CN103376125A - 电场能收集型无线传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电场能收集型无线传感器，其包括模拟量采集模块、微处理器、通讯模块和为整个传感器供电的供电模块，模拟量采集模块与微处理器电连接，供电模块包括分压电路和整流稳压电路，分压电路包括分压器件和金属平面，分压器件正极连接高压回路的高压母线，负极连接金属平面，整流稳压电路的输入端与分压器件并联，输出端与微处理器的电源输入端连接。传感器内部金属平面和传感器周围的地电压参考平面构成平板电容。分压器件和平板电容将高压回路之间的电场一分为二，传感器的用电部分与分压器件并联，获得电压。整流稳压电路将获得的电源整流、滤波、稳压以后提供给后续部分。本发明适用于高压回路检测环境。

Description

电场能收集型无线传感器

技术领域

本发明涉及一种传感设备，尤其是涉及一种电场能收集型无线传感器。

背景技术

针对目前无线测温技术，大部分的测温产品的电源均采用电池或CT取电模式。电池的使用存在一个使用寿命的问题，使用一段时间以后电池耗尽就需要更换电池，而且电池的漏液和爆炸都会造成安全隐患。而CT取电存在体积大、安装不便的问题，并且在超强磁场中会产生振动和发热，对电力设备产生严重的危害。

中华人民共和国国家知识产权局于2008年11月05日公开了授权公告号为CN201145943Y的专利文献，名称是温差无线红外温度传感器，其设有半导体温差发电装置、保护热电阻、红外发射管和散热装置。半导体温差发电装置由半导体温差模块加热端导热底壳和热端散热铜板组成，在散热铜板上设有散热器，相互之间由聚四氟乙烯绝缘紧固为一体。散热器顶部设有电光转换红外发射管。热保护电阻设置在散热器内部，与半导体温差模块和红外发射管相连接。此方案通过半导体温差发电装置供电，但是供电方式较为单一，在温差不大的环境下难以实现自我供电的目的，适用范围有一定的限制。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的无线传感器使用寿命有限、适应面狭窄等的技术问题，提供一种具有非常长久的使用寿命、可以在小温差、无振动等环境下工作的电场能收集型无线传感器。

本发明针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种电场能收集型无线传感器，包括模拟量采集模块、微处理器、通讯模块和为整个传感器供电的供电模块，所述模拟量采集模块与所述微处理器电连接，所述微处理器和所述通讯模块之间串接有第二开关管，所述第二开关管的被控端与微处理器的控制端连接，所述第二开关管的输入端与微处理器的电源输出端连接，所述第二开关管的输出端与通讯模块的电源输入端连接，所述微处理器与通讯模块还通过串行接口连接；所述供电模块包括分压电路和整流稳压电路，所述分压电路包括分压器件和金属平面，所述分压器件正极连接高压回路的高压母线，负极连接金属平面，所述金属平面与作为高压回路地线的地电位平面平行设置；所述整流稳压电路的输入端与分压器件并联，输出端与微处理器的电源输入端连接。

高压回路包括高压母线和地线。交变电场的两极中串联两个器件，那么它们会将电场电压一分为二，将负载并联在其中一个器件上，就可以获取交变电场的能量，然后将此能量经过整流、滤波、稳压后便可供给后续器件使用。在高压交变电场能量收集中，它无需一次回路有电流通过，只要存在高压交变电场即可。

本发明中，分压器件作为第一个器件，平板电容作为第二个器件。这里的平板电容由两个极板组成，一个极板由传感器内部金属平面形成，另一个极板就是位于传感器周围的地电压参考平面，两极板之间的距离从几公分到几十米不等。这两个器件将高压回路之间的电场一分为二，负载即为传感器的用电部分，与分压器件并联，获得电压。整流稳压电路将获得的电源整流、滤波、稳压以后提供给后续部分。

微处理器通过串口总线将要发送的数据传递给通讯模块，并通过第二开关管控制通讯模块的工作时间，在不需要发送数据的时候停止通讯模块的供电，节省能源，延长传感器使用寿命。

作为优选，所述整流稳压电路包括整流二极管、过压保护电路和滤波电容，所述分压器件的正极连接整流二极管的正极，所述整流二极管的负极连接微处理器的电源输入端正极；所述分压器件的负极连接微处理器的电源输入端负极；所述过压保护电路与分压器件并联，所述滤波电容正极连接整流二极管的负极，滤波电容的负极连接分压器件的负极。

 过压保护电路防止线路中的电压过高而损坏后续电路。滤波电容滤除电路中的杂波，提高电流质量。

作为优选，电场能收集型无线传感器还包括稳压保护电路，所述稳压保护电路与滤波电容并联。

稳压保护电路确保整流稳压电路输出的电压稳定，不会过高使微处理器等烧坏。

作为优选，整流稳压电路和微处理器之间还串接有管理电路，所述管理电路包括电压检测芯片、储能电容和第一开关管，所述储能电容与滤波电容并联，电压检测芯片与滤波电容并联，第一开关管的被控端连接电压检测芯片的控制端，第一开关管的输入端连接储能电容的正极，第一开关管的输出端连接微处理器的电源输入端正极。

在供电模块无法获取足够电能的情况下，现将收集到的电能存储在储能电容中，足够进行一次通讯以后在对微处理器和通讯模块供电。管理电路能在储能电容能量收集未满时，控制第一开关管将系统供电电源与后级电路完全切断，能量收集满以后接通电路供电，使能量收集工作在更高效的状态。

作为优选，所述通讯模块为射频通讯模块。本发明采用无线电数据传输技术，保证传感器与数据接收装置存在物理上的隔离。

作为优选，所述分压器件为电阻、电容、电感中的任意一种或若干种的组合。典型组合为一个电阻和一个电容的串联。

作为优选，所述模拟量采集模块包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、光照传感器、开关量传感器中的一种或若干种。根据需要更换模拟量采集模块可以使传感器满足不同的需求。

本发明带来的实质性效果是，可以实现设备的长期运行，减少了检修带来的不便；无需电池供电；具有高效的能量收集能力，可以工作在小温差、无振动环境下；提高传感器的工作稳定性，彻底消除电源问题带来的局限性；缩小传感器的体积，使得传感器安装时更加方便；拓宽传感器的环境适应性，只要有高压交变电场的部位就能获取传感器所需之能量，使其能工作于更加恶劣的场所。

附图说明

图1是本发明的一种电路图；

图中：1、分压器件，2、高压母线，3、第一极板，4、第二极板，5、稳压保护电路，6、电压检测芯片，7、微处理器，8、模拟量采集模块，9、通讯模块。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种电场能收集型无线传感器，如图1所示，包括模拟量采集模块8、微处理器7、通讯模块9、稳压保护电路5、管理电路和为整个传感器供电的供电模块，模拟量采集模块8与微处理器7电连接，微处理器7和通讯模块9之间串接有第二开关管T2，第二开关管T2的被控端与微处理器的7控制端连接，第二开关管T2的输入端与微处理器7的电源输出端连接，第二开关管T2的输出端与通讯模块9的电源输入端连接，微处理器7与通讯模块9还通过串行接口连接；供电模块包括分压电路和整流稳压电路，分压电路包括分压器件1和第一极板3，第一极板为传感器内部的金属平面（传感器的地线）。本实施例中的分压器件包括一个电容和一个电阻，电容和电阻串联。分压器件1正极连接高压回路的高压母线2，负极连接第一极板3，第一极板3与第二极板4平行设置。第二极板4即为高压回路地线的地电位平面。

整流稳压电路包括整流二极管D1、过压保护电路和滤波电容C1，分压器件1的正极连接整流二极管D1的正极；过压保护电路与分压器件1并联，滤波电容C1正极连接整流二极管D1的负极，滤波电容C1的负极连接分压器件1的负极。过压保护电路由两个负极相连的二极管D2和D3组成。稳压保护电路5与滤波电容C1并联。稳压保护电路5采用DC-DC电路。

管理电路包括电压检测芯片6、储能电容C2和第一开关管T1，储能电容C2与滤波电容C1并联，电压检测芯片6与滤波电容C1并联，第一开关管T1的被控端连接电压检测芯片6的控制端，第一开关管T1的输入端连接储能电容C2的正极，第一开关管T1的输出端连接微处理器7的电源输入端正极。微处理器7的电源输入负极连接分压器件1的负极。稳压保护电路5连接在滤波电容C1和储能电容C2之间。

高压回路包括高压母线2和地线（地电位平面）。交变电场的两极中串联两个器件，那么它们会将电场电压一分为二，将负载并联在其中一个器件上，就可以获取交变电场的能量，然后将此能量经过整流、滤波、稳压后便可供给后续器件使用。在高压交变电场能量收集中，它无需一次回路有电流通过，只要存在高压交变电场即可。

本实施例中，分压器件1作为第一个器件，平板电容作为第二个器件。这里的平板电容由两个极板组成，第一极板3由传感器内部金属平面形成，第二极板4就是位于传感器周围的地电压参考平面，两极板之间的距离从几公分到几十米不等。这两个器件将高压回路之间的电场一分为二，负载即为传感器的用电部分，与分压器件并联，获得电压。整流稳压电路将获得的电源整流、滤波、稳压以后提供给后续部分。

微处理器通过串口总线将要发送的数据传递给通讯模块，并通过第二开关管控制通讯模块的工作时间，在不需要发送数据的时候停止通讯模块的供电。

整流二极管将接收到的交流电转化为直流电，过压保护电路防止线路中的电压过高而损坏后续电路。滤波电容滤除电路中的杂波，提高电流质量。

稳压保护电路确保整流稳压电路输出的电压稳定，不会过高使微处理器等烧坏。

在供电模块无法获取足够电能的情况下，现将收集到的电能存储在储能电容中，足够进行一次通讯以后在对微处理器和通讯模块供电。管理电路能在储能电容能量收集未满时，控制第一开关管将系统供电电源与后级电路完全切断，能量收集满以后接通电路供电，使能量收集工作在更高效的状态。

通讯模块9射频通讯模块，保证传感器与数据接收装置存在物理上的隔离。

模拟量采集模块8包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、光照传感器、开关量传感器中的一种或若干种。根据需要更换模拟量采集模块可以使传感器满足不同的需求。

本系统采用国际主流的低功耗芯片设计,并实现能量的软件、硬件协调管理。传感器在通讯中采取国际通行的CRC校验，保证数据的可靠性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了分压器件、电容、整流稳压电路等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (8)

1.一种电场能收集型无线传感器，包括模拟量采集模块、微处理器、通讯模块和为整个传感器供电的供电模块，其特征在于，所述模拟量采集模块与所述微处理器电连接，所述微处理器和所述通讯模块之间串接有第二开关管，所述第二开关管的被控端与微处理器的控制端连接，所述第二开关管的输入端与微处理器的电源输出端连接，所述第二开关管的输出端与通讯模块的电源输入端连接，所述微处理器与通讯模块还通过串行接口连接；所述供电模块包括分压电路和整流稳压电路，所述分压电路包括分压器件和金属平面，所述分压器件正极连接高压回路的高压母线，负极连接金属平面，所述金属平面与作为高压回路地线的地电位平面平行设置；所述整流稳压电路的输入端与分压器件并联，输出端与微处理器的电源输入端连接。

2.根据权利要求1所述的电场能收集型无线传感器，其特征在于，所述整流稳压电路包括整流二极管、过压保护电路和滤波电容，所述分压器件的正极连接整流二极管的正极，所述整流二极管的负极连接微处理器的电源输入端正极；所述分压器件的负极连接微处理器的电源输入端负极；所述过压保护电路与分压器件并联，所述滤波电容正极连接整流二极管的负极，滤波电容的负极连接分压器件的负极。

3.根据权利要求2所述的电场能收集型无线传感器，其特征在于，还包括稳压保护电路，所述稳压保护电路与滤波电容并联。

4.根据权利要求3所述的电场能收集型无线传感器，其特征在于，整流稳压电路和微处理器之间还串接有管理电路，所述管理电路包括电压检测芯片、储能电容和第一开关管，所述储能电容与滤波电容并联，电压检测芯片与滤波电容并联，第一开关管的被控端连接电压检测芯片的控制端，第一开关管的输入端连接储能电容的正极，第一开关管的输出端连接微处理器的电源输入端正极。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的电场能收集型无线传感器，其特征在于，所述通讯模块为射频通讯模块。

6.根据权利要求5所述的电场能收集型无线传感器，其特征在于，所述分压器件为电阻、电容、电感中的任意一种或若干种的组合。

7.根据权利要求1所述的电场能收集型无线传感器，其特征在于，所述模拟量采集模块包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、光照传感器、开关量传感器中的一种或若干种。

8.根据权利要求6所述的电场能收集型无线传感器，其特征在于，所述模拟量采集模块包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器、光照传感器、开关量传感器中的一种或若干种。

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