CN104048772A - 自供能无线温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自供能无线温度传感器，用于测量供热管线温度，该自供能无线温度传感器包括：温度传导平面和热电发生器，铸铝温度传导平面适于将所述供热管线的热量传导给热电发生器，热电发生器适于利用塞贝克效应产生微小电压；电能变换存储模块，适于接收、变换并存储所述热电发生器产生的能量；温度测量传感模块，适于测量所述供热管线的温度；无线收发模块，适于根据从外部设备接收到的启动信号，将所述供热管线的温度发送到外部设备；和主控制模块，由所述电能变换存储模块供电，适于控制电能变换存储模块为所述无线收发模块供电，还适于控制温度传感模块的工作。

Description

自供能无线温度传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种自供能无线温度传感器。

背景技术

温度测量是现代工业和现实生活中最为常见的一种物理量测量。测量对象千差万别，测量手段也各具特色。但总体是分有源测温和利用热胀冷缩的无源测温两种，近今年出现的被动式无源测温实质上还得靠外加非接触的高频电磁激励完成实测过程。在大量集群温度测量和特殊应用场景中，例如：楼宇自动化的各楼层供热管线温度测量，针对分散的多个测量点，如果使用外接电源和电池供电会有诸多不便。但如果低功耗无线传感器，且不再使用外接电源(市电或电池)，那么安装、维护的工作量会大为减少。

近些年，新型能量收集技术的运用，使得由局部环境能量而非电池供电的测量系统成为可能。本发明所述自供能无线温度传感器正是利用被测介质与环境的温差传导能量来为无线传感器节点供电，并且已经进入实用化应用程度。它完全无需使用电池或供电导线就可向远方后台传送被测介质的温度，以供热管线测温为典型代表，在类似的众多领域中简化了安装和维护工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种自供能无线温度传感器。

根据至少一个实施例，针对现供热管线有源测温的不足，提供一种依靠被测介质(如供热管线)自身温度传导产生微弱电能的收集存储，来满足测量温度的电力供应，最终通过微型无线模块远传被测介质及环境温度的一种新型温度传感装置。

根据本发明一个方面，提供一种自供能无线温度传感器，用于测量供热管线温度，该自供能无线温度传感器包括：温度传导平面和热电发生器，铸铝温度传导平面适于将所述供热管线的热量传导给热电发生器，热电发生器适于利用塞贝克效应产生微小电压；电能变换存储模块，适于接收、变换并存储所述热电发生器产生的能量；温度测量传感模块，适于测量所述供热管线的温度；无线收发模块，与所述电能变换存储模块连接，由所述电能变换存储模块供电，适于根据从外部设备接收到的启动信号，将所述供热管线的温度发送到外部设备；和主控制模块，分别与所述电能变换存储模块、温度测量传感模块和无线收发模块连接，由所述电能变换存储模块供电，适于控制电能变换存储模块为所述无线收发模块供电，还适于控制温度传感模块的工作。

本发明的优点在于：

1，由于没有任何外部电源供应，测温传感器的安装更容易，也没有定期更换电池的维护。这对于封闭在夹层空间的供热管线测温尤为重要。

2，由于利用被测介质(如供热管线)自身温度与局部环境传导产生电能来维持无线传感器工作，当供热管线内无供热介质，即供热系统没工作，自然也不需要测温，本发明的自供能无线温度传感器因无温度传导处于无电闲置状态。无需人为关闭，也避免常规有源测温的在非供热期测温传感器一直工作的不必要。间接延迟了使用寿命。

3，对于公共空间或房间内裸露的供热管线，只要将本发明的自供能无线温度传感器夹在管线上，就可以通过可选的液晶显示屏直接读取温度；远程后台通过无线方式读取供热点的温度。而此项测温过程的优势在于无线任何外接电源或电池。

4，针对现代楼宇各楼层、各房间的供热温度与室内温度测量，本发明自供能无线温度传感器具备广阔的应用前景。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例提供的自供能温度传感器内部结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明一个实施例，提供一种自供能无线温度传感器，如图1所示，包括：

铸铝温度传导平面11，热电发生器12，电能变换存储模块13，温度测量传感模块14，主控制模块15，无线收发模块16及可选的LCD液晶显示模块17。

铸铝温度传导平面11，一方面与被测管线表面紧密配合，作用是使本身温度与测温管线相同，基本是同一等温体；另一方面其平面部分与热电发生器12紧密接触，将热量传导给热电发生器12。

热电发生器12也称TEG，是类似于电制冷片(帕尔帖)的逆过程应用，它是利用塞贝克效应产生微小电压。本发明实例所用TEG尺寸为40mm×40mm，厚3.6mm。帕尔贴的另一面是紧密接触的自然冷却散热片。

进一步地，当供热管线的温度大于环境温度5℃以上，由于自然热传导(自然热传导指不用风扇、不用水冷的热传递)，在TEG两面产生大于1℃的温差。

进一步地，TEG产生30-200mV的电压。这一电压很小，能量通常只有几个mW，甚至不足1mW，不足以供电子元件工作。但它的内阻较低，经过变换存储可以为间歇工作的电能变换存储模块13、温度测量传感模块14、主控制模块15和无线收发模块16供电。

电能变换存储模块13用于把微小的电能变换并存储，达到可以为电子芯片提供能量的作用。

根据本发明一个实施例，所述电能变换存储模块13(例如LTC3108-1)能够产生2.2V、3.3V、5V三种不同电压。如图1所示，电能变换存储模块13输出3.3V为超低功耗单片机MSP430F122和温度传感器供电。

如图1所示，电能变换存储模块13输出可控电压Vout2为间歇工作的无线模块Si4432(一种无线收发芯片的型号)供电。

温度测量传感模块14包括两只单总线数字温度传感器。其中一只用于测量供热管线温度，另一只用于测量环境温度。

主控制模块15是由超低功耗单片机MSP430F122(一种单片机的型号)完成，它是自供能无线温度传感器的控制核心。主控制模块15电源来自电能变换存储模块13的3.3V输出。主控制模块15通过控制线Vout2_EN控制电能变换存储模块13是否为无线收发模块16供电。主控制模块15控制温度传感模块14的工作，包括：温度传感模块14由两只数字温度传感器DS18B20组成，每个DS18B20有“地”、“电源”和“信号”三根线。单信号线一直为高电平时，传感器不工作，此时耗电小于2uA，当按单总线协议通讯时，便实现了温度转换和读取结果。主控制模块15连接可选的液晶显示模块17，实时显示被测管线的温度和环境温度。

无线收发模块16是以Si4432为核心的短程无线收发模块。睡眠状态下只消耗2uA的电流。接收灵敏度-110dB，发送功率13dB。可满足楼宇内无线信息传递。

液晶显示模块17是一个可选的模块。可根据安装部位确定是否需要显示。液晶显示模块17为串行接口，在3.3V的3位显示中，耗电电流小于40uA。

根据本发明一个实施例，自供能无线温度传感器的工作过程如下：

所述供热管线内没有供热介质时，由于没有热量传导，热电发生器并不产生电压，整个自供能无线温度传感器处于闲置状态。

当所述供热管线内的温度高于环境温度5℃以上时，由于自然热传导，所述热电发生器12两面产生大于1℃的温差。

根据本发明另一个实施例，所述热电发生器12的线产生大于30mV的直流电压。此电压连接电能变换存储模块13，通过电能变换存储模块13的谐振变压器将电压提升到3.3V。

进一步地，TEG产生1mW左右的能量不断积累，当Vout输出达到3.3V时，多余能量存储到电能变换存储模块内部的储能电容(即也称法拉电容)上。

所述主控制模块15得到电能开始工作，首先选择低频晶振，只启动定时器中断系统，把无线收发模块16设置在睡眠状态，关闭其他功能使本身处于低功耗状态。定时器定时1分钟，产生定时中断后，启动温度传感器1和温度传感器2进行温度测量、转换，转换结果存于主控制模块15内部寄存器。测量转换期间为1秒，耗电3mA。接着主控制模块15再次回到低功耗状态。

进一步地，远程后台无线呼叫自供能无线温度传感器，所述无线收发模块16由睡眠状态被激活，让所述主控制模块15产生中断，所述主控制模块15立即把原来的测量结果传给所述无线收发模块16，同时，所述主控制模块15启动所述无线收发模块16，使之处于发送状态。整个发送过程持续60mS，耗电28mA。

进一步地，通过合理分配无线呼叫周期和温度测量周期，使能量积累能够满足测量需求。

应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。

Claims (10)

1.一种自供能无线温度传感器，用于测量供热管线温度，该自供能无线温度传感器包括：

温度传导平面和热电发生器，铸铝温度传导平面适于将所述供热管线的热量传导给热电发生器，热电发生器适于利用塞贝克效应产生微小电压；

电能变换存储模块，适于接收、变换并存储所述热电发生器产生的能量；

温度测量传感模块，适于测量所述供热管线的温度；

无线收发模块，与所述电能变换存储模块连接，由所述电能变换存储模块供电，适于根据从外部设备接收到的启动信号，将所述供热管线的温度发送到外部设备；和

主控制模块，分别与所述电能变换存储模块、温度测量传感模块和无线收发模块连接，由所述电能变换存储模块供电，适于控制电能变换存储模块为所述无线收发模块供电，还适于控制温度传感模块的工作。

2.根据权利要求1所述的自供能无线温度传感器，其中，所述温度传导平面一方面与所述供热管线的表面紧密配合，另一方面与所述热电发生器紧密接触。

3.根据权利要求1所述的自供能无线温度传感器，其中，所述电能变换存储模块产生2.2V、3.3V、5V三种不同电压。

4.根据权利要求1所述的自供能无线温度传感器，还包括：

显示模块，与所述主控制模块连接，所述主控制模块还适于将所述温度测量传感模块的测量结果显示在显示模块上。

5.根据权利要求1所述的自供能无线温度传感器，其中，所述主控制模块控制温度传感模块的工作包括：

所述主控制模块首先选择低频晶振，只启动其内部的定时器中断系统，把所述无线收发模块设置在睡眠状态，定时器定时第一时间片段，产生定时中断后，启动所述温度测量传感模块进行温度测量，测量结果存于主控制模块内部寄存器，测量期间为第二时间片段，然后主控制模块再次回到低功耗状态。

6.根据权利要求5所述的自供能无线温度传感器，其中，所述无线收发模块根据从外部设备接收到的启动信号，将所述供热管线的温度发送到外部设备包括：

外部设备呼叫所述自供能无线温度传感器，所述无线收发模块由睡眠状态被激活，让所述主控制模块产生中断，所述主控制模块把保存的测量结果发送给所述无线收发模块，并且所述主控制模块启动所述无线收发模块使之将所述供热管线的温度发送到外部设备。

7.根据权利要求1所述的自供能无线温度传感器，其中，所述温度测量传感模块包括两只单总线数字温度传感器，一只用于测量所述供热管线温度，另一只用于测量环境温度。

8.根据权利要求1所述的自供能无线温度传感器，其中，所述热电发生器产生30-200mV的电压，该电压经过变换存储用于为所述电能变换存储模块、温度测量传感模块、主控制模块和无线收发模块供电。

9.根据权利要求1所述的自供能无线温度传感器，其中，当所述供热管线内的温度高于环境温度5℃以上时，由于自然热传导，所述热电发生器两面产生大于1℃的温差。

10.根据权利要求1所述的自供能无线温度传感器，其中，所述主控制模块包括超低功耗单片机MSP430F122，所述无线收发模块是包括Si4432的短程无线收发模块。