领域，特别涉及一种自主能源供给的无线发射的热电传感器以及在火灾报警系统中的应用。

背景技术

目前，野外环境下存在着电源难题，不适应常规火灾报警系统的应用，传统有源型传感器存在需外接电源或电池、使用寿命短等问题，在不适宜布线的场所或者在不适宜人员达到的地方都无法使用，因此不利于大规模联网应用。此外，若报警器在安装后未被使用时间过长时，线路的老化会造成报警失效。若采用干电池供电时，也会存在因使用时间过长电池能量耗尽，无法给报警器正常工作供电，从而造成报警失效。因此火灾报警器有效性的一个关键制约因素就是系统的供电问题。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足之处，提供了一种自主能源供给的无线发射热电传感器以及在无线发射火灾报警系统中的应用，实现了自主能源供给，并通过无线发射方式进行远程报警。该系统在正常情况下不需内部或外部的电源供电，只有在当温度达到警戒值时，才由热电传感器发出触发信号，同时将此触发信号作为整个系统的电源供给，系统开始工作并报警，这样保证了在引入报警装置时完全不引入不安全因素。该系统在空旷地的传输范围可以达到100到150米，最大发送速率可达50kbps，接收灵敏度可达-100dbm。

本发明所采用的技术方案是：

一种自主能源供给的无线发射的热电传感器，该热电传感器包括散热片、外壳封装、铜箔、热电发电模块、泡沫保温胶带和吸热介质；其中，所述的热电发电模块型号采用的是TEC1-12706，热电发电模块以2*2片的形式用导热硅胶贴于散热片上，并置于高热容的吸热介质中，散热片四周用泡沫保温胶带封装，防止热流从周围散失；热电传感器上表面贴有一层铜箔，用于均热；四片热电发电模块以串联形式连接，最后进行封装；经测试热电传感器产生的电压与温差具有定量关系U＝0.15ΔT，其中电压单位为伏特，温差单位为摄氏度；利用热电发电模块在被触发时产生的电信号作为电源供给和探测信号，在自组网技术中，实现热电感应以及信号的远程传输和接收。

一种自主能源供给的无线发射火灾报警系统，该系统包括多套发射端和一个接收端，所述的发射端包含上述的热电传感器，电源转换模块，发射端智能微处理器，温度传感器和无线发射模块；其中，热电传感器被触发后所得到的电能传给电源转换模块，电源转换模块将该电能传递给后续电路，即为发射端智能微处理器，温度传感器以及无线发射模块提供电源；

所述的接收端包含无线接收模块，接收端智能微处理器，执行机构和显示模块，其中无线接收模块接收由无线发射模块发射的信号后传给接收端智能微处理器，接收端智能微处理器处理该信号后由执行机构执行预定的操作，并在显示模块上显示。

进一步的，所述的发射端智能微处理器以及所述的接收端智能微处理器均采用STC公司生产的89LE52低功耗单片机。

进一步的，所述的无线发射模块以及所述的无线接收模块均由NRF905射频芯片构成。

进一步的，所述的温度传感器采用DALLAS公司生产的DS18B20数字温度计，该DS18B20数字温度计是1-Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。

进一步的，所述的显示模块采用4位7段共阳数码管扫描显示。

本发明所采用的技术方案的原理在于：利用温差发电组件制成温差传感器，利用其在被触发时产生的电信号作为电源供给和探测信号，通过电源转换模块和智能微处理器连接到无线发射模块。根据无线发射模块工作所需的触发电压以及热电传感器的温差电压关系，可以调节系统工作的灵敏度。针对传感器技术集成化、传感器自组网的供电发展需求，利用温差发电技术，为硬件提供电源，实现发射端的自供电运行和长时间免维护运行；同时采用射频技术和移动通信技术将众多的发射端设备联系起来，组成庞大的自组网式智能传感网，实现信息在传感器网络中的远程传输。最终实现一种不用布置电源线，无需换电池的高效、稳定、安全的无线发射火灾报警系统。

本发明相对于现有技术的有益效果为：针对易燃场所或者野外环境下对火灾的监控报警应用需求，解决供电不便的实际问题，通过新型热电能源材料在传感器中的应用，开发出具有组网功能的自供电新型无线发射热电传感器与火灾报警系统，系统具有5-8年的设计寿命，可实现对传感器周围环境10米距离的温度变化的信息收集，信息传输距离半径可达150米。该系统不用布置电源线，可实现通过传感器组网技术对大范围区域的温度进行实时多点监控。

(1)采用温差发电技术，利用热电传感器产生的电信号作为电源供给，从而避免了使用外接或内部电源。

(2)热电传感器直接把火灾的火场产生的热转换为电信号，智能微处理器对信号进行分析，并触发无线发射模块工作，实现了设备的自主能源供给。发射端传感网络自身组网，实现信号远程传输和接收，同时将部分终端作为信号中继，以达到减少专用基站的投入，降低成本。

(3)可以在无外接电源下，该系统可应用于森林防火、危险源防护等多领域的火灾远程报警监测。提高户外火灾报警的能力，减少人员与财产的损失。在传感系统休眠时，也可实现对备用电池的充电。

附图说明

图1是本发明一种自主能源供给的无线发射火灾报警系统框图；

图2是热电传感器截面图；

图3是电源转换模块电路原理图；

图4是发射端智能微处理器原理图；

图5是接收端智能微处理器原理图；

图6是无线发射模块电路原理图；

图7是无线接收模块电路原理图；

图8是温度传感器电路原理图；

图9是显示模块电路原理图；

其中，1为热电传感器；2为电源转换模块；3为发射端智能微处理器；4为温度传感器；5为无线发射模块；6为无线接收模块；7为接收端智能微处理器；8为执行机构；9为显示模块；10为散热片；11为外壳封装；12为铜箔；13为热电发电模块；14为泡沫保温胶带；15为吸热介质。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当采用已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1所示为一种自主能源供给的无线发射火灾报警系统框图，该系统包括多套发射端和一个接收端，发射端包含热电传感器1，电源转换模块2，发射端智能微处理器3，温度传感器4和无线发射模块5；其中，热电传感器1被触发后所得到的电能传给电源转换模块2，电源转换模块2将该电能传递给后续电路，即为发射端智能微处理器3，温度传感器4以及发射模块5提供电源；接收端包含无线接收模块6，接收端智能微处理器7，执行机构8和显示模块9，其中无线接收模块6接收由无线发射模块5发射的信号后传给接收端智能微处理器7，接收端智能微处理器7处理该信号后由执行机构8执行预定的操作，并在显示模块9上显示。利用自主能源供给的热电传感器技术，将热电传感器1被触发后所得到的电信号作为电源，根据热电传感器1的输入、输出阻抗，以及所产生的电信号的峰值电流，峰值电压，纹波电压等，设计适合该系统的供电系统。同时可使用集成智能充电管理芯片和充电保护模块以及高性能的磷酸铁锂电池，设计出可实现稳压、充电、过充过放保护功能的电路系统，以进一步完善该系统的供电系统。在实施例中热电发电模块型号采用的是TEC1-12706，中国电子科技集团公司第十八研究所于俊鹏、张建中等人研究了商用温差电致冷组件用于发电的可行性，得出了TEC1-12706标准温差电致冷组件在低温发电模式下的输出具有可行性和经济性。

图2所示为热电传感器1的截面结构图：热电传感器1包括散热片10、外壳封装11、铜箔12、热电发电模块13、泡沫保温胶带14和吸热介质15；其中，热电发电模块13以2*2片的形式用导热硅胶贴于散热片10上，并置于高热容的吸热介质15中。散热片10四周用泡沫保温胶带封装，防止热流从周围散失；热电传感器1上表面贴有一层铜箔12，用于均热；四片热电发电模块13以串联形式连接，最后进行封装。经测试热电传感器产生的电压与温差具有定量关系U＝0.15ΔT，其中电压单位为伏特，温差单位为摄氏度。

图3所示为电源转换模块的电路原理图：该部分将热电传感器1产生的电能传递给后续电路，即为发射端智能微处理器3，温度传感器4以及无线发射模块5提供电源；利用C1、C2滤除交流电量，同时选用3.6V稳压管1N4729稳定供电电压。通过DR1和发光二极管监测系统是否上电。

图4所示为发射端智能微处理器3的电路原理图，发射端智能微处理器3采用STC公司生产的89LE52低功耗单片机作为主控芯片，在内部分别存储有信号发射的程序。发射端智能微处理器3使用11.0592M晶振以及C31和C32电容为单片机提供时钟信号；C13、R11、R12以及按键开关共同构成复位电路。发射端智能微处理器3的单片机的P1口以及P3.2和P3.3分配给无线发射模块5；单片机的P3.5分配给温度传感器模块；单片机的FA/VP接高电平，其余引脚置空置。

图5所示为接收端智能微处理器7的电路原理图，接收端智能微处理器7采用STC公司生产的89LE52低功耗单片机作为主控芯片，在内部分别存储有信号接收的程序。接收端智能微处理器7使用11.0592M晶振以及C31和C32电容为单片机提供时钟信号；C13、R11、R12以及按键开关共同构成复位电路。接收端智能微处理器7的单片机的P1口以及P3.2和P3.3分配给无线接收模块6；单片机的P3.4连接蜂鸣器；单片机的P2.0至P2.3做数码管的段码，P3口作为数码管的位码，段码与位码均为低电平有效；单片机的FA/VP接高电平，其余引脚置空。

图6所示为无线发射模块5采用NRF905射频芯片构成。工作于ISM(工业、医疗和科学)的433、868、915MHz三个频段，其中的433M频段在国内可以免许可使用。其发射端的发射功率为10dBm。无线发射模块5的NRF905射频芯片接口为2.54mm DIP-14插针。NRF905与发射端智能微处理器3的单片机89LE52之间采用SPI总线协议进行通信，由于89LE52内部无SPI功能，SPI时序通过单片机内部软件模拟获得。发射端的NRF905射频芯片的2脚TX_EN接发射端智能微处理器3的P1.0，3脚TRX_CE接发射端智能微处理器3的P3.2，4脚PWR_UP接发射端智能微处理器3的P1.1，5脚CLK置空，6脚CD接发射端智能微处理器3的P1.2，7脚AM接发射端智能微处理器3的P1.4，8脚DR接发射端智能微处理器3的P3.3，9脚MISO接发射端智能微处理器3的P1.6，10脚MOSI接发射端智能微处理器3的P1.5，11脚SCK接发射端智能微处理器3的P1.7，12脚CSN接发射端智能微处理器3的P1.3。无线发射模块51脚置空，13、14脚接地。

图7所示为无线接收模块6采用NRF905射频芯片构成。工作于ISM(工业、医疗和科学)的433、868、915MHz三个频段，其中的433M频段在国内可以免许可使用。其接收端的接收灵敏度为-100dBm。无线接收模块6NRF905射频芯片接口为2.54mm DIP-14插针。NRF905与接收端智能微处理器7的单片机89LE52之间采用SPI总线协议进行通信，由于89LE52内部无SPI功能，SPI时序通过单片机内部软件模拟获得。接收端的NRF905射频芯片的2脚TX_EN接接收端智能微处理器7的P1.0，3脚TRX_CE接接收端智能微处理器7的P3.2，4脚PWR_UP接接收端智能微处理器7的P1.1，5脚CLK置空，6脚CD接接收端智能微处理器7的P1.2，7脚AM接接收端智能微处理器7的P1.4，8脚DR接接收端智能微处理器7的P3.3，9脚MISO接接收端智能微处理器7的P1.6，10脚MOSI接接收端智能微处理器7的P1.5，11脚SCK接接收端智能微处理器7的P1.7，12脚CSN接接收端智能微处理器7的P1.3。无线接收模块6的1脚置空，13、14脚接地。

图8所示为温度传感器4的在系统中连接的电路原理图：温度传感器4采用DALLAS公司生产的DS18B20数字温度计，该芯片是1-Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，可以最大限度的节约单片机引脚。芯片数据线与发射端智能微处理器3的P3.5相连。

图9所示为显示模块9的电路原理图：显示模块9采用4位7段共阳数码管扫描显示。位选线连接至Q1至Q4的9012集电极，并由9012基极控制，基极通过限流电阻R51到R54由低到高分别接到接收端智能微处理器7的P2.0至P2.3。位码由低到高接到接收端智能微处理器7的P0.0至P0.7引脚。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所述的权利要求限定和确定的本发明的范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种自主能源供给的无线发射的热电传感器，所述的热电传感器包括散热片（10）、外壳封装（11）、铜箔（12）、热电发电模块（13），利用热电发电模块在被触发时产生的电信号作为电源供给和探测信号，在自组网技术中，实现热电感应以及信号的远程传输和接收，其特征在于：所述的热电传感器还包括泡沫保温胶带（14）和吸热介质（15）；其中，所述的热电发电模块型号采用的是TEC1-12706，热电发电模块（13）以2*2片的形式用导热硅胶贴于散热片（10）上，散热片（10）置于高热容的吸热介质（15）中，热电发电模块（13）四周用泡沫保温胶带封装，防止热流从周围散失；热电传感器上表面贴有一层所述的铜箔（12），用于均热；四片热电发电模块（13）以串联形式连接，最后进行封装；经测试热电传感器产生的电压与温差具有定量关系U=0.15△T，其中电压单位为伏特，温差单位为摄氏度。

2.一种自主能源供给的无线发射的火灾报警系统，该系统包括多套发射端和一个接收端，其特征在于：所述的发射端包含权利要求1所述的热电传感器（1），电源转换模块（2），发射端智能微处理器（3），温度传感器（4）和无线发射模块（5）；其中，热电传感器（1）被触发后所得到的电能传给电源转换模块（2），电源转换模块（2）将该电能传递给后续电路，即为发射端智能微处理器（3），温度传感器（4）以及无线发射模块（5）提供电源；

所述的接收端包含无线接收模块（6），接收端智能微处理器（7），执行机构（8）和显示模块（9），其中无线接收模块（6）接收由无线发射模块（5）发射的信号后传给接收端智能微处理器（7），接收端智能微处理器（7）处理该信号后由执行机构（8）执行预定的操作，并在显示模块（9）上显示。

3.根据权利要求2所述的一种自主能源供给的无线发射的火灾报警系统，其特征在于：所述的发射端智能微处理器（3）以及所述的接收端智能微处理器（7）均采用STC公司生产的89LE52低功耗单片机。

4.根据权利要求2所述的一种自主能源供给的无线发射的火灾报警系统，其特征在于：所述的无线发射模块（5）以及所述的无线接收模块（6）均由NRF905射频芯片构成。

5.根据权利要求2所述的一种自主能源供给的无线发射的火灾报警系统，其特征在于：所述的温度传感器（4）采用DALLAS公司生产的DS18B20数字温度计，该DS18B20数字温度计是1－Wire，即单总线器件。

6.根据权利要求2所述的一种自主能源供给的无线发射的火灾报警系统，其特征在于：所述的显示模块（9）采用4位7段共阳数码管扫描显示。