CN105318976A - 基于电磁共振的电缆中间接头无线温度传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电磁共振的电缆中间接头无线温度传感装置。本发明中主机具有无线供电和蓝牙通讯能力，通过向电缆中间接头内的无源无线通讯温度传感器发射电磁波，当接收到来自无源无线通讯温度传感器的蓝牙信号后将温度数据整理成标准规约送至Internet网络最终到达服务器；实现智能化在线监测设备的管理。本发明采用电磁共振原理以及蓝牙数据通讯的形式，实现传感器无源供电、无线数据采集的功能。使得安装更方便快捷，电缆中间接头在线监测过程更安全、数据采集更高效的控制方法。

Description

基于电磁共振的电缆中间接头无线温度传感装置

技术领域

本发明属于电力在线监测技术领域，涉及一种基于电磁共振的电缆中间接头无线温度传感装置。

背景技术

现有通用的电力在线监测设备与传感模块采用的是有线供电及通讯总线方式。由于有线传输不适用于全密封个体的安装条件。外部主机对电缆中间接头内部的温度测量无法使用有线连接；因此有线连接在密封个体情况下测量工作中的局限性更为明显。

发明内容

本发明的主要解决原有在线监测主机设备不能直接对电缆中间接头金属层的温度测量。本发明采用电磁谐振式无线电能传输和无线蓝牙信号传输的形式，实现温度数据的采集。无需考虑电源及通讯的接连方式，从而更方便、更安全有效。

本发明的技术方案为：本发明包括主机、无线温度采集器、服务器。

主机具有电磁谐振式电能传输及蓝牙通讯能力。主机通过无线电能传输，激活无线温度采集器中的电源供电给整个模块，其中温度传感器DS18B20获取温度值后通过蓝牙信号向主机发送数据。主机在收到无线温度采集器的蓝牙信号后将温度数据整理成标准规约送至Internet网络最终到达服务器。实现温度的在线监测目的。

所述的主机其实现电路中的控制芯片采用STM32F103R8T6，还包括电源电路、晶振电路、存储电路和复位电路。

电源电路中电源端从接插件P3输入，直流电压5～12V；输入类型为开关电源或移动电源；通过前端电容滤波后，经芯片LM2576HV-3.3稳压后输出3.3V稳定的电压后给整个电路供电。

磁共振发生电路由芯片XKT-408部分构成，通过T5336芯片输出放大；

蓝牙通讯电路由芯片NRF24L01部分构成，通过SPI通讯总线完成对无线温度模块的蓝牙系统配对，并进行有效数据通讯；

串口通讯电路由芯片MAX232ACSE部分构成，将系统内TTL电平转换成外部DTU串口通讯电平实现服务器端的规约通讯；

晶振电路中电阻R6、电阻R7、电容C7、电容C8、晶振Y1构成低频震荡电路，提供产生延时或休眠前提下的基准时钟；电容C12、电容C13、晶振Y2构成控制芯片正常工作下的时钟电路，提供通讯时基，由这个震荡电路提供串口通讯或蓝牙通讯波特率的产生依据；

复位电路，由电阻R8、电容C9和开关S1构成，实现低电平触发复位。

所述无线温度采集器其实现电路中的控制芯片采用Atmage48，还包括电磁取电电路、DS18B20温度检测电路、蓝牙通讯电路：

电磁取电电路由芯片T3168部分构成，通过电磁共振方式获得5V稳定电源；

温度检测电路由芯片DS18B20部分构成，通过单总线方式访问检测温度；

蓝牙通讯电路由芯片NRF24L01部分构成，通过SPI总线完成温度数据的实时传送；

本发明的有益效果在于：

1、无需电源，安装施工方便快捷，不产生线束成本。

2、无需考虑通讯总线，设备安装方便经济。

3、设备连接无线束，提高了电缆中间接头的密封性及安全性。

4、极大的兼容性，功能可扩展可升级。

5、无源温度采集模块的密封式安装，具有较高的可靠性和免维护性，维护成本很低。

附图说明

图1为主机与无线温度采集器的工作示意图。

图2为主机原理图。

图3为无线温度采集器实现电路原理。

图4为主机程序逻辑图。

图5为无线温度采集器的程序逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，电缆本体1、3，电缆中间接头2内嵌入无线温度采集器4。主机5具有电磁发射和蓝牙通讯能力，通过向电缆中间接头2发送电磁波。密封在电缆中间接头金属层上的无线温度采集器4通过电磁谐振原理获得电能向自身系统提供电源，再由内部温度传感芯片采集温度并通过已配对完成的蓝牙向主机5发送实时温度值。主机5提供串口外接网络模块并将数据处理成标准规约发送至服务器实现电缆中间接头温度的在线监测功能。

图2为主机原理图。这里主要以U3(STM32F103R8T6)系列作为无线输电、数据处理和无线通讯功能实现的控制芯片。

电源端从P3输入，直流电压5～12V。输入类型可以是开关电源或移动电源（锂电池、铅蓄电池）。通过前端电容滤波后，经U2(LM2576-3.3)稳压后输出3.3V稳定的电压后给整个电路供电。电路中C15～C20，通过R11、R12隔离后会产生一个简单的模数电源，用以区分模拟地和数字地分别提供给控制芯片U3。电源由电源管理芯片U2的1号引脚接电容C3、C4的正极，3、5、6号引脚接电容C3、C4的另一端并接地。芯片U2的2号引脚接电感L1的1号引脚和二极管D1负极，电感L1的2号引脚输出3.3V电源，二极管D1的另一端接地。芯片U2的4号引脚接电容C5、C6的正极和3.3V输出电源。电容C5、C6的负极接地。3.3V电源正极经过接电容C15、C16、C17、C18的一端经过电阻R11输出数字正。电容C15、C16、C17、C18的另一端接电源地后经过电阻R12输出数字地。数字正和数字地间并联电容C19、C20。

单片机芯片有二个晶振电路：R6、R7、C7、C8、Y1构成低频震荡电路，提供产生延时或休眠前提下的基准时钟；C12、C13、Y2构成控制芯片正常工作下的时钟电路，提供通讯时基，由这个震荡电路提供蓝牙SPI通讯和外部串口波特率的产生依据。芯片U3的19、32、48、64接3.3V电源正极，18、31、47、63接3.3V电源地。单片机U3的13号引脚接数字正，12号引脚接数字地。芯片U3的44引脚接MOS管Q1的控制极，控制对外部设备电源的输出。芯片U3的54、45引脚接端子P4的5、6号引脚作为外部中断信号接入。

电磁共振无线发送电路由U4（XKT-408）部分构成，通过U5（T5336）部分完成电磁信号的放大发射。

蓝牙数据发送由蓝牙芯片U6（NRF24L01）部分构成，通过SPI总线方式与控制芯片U3完成数据的无线上传功能。蓝牙芯片U6的7、15、18号引脚接5V电源正极，8、14、17、20号引脚接地。芯片U6的9、10引脚并联晶振Y3。晶振Y3的1号引脚接电容C25，2号引脚接电容C24，电容C24、C25的另一端接地，该部分构成时钟电路，为蓝牙芯片提供准确的时钟信号。芯片U6的1号引脚接单片机U3的50号引脚，此处为SPI总线通讯的使能控制。芯片U6的3号引脚接单片机U3的55号引脚，此处为SPI总线通讯的时钟控制。芯片U6的4号引脚接单片机U3的56号引脚，此处为蓝牙芯片向单片机发送的数据端。芯片U6的5号引脚接单片机U3的57号引脚，此处为单片机向蓝牙芯片发送的数据端。芯片U6的2号片选控制引脚接单片机U3的27号引脚进行片选控制，6号中断引脚接单片机U3的58号引脚。芯片U6的11、13号引脚按顺序串联二只电感L4、L5，串联之间引脚返回芯片U6的12号引脚。芯片U6的13号引脚与电感L4之间接入电感L3，电感L3的另一端接电容C14，电容C14另一端接入单片机U3的59号反馈引脚，并连接电容C23，电容C23另一端接地。芯片U6的11号引脚并联电容C21、C22，电容C21、C22另一端接地。芯片U6的16号引脚接电阻R13后接地，19号引脚接电容C26后接地。

外部串口通讯电路由芯片U1(MAX232ACSE)部分构成。芯片U1的16号引脚接3.3V电源正极，15号引脚接电源地，2号引脚接数字正，6号引脚接数字地。芯片U1的1、3引脚间接电容C1。芯片U1的4、5引脚间接电容C2。芯片U1的11号引脚接单片机U3的16号引脚，进行单片机数据的发送。芯片U1的12号引脚接单片机U3的17号引脚，进行单片机数据的接收。芯片U1的13、14号引脚对接外部串口通讯设备，完成TTL电平转换的隔离。

该电路过程就是通过电源管理芯片从电池或外部获得电源后由电磁共振无线发送部分向外发送电磁能量波，通过蓝牙通讯部分接收温度数据信号，再通过单片机处理温度数据转换成后台标准规约数据包由串口发出给其它连接设备（DTU）。

图3为无线温度采集器。这里主要以超低功耗芯片U1（Atmega48A-MUR）作为电磁共振无线接收、温度测试和蓝牙通讯功能实现的控制芯片。单片机U1内部自带时钟电路，无需外接，可直接为系统提供准确的时钟信号用于总线通讯。U1的4、6、18号引脚接5V电源正极，3、5、20、21接地，构成基本单片机电路。

电磁共振无线接收电路由U4（T3168）分部构成，通过电磁谐振原理，获取相匹配电磁波后产生稳定的5V电源给整传感器供电。线圈L5与电容C10并联，构成基本谐振电路感应磁场变化，一端接公共地，另一端连接二极管D1整流后接电容C9的正端进行储能后进入芯片U4的第2、7号管脚，电容C9负端接公共端，芯片U4的4号管脚接地，形成之前的接收回路。芯片U4的3号引脚接二极管D2的正极并与电感L4的一端相连，芯片U4将接收到的感应电转换成PWM波通过电感L4与二极管D2构成的钳制平稳输出5V电源，二极管D2的负极接地，电感L4另一端输出至5V电源正极端。5V电源正极端与公共地间并联电容C8储能滤波。电容C8正极接电阻R3，电阻R3串联另一只电阻R4后将输出电压信号分压反馈给芯片U4的5号引脚，对输出电源进行调整。电阻R4的另一引脚接公共地。

温度测试由芯片U3（DS18B20）部分构成，通过单总线方式与控制芯片U1完成温度数据的获取。其中芯片U3的1号引脚为电源输入端接5V电源，3号引脚接地，2号引脚接单片机U1的23号引脚。通过单片机U1的23号引脚向温度传感芯片U3的2号引脚发送指令并接收温度数据。

最后蓝牙数据发送由蓝牙芯片U2（NRF24L01）部分构成，通过SPI总线方式与控制芯片U1完成数据的无线上传功能。蓝牙芯片U2的7、15、18号引脚接5V电源正极，8、14、17、20号引脚接地。芯片U2的9、10引脚并联晶振Y1。晶振Y1的1号引脚接电容C6，2号引脚接电容C5，电容C5、C6的另一端接地，该部分构成时钟电路，为蓝牙芯片提供准确的时钟信号。芯片U2的1号引脚接单片机U1的14号引脚，此处为SPI总线通讯的使能控制。芯片U2的3号引脚接单片机U1的17号引脚，此处为SPI总线通讯的时钟控制。芯片U2的4号引脚接单片机U1的15号引脚，此处为蓝牙芯片向单片机发送的数据端。芯片U2的5号引脚接单片机U1的16号引脚，此处为单片机向蓝牙芯片发送的数据端。芯片U2的2号片选控制引脚接单片机U1的7号引脚进行片选控制，6号中断引脚接单片机U1的8号引脚。芯片U2的11、13号引脚按顺序串联二只电感L3、L2，串联之间引脚返回芯片U2的12号引脚。芯片U2的13号引脚与电感L2之间接入电感L1，电感L1的另一端接电容C1，电容C1另一端接入单片机U1的13号反馈引脚，并连接电容C4，电容C4另一端接地。芯片U2的11号引脚并联电容C2、C3，电容C2、C3另一端接地。芯片U2的16号引脚接电阻R1后接地，19号引脚接电容C7后接地。

该电路过程就是通过电磁共振无线接收部分产生电源提供给单片机、蓝牙通讯部分和温度采集部分的电路。通过单片机获得温度采集部分的温度值，再通过蓝牙部分向外发送温度数据的蓝牙通讯信号。

图4为主机程序逻辑图。开机后STM32F103R8T6控制芯片先运行NRF24L01驱动程序，并始终连接电缆中间接头内蓝牙模块。连接成功后，始终等待数据接收。当接收到数据后将温度数据打包成标准规约报文通过串口发送出外部通讯设备给网络并最终到达后台服务器，最后再次返回等待接收蓝牙数据。

图5为无线温度采集器的程序逻辑图。当无线温度采集器获得电能后即通过控制芯片ATmega48A驱动DS18B20温度传感芯片，启动完成后再启动NRF24L01蓝牙芯片，否则一直等待DS18B20芯片启动成功。当蓝牙芯片启动并连接成功后控制芯片读取DS18B20温度值。否则一直等待蓝牙连接成功。控制芯片读到温度值后通过蓝牙芯片平均每秒循环向主机发送数据。

Claims (1)

1.基于电磁共振的电缆中间接头无线温度传感装置，包括主机、无线温度采集器、服务器，其特征在于：

具有电磁谐振式无线电能传输能力和蓝牙通讯能力的主机，通过发射电磁共振向电缆中间接头内的温度传感器提供电能；温度传感器得到电磁共振转换后的电量后进行温度测量，经过温度测量后由蓝牙信号向外发送实时温度值；主机中蓝牙接收到温度值后整理成标准规约送至Internet网络最终到达服务器，实现了主机与传感器无源无线连接，网络与设备的智能化管理；

主机将电缆中间接头内金属层监测到的温度数据发送至后台；无线温度采集器置于中间接头内的金属层上，无需外部供电，也无需CT取电，可以完全密封在中间接头内；便于操作人员在后台直观检查电缆中间接头内金属层的温度，不用担心传感器电源二次回路或不能完全密封带来的问题；

所述的主机其实现电路中的控制芯片采用STM32F103R8T6，还包括电源电路、电磁共振发生电路、蓝牙通讯电路、串口通讯电路、晶振电路和复位电路：

电源电路中电源端从接插件P3输入，直流电压5～12V；输入类型为开关电源或移动电源；通过前端电容滤波后，经芯片LM2576HV-3.3稳压后输出3.3V稳定的电压后给整个电路供电；

电磁磁共振发生电路由芯片XKT-408部分构成，通过T5336芯片输出放大；

蓝牙通讯电路由芯片NRF24L01部分构成，通过SPI通讯总线完成对无线温度模块的蓝牙系统配对，并进行有效数据通讯；

串口通讯电路由芯片MAX232ACSE部分构成，将系统内TTL电平转换成外部DTU串口通讯电平实现服务器端的规约通讯；

晶振电路中电阻R6、电阻R7、电容C7、电容C8、晶振Y1构成低频震荡电路，提供产生延时或休眠前提下的基准时钟；电容C12、电容C13、晶振Y2构成控制芯片正常工作下的时钟电路，提供通讯时基，由这个震荡电路提供串口通讯或蓝牙通讯波特率的产生依据；

复位电路，由电阻R8、电容C9和开关S1构成，实现低电平触发复位；

所述无线温度采集器其实现电路中的控制芯片采用Atmage48，还包括电磁取电电路、DS18B20温度检测电路、蓝牙通讯电路：

电磁取电电路由芯片T3168部分构成，通过电磁共振方式获得5V稳定电源；

温度检测电路由芯片DS18B20部分构成，通过单总线方式访问检测温度；

蓝牙通讯电路由芯片NRF24L01部分构成，通过SPI总线完成温度数据的实时传送。