CN103487150A - 射频能量收集无线温度传感系统及能量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频能量收集无线温度传感系统及能量控制方法，包括射频发射装置、中心服务器和若干个温度传感装置；射频发射装置包括功率控制模块和射频发射器，射频发射器通过功率控制模块连接电源；功率控制模块与中心服务器连接。射频发射装置将能量通过射频的方式传递给温度传感装置。中心服务器根据接收到的数据判断温度传感装置收集能量的状况，当发现温度传感装置收集的能量有所不足时，通过功率控制模块增大射频发射器的发射功率，维持温度传感装置的正常工作。当射频发射器功率达到上限时，进入Q模式运行，一次发送多次采集的数据。本发明具有一定的自我调节能力，可以尽量维持工作状态，适用于电力等需要测温的领域。

Description

射频能量收集无线温度传感系统及能量控制方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感设备，尤其是涉及一种不需要输电缆线射频能量收集无线温度传感系统及能量控制方法。

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、具有一定的自我调节能力可以尽量维持工作状态的射频能量收集无线温度传感系统及能量控制方法。

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：一种射频能量收集无线温度传感系统，包括射频发射装置、中心服务器和若干个温度传感装置，所述温度传感装置包括温度采集模块、微处理器、通讯模块和为温度传感装置供电的供电模块，所述通讯模块通过无线信号连接中心服务器；所述微处理器和所述通讯模块之间连接有第二开关管，所述第二开关管的被控端与微处理器的第二控制端连接，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；所述温度采集模块一端连接第三开关管的输出端，另一端连接微处理器；第三开关管的被控端连接微处理器的第一控制端，输入端连接微处理器的电源输出端；所述供电模块包括射频接收器和整流稳压电路，所述射频接收器的输出端通过整流稳压电路连接微处理器的电源输入端；所述射频发射装置包括功率控制模块和射频发射器，所述射频发射器通过功率控制模块连接电源；所述功率控制模块与中心服务器连接。

射频发射装置将能量通过射频的方式发射出去，射频接收器接收到射频能量以后转化为电能，通过稳压整流模块给微处理器、通讯模块和温度采集模块供电。一个射频发射装置可以对应多个温度传感装置，即一个发射源的射频被设置在不同位置的射频接收器所接收，简化系统的复杂度，提高能量的使用率。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；微处理器通过第三开关管控制温度采集模块的工作时间，在不需要进行采集的时候切断温度采集模块的电源，两个开关管的设置都是为了节省能源。

射频发射装置一般与市电或者大容量电池连接，可以保持长时间工作，温度传感装置只要接收到足够强度的射频信号，就可以完成采集和发射的过程。通讯模块将采集到的数据发送到中心服务器上。中心服务器可以根据接收到的数据判断温度传感装置收集能量的状况，当发现温度传感装置收集的能量有所不足时，通过功率控制模块增大射频发射器的发射功率，维持温度传感装置的正常工作。

作为优选，所述射频发射装置还包括电动调向机构，所述射频发射器设置在电动调向机构上，所述电动调向机构的信号输入端与中心服务器连接。在需要时，中心服务器可以控制电动调向机构改变射频发射器的发射角度，使温度传感装置接收到的射频信号质量更好。

作为优选，所述整流稳压电路包括整流二极管、过压保护模块和继流电容，所述射频接收器的输出端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；所述射频接收器的输出端负极连接微处理器的电源输入端负极；所述过压保护模块与射频接收器并联，所述继流电容正极连接整流二极管负极，所述继流电容负极连接射频接收器输出端负极。

整流二极管将接收到的交流电转化为直流电，过压保护模块防止线路中的电压过高而损坏后续电路。继流电容稳定电流，提高电流质量。

作为优选，所述整流稳压电路和微处理器之间还串接有升压模块，所述升压模块包括自举升压电路、充电泵和超级电容，所述自举升压电路的输入端连接整流二极管的负极，所述自举升压电路的输出端连接超级电容的正极，所述充电泵的控制端连接自举升压电路的控制端，充电泵的另一端连接射频接收器的输出端负极，所述超级电容的负极连接射频接收器的输出端负极；所述超级电容的正极和负极与微处理器的电源输入端连接。

升压模块将电压升高至微处理器所需的值，使微处理器能够正常工作。超级电容作为电量的暂存器，经过较长时间收集满以后在较短时间内释放给后续电路，使后续电路能够获得足够的电压。

作为优选，所述升压模块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和第一开关管，所述电压检测芯片与超级电容并联；所述第一开关管的被控端连接电压检测芯片的控制端，所述第一开关管的输入端连接超级电容的正极，第一开关管的输出端连接微处理器的电源输入端正极。

管理电路能在超级电容能量收集未满时，将系统供电电源与后级电路完全切断，使能量收集工作在更高效的状态。

一种基于前述的射频能量收集无线温度传感系统的能量控制方法，包括以下步骤：

S101、计算每个温度传感装置的T_K；

S102、比较每个T_K与T的大小，当发现第i个温度传感装置的前K次工作间隔的平均值T_Ki大于T的时候，进入步骤S103；

S103、判断射频发射器的发射功率是否已经达到上限，若已经达到上限则进入步骤S105，若未达到上限则进入步骤S104；

S104、增大射频发射器的发射功率一级，延时K×T_Ki，然后跳转到步骤S101；

S105、计算Q=T_Ki×(S₁+N×S₂)/(S₁+S₂)并与N×T比较大小；

S106、如果Q大于N×T，则N的值增加1，重复步骤S105，如果Q小于或等于N×T，则进入步骤S107；

S107、判断N的当前值是否大于预设上限，如果大于则进行报警，否则此温度传感装置进入Q模式运行；

T_K是温度传感装置前K次工作间隔的平均值，温度传感装置相邻两次上传数据的间隔称为工作间隔，T是最大工作间隔，即正常状态下温度传感器两次上传数据的间隔时间不应该大于T，S1是温度传感装置每次上传数据所耗费的能量，S2是温度传感装置每次采集数据所耗费的能量，N为初始值是2的正整数；

发射功率每增大一级即功率增大2%；

Q模式下，温度传感装置每隔T采集一次温度数据并存储在温度传感装置内，采集的数据数量达到N个以后，将采集到的数据合并，通过通讯模块发送到中心服务器上。

本方案中，通讯模块和中心服务器的通信数据的格式在一定程度上是可以变化的，即数据包的长度不固定，一个数据包中可以包含一个或多个（上限可以根据需要设置）温度信息。正常情况下，一个数据包中只有一个温度信息和一个采集这个温度信息的时间信息，在Q模式下，一个数据包中有N个温度信息。为了最大程度节省能源，Q模式下一个数据包中也只有一个时间信息，这个时间信息可以是第一个温度信息的采集时间也可以是最后一个温度信息的采集时间，数据包中每相邻两个温度信息的采集时间间隔T_K。

射频发射器的发射功率上限要遵循国家标准，不能给周围带来电磁干扰和污染，也不能超过发射器的正常功率范围。

作为优选，在执行步骤S101至S107之前，先运行以下步骤：

S001、计算每个温度传感装置的T_K；

S002、比较每个T_K与T的大小，当发现第j个温度传感装置的前K次工作间隔的平均值T_Kj大于T的时候，进入步骤S003；

S003、调整射频发射器的发射角向T_K小于T的温度传感器所在位置偏转一级；

S004、延时K×T_Kj，计算其余所有温度传感装置的T_K并与T比较大小，如果出现某个温度传感装置的T_K大于T，则将步骤S003中的偏转复位，并进入步骤S101，否则进入步骤S001。 

射频发射器的发射角每偏转一级即偏转2度。

增大功率会增加能量消耗，并且对于环境干扰会加大，而调整发射角不会带来这两点坏处。在调整功率前先调整发射角度可以将不利影响降至最低。

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，使其工作于更加恶劣的场所；具有较强的适应性和自我调节能力，可以在不利环境下以牺牲实时性维持工作。

附图说明

图1是本发明的一种系统框图；

图2是本发明的一种电路结构图；

图3是本发明的一种能量初步控制流程图；

图4是本发明的一种能量进一步控制流程图；

图中：1、射频发射装置，2、中心服务器，3、射频接收器，4、自举升压电路，5、稳压保护电路，6、电压检测芯片，7、微处理器，8、温度采集模块，9、通讯模块，10、温度传感装置。

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：本实施例的一种射频能量收集无线温度传感系统，如图1所示，包括射频发射装置1、中心服务器2和若干个温度传感装置10。射频发射装置1包括功率控制模块、射频发射器和电动调向机构，射频发射器通过功率控制模块连接电源；功率控制模块和电动调向机构都与中心服务器2连接。射频发射器设置在电动调向机构上，可以在电动调向机构驱动下改变发射角度。

如图2所示，温度传感装置包括温度采集模块8、微处理器7、通讯模块9、和供电模块。通讯模块通过无线信号连接中心服务器。微处理器和通讯模块之间连接有第二开关管T2，第二开关管T2的被控端与微处理器的第二控制端连接，第二开关管T2的输入端与微处理器的电源输出端连接，第二开关管T2的输出端与通讯模块的电源输入端连接，微处理器与通讯模块还通过串行接口连接；温度采集模块一端连接第三开关管T3的输出端，另一端连接微处理器；第三开关管T3的被控端连接微处理器的第一控制端，输入端连接微处理器的电源输出端。

供电模块包括射频接收器3、整流稳压电路、升压模块和管理电路。整流稳压电路包括整流二极管D1、过压保护模块和继流电容C1，过压保护模块由两个负极相互连接的稳压二极管D2和D3构成。升压模块包括自举升压电路4、充电泵K和超级电容C2。管理电路包括电压检测芯片6和第一开关管T1。

射频接收器的输出端正极连接整流二极管D1的正极，负极连接微处理器的电源输入端负极。过压保护模块并联在射频接收器的输出端上。整流二极管D1的负极连接继流电容C1的正极和自举升压电路的输入端。继流电容C1的负极连接微处理器电源输入端负极。自举升压电路的输出端连接超级电容C2的正极。充电泵K的控制端连接自举升压电路的控制端，充电泵K的另一端连接继流电容C1的负极。稳压保护电路与超级电容C2并联。电压检测芯片与超级电容并联；第一开关管T1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超级电容C2的正极，第一开关管T1的输出端连接微处理器的电源输入端正极。

如图3和图4所示，本实施例的能量控制方法如下：

S001、计算每个温度传感装置的T_K；

S002、比较每个T_K与T的大小，当发现第j个温度传感装置的T_Kj大于T的时候，进入步骤S003；

S003、调整射频发射器的发射角向T_K小于T的温度传感器所在位置偏转一级（1度到5度，根据需要设定）；

S004、延时K×T_Kj，计算其余所有温度传感装置的T_K并与T比较大小，如果出现某个温度传感装置的T_K大于T，则将步骤S003中的偏转复位，并进入步骤S101，否则进入步骤S001；

S101、计算每个温度传感装置的T_K；

S102、比较每个T_K与T的大小，当发现第i个温度传感装置的T_Ki大于T的时候，进入步骤S103；

S103、判断射频发射器的发射功率是否已经达到上限，若已经达到上限则进入步骤S105，若未达到上限则进入步骤S104；

S104、增大射频发射器的发射功率一级（1%到5%之间，根据需要设定），延时K×T_Ki，然后跳转到步骤S101；

S105、计算Q=T_Ki×(S₁+N×S₂)/(S₁+S₂)并与N×T比较大小；

S106、如果Q大于N×T，则N的值增加1，重复步骤S105，如果Q小于或等于N×T，则进入步骤S107；

S107、判断N的当前值是否大于预设上限，如果大于则进行报警，否则此温度传感装置进入Q模式运行；

T_K是温度传感装置前K次工作间隔的平均值，温度传感装置相邻两次上传数据的间隔称为工作间隔，T是最大工作间隔，即正常状态下温度传感器两次上传数据的间隔时间不应该大于T，S1是温度传感装置每次上传数据所耗费的能量，S2是温度传感装置每次采集数据所耗费的能量，N为初始值是2的正整数；

Q模式下，温度传感装置每隔T采集一次温度数据并存储在温度传感装置内，采集的数据数量达到N个以后，将采集到的数据合并，通过通讯模块发送到中心服务器上。

正常模式下，射频发射装置将能量通过射频的方式发射出去，射频接收器接收到射频能量以后转化为电能，通过稳压整流模块给微处理器、通讯模块和温度采集模块供电。温度传感装置只要接收到足够强度的射频信号，就可以完成采集和发射的过程。在无法采集到足够强度的射频信号时，即超级电容C2的充电时间加长，工作间隔加大，直至T_K大于T，则先通过调整射频发射器的发射角度，如果此方式不起效果，则增大发射功率，如果发射功率已经达到最大，则进入Q模式运行。Q模式是牺牲数据的实时性来维持温度传感装置的工作，属于临时应急性的工作状态，不应该长期存在，管理人员应当及时消除系统中存在的Q模式状态。

本方案的优点是：

1、射频能量收集取电：使用无源射频接收器或射频能量采集器，将附近的射频能量收集起来，采用专用的充电泵将电能累积起来，以供测温系统使用，取代了传统的电池供电技术。

2、低漏电低ESR电路：电路设计中元器件采用新型EDLC电容，该电容能在高脉冲功率应用中短时间内接近5V的电压下提供数安培的高电流脉冲，非常适合环境温度即时测量。

3、电源阀电路：由NMOS场管和电压监测芯片组成的电源阀。本系统设计的电源阀，能在能量收集未满时，将系统供电电源与后级电路完全切断，使能量收集工作在更高效的状态。

4、高精度温度采样芯片：本系统采用高精度（±0.5℃），宽量程（-40℃ ～ +150℃）温度采样芯片，以满足电力行业无线测温要求。

5、超低功耗MCU设计：本系统采用业内流行的超低功耗MCU设计,并在程序上做电源和低功耗管理，只需收集很少的射频能量就能给整个系统稳定供电。

6、RF隔离技术：本系统采用高频无线电数据传输技术，数据接收装置与被测点无需任何物理连接，电气隔离更安全可靠。

7、CRC校验：本系统采用循环冗余码校验技术，数据接收端对收到的数据进行CRC校验，进一步提高测量的可靠性，避免了数据错报和误报。

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射频发射器、升压模块、工作间隔等术语，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 (7)

1.一种射频能量收集无线温度传感系统，其特征在于，包括射频发射装置、中心服务器和若干个温度传感装置，所述温度传感装置包括温度采集模块、微处理器、通讯模块和为温度传感装置供电的供电模块，所述通讯模块通过无线信号连接中心服务器；所述微处理器和所述通讯模块之间连接有第二开关管，所述第二开关管的被控端与微处理器的第二控制端连接，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；所述温度采集模块一端连接第三开关管的输出端，另一端连接微处理器；第三开关管的被控端连接微处理器的第一控制端，输入端连接微处理器的电源输出端；所述供电模块包括射频接收器和整流稳压电路，所述射频接收器的输出端通过整流稳压电路连接微处理器的电源输入端；所述射频发射装置包括功率控制模块和射频发射器，所述射频发射器通过功率控制模块连接电源；所述功率控制模块与中心服务器连接。

2.根据权利要求1所述的射频能量收集无线温度传感系统，其特征在于，所述射频发射装置还包括电动调向机构，所述射频发射器设置在电动调向机构上，所述电动调向机构的信号输入端与中心服务器连接。

3.根据权利要求1或2所述的射频能量收集无线温度传感系统，其特征在于，所述整流稳压电路包括整流二极管、过压保护模块和继流电容，所述射频接收器的输出端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；所述射频接收器的输出端负极连接微处理器的电源输入端负极；所述过压保护模块与射频接收器并联，所述继流电容正极连接整流二极管负极，所述继流电容负极连接射频接收器输出端负极。

4.根据权利要求3所述的射频能量收集无线温度传感系统，其特征在于，所述整流稳压电路和微处理器之间还串接有升压模块，所述升压模块包括自举升压电路、充电泵和超级电容，所述自举升压电路的输入端连接整流二极管的负极，所述自举升压电路的输出端连接超级电容的正极，所述充电泵的控制端连接自举升压电路的控制端，充电泵的另一端连接射频接收器的输出端负极，所述超级电容的负极连接射频接收器的输出端负极；所述超级电容的正极和负极与微处理器的电源输入端连接。

5.根据权利要求4所述的射频能量收集无线温度传感系统，其特征在于，所述升压模块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和第一开关管，所述电压检测芯片与超级电容并联；所述第一开关管的被控端连接电压检测芯片的控制端，所述第一开关管的输入端连接超级电容的正极，第一开关管的输出端连接微处理器的电源输入端正极。

6.一种基于权利要求1所述的射频能量收集无线温度传感系统的能量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101、计算每个温度传感装置的T_K；

S102、比较每个T_K与T的大小，当发现第i个温度传感装置的T_Ki大于T的时候，进入步骤S103；

S103、判断射频发射器的发射功率是否已经达到上限，若已经达到上限则进入步骤S105，若未达到上限则进入步骤S104；

S104、增大射频发射器的发射功率一级，延时K×T_Ki，然后跳转到步骤S101；

S105、计算Q=T_Ki×(S₁+N×S₂)/(S₁+S₂)并与N×T比较大小；

S106、如果Q大于N×T，则N的值增加1，重复步骤S105，如果Q小于或等于N×T，则进入步骤S107；

S107、判断N的当前值是否大于预设上限，如果大于则进行报警，否则此温度传感装置进入Q模式运行；

T_K是温度传感装置前K次工作间隔的平均值，温度传感装置相邻两次上传数据的间隔称为工作间隔，T是最大工作间隔，即正常状态下温度传感器两次上传数据的间隔时间不应该大于T，S1是温度传感装置每次上传数据所耗费的能量，S2是温度传感装置每次采集数据所耗费的能量，N为初始值是2的正整数；

Q模式下，温度传感装置每隔T采集一次温度数据并存储在温度传感装置内，采集的数据数量达到N个以后，将采集到的数据合并，通过通讯模块发送到中心服务器上。

7.根据权利要求6所述的能量控制方法，其特征在于，在执行步骤S101至S107之前，先运行以下步骤：

S001、计算每个温度传感装置的T_K；

S002、比较每个T_K与T的大小，当发现第j个温度传感装置的T_Kj大于T的时候，进入步骤S003；

S003、调整射频发射器的发射角向T_K小于T的温度传感器所在位置偏转一级；

S004、延时K×T_Kj，计算其余所有温度传感装置的T_K并与T比较大小，如果出现某个温度传感装置的T_K大于T，则将步骤S003中的偏转复位，并进入步骤S101，否则进入步骤S001。

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