CN109900375A - 一种基于微能量采集的无线测温系统及其测温方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微能量采集的无线测温系统，包括温度传感器、采集模块、接收模块、通信模块和上位机；采集模块包括能量收集单元和信号处理器，接收模块采用数据中转器，温度传感器与信号处理器连接；能量收集单元连接有震动能量发生器，能量收集单元与信号处理器连接，震动能量发生器与能量收集单元之间设有由压电陶瓷装置，通过震动能量发生器在运行中产生的部分动能作为能量来源，借助压电陶瓷装置，利用压电效应产生的电能为无线测温系统提供电能，保证无线温度传感器正常带电工作，实现温度信号的检测和无线传输功能，配合上位机完成整个系统的检测和节能控制等工作，以应对工业场合中传感器数量繁多，接线复杂且不能离线工作的场景。

Description

一种基于微能量采集的无线测温系统及其测温方法和应用

技术领域

本发明属于温度监控领域，具体涉及一种基于微能量采集的无线测温系统及其测温方法和应用。

背景技术

随着汽车的大量投入生活，人们对于汽车的安全性能要求越来越高。汽车的安全性体现在制动系统的稳定，而制动盘是汽车制动系统的核心部件。汽车在行进过程中由于频繁刹车会导致制动盘的温度升高，而其温度直接影响制动盘的工作性能，因此对于制动盘温度的测试显得尤为重要。

传统的测温系统采用温度传感器进行信息的采集，安装时都会连接包括电源线和信号线等诸多线路。但由于制动盘的特殊环境，过多的连线将为系统的稳定运行埋下安全隐患。无线传感器凭借较高的灵活性、安全可靠性、成本低等优势，逐渐占领了众多场合的信号采集部分。目前市场上的无线传感器一般靠电池供电，存在需要定时检修，更换电池等问题，在一些场合，设备的断电检修，意味着生产终止，给产品生产进度，产品质量带来诸多不利影响，甚至产生更多不可控的后果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微能量采集的无线测温系统及其测温方法和应用，解决了目前采用温度传感器进行信息采集，线路多造成安全隐患的问题，及依靠电池供电存在需要定时检修，更换电池的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于微能量采集的无线测温系统，包括温度传感器、采集模块、接收模块、第一通信模块、第二通信模块和上位机；采集模块包括用于微能量收集管理的能量收集单元和信号处理器，接收模块采用数据中转器，数据中转器用于处理采集模块发送来的温度数据；

温度传感器与信号处理器连接，信号处理器用于将温度传感器测得的温度信号转换为电压信号；

能量收集单元连接有震动能量发生器，能量收集单元与信号处理器连接，信号处理器通过第一通信模块与数据中转器连接，数据中转器通过第二通信模块与上位机通讯；

震动能量发生器与能量收集单元之间设有由压电陶瓷装置，压电陶瓷装置用于将震动能量发生器产生的动能转化为压电能。

进一步，采集模块还连接有备用电池或电容，压电能、备用电池和电容所形成的电源由能量收集单元转换管理。

进一步，第一通信模块采用2.4G无线通讯方式，第二通信模块通讯采用网口通讯方式，网口通讯采用以太网控制器芯片W5500作为以太网物理层。

进一步，信号处理器采用单片机MSP430AFE253。

进一步，信号处理器的一个通道采集热电偶电压，另一个通道采集冷端补偿电压进行冷端补偿。

进一步，能量收集单元采用ADP5091芯片。

进一步，ADP5091芯片上设有三个电源输入端和两个电源输出端；

三个电源输入端分别为VIN管脚、BACKUP管脚和BAT管脚，VIN管脚作为主电源输入，BAT管脚作为可充放的系统电源输入，用于外接电容或电池；BACKUP管脚用于外接额外的电池；

两个电源输出端分别为SYS管脚和REG_OUT管脚，SYS管脚用于给ADP5091芯片本身供电，REG_OUT管脚作为采集模块的主电源路径。

进一步，数据中转器采用STM32F103RCT6芯片。

采用上述的基于微能量采集的无线测温系统的测温方法，具体包括以下步骤：

步骤一、震动能量发生器震动进而产生动能，压电陶瓷装置将动能转化为压电能，压电能收集在能量收集单元中；

步骤二、产生压电能以后，温度传感器开始工作，温度传感器采集被测对象的温度信号，并将温度信号发送给信号处理器，信号处理器将温度信号转换为电压信号；

步骤三、然后通过第一通信模块将电压信号发送到数据中转器中处理，最后通过第二通信模块将数据中转器处理后的数据发送到上位机。

本发明还公开了所述的基于微能量采集的无线测温系统在检测汽车制动盘温度上的应用，将温度传感器安装在制动盘上，将采集模块安装在与制动盘连接的制动轴上，将接收模块和上位机安装至汽车内。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的基于微能量采集的无线测温系统，包括温度传感器、采集模块、接收模块、第一通信模块、第二通信模块和上位机，采集模块包括用于微能量收集管理的能量收集单元和信号处理器，接收模块采用数据中转器；能量收集单元连接有震动能量发生器，震动能量发生器与能量收集单元之间设有由压电陶瓷装置，通过震动能量发生器在运行中产生的部分动能作为能量来源，借助压电陶瓷装置，利用压电效应产生的电能为无线测温系统提供电能，保证无线温度传感器正常带电工作，实现温度信号的检测和无线传输功能，配合上位机完成整个系统的检测和节能控制等工作。此系统减少如定期更换电池等检修工作带来的人力物力损耗、降低各种不安全因素、能够高效的完成采集任务，用以应对工业场合中传感器数量繁多，接线复杂且不能离线工作的场景。

进一步，采集模块还连接有备用电池或电容，压电能、压电能、备用电池和电容所形成的电源由能量收集单元转换管理。当震动能量发生器不工作时，温度传感器采用备用电池或电容供电，当压电陶瓷装置将震动能量发生器产生的动能转化为压电能以后，温度传感器的电源路径由备用电池或电容转换为压电能；这样可以节省备用电池或电容的能耗，即便是电池没电了，依然可以实现温度的采集，使得测温系统适应不同的环境需要。

进一步，第二通信模块采用以太网控制器芯片W5500作为以太网物理层，W5500的使用新的高效SPI协议，支持80MHz速率，从而能够更好的实现高速网络通讯，为了减少系统功耗，W5500提供了网络唤醒模式以及掉电模式供使用者选择。

进一步，信号处理器一个通道采集热电偶电压，一个通道采集冷端补偿电压进行冷端补偿计算，利用Cu50测量基准节点温度，反推获得冷端电压，从温度传感器获得的测量电压并加上冷端电压以获得结点电压，满足被测对象的极限温度要求。

进一步，能量收集单元采用ADP5091作为微能量收集管理芯片，具有多电源路径管理的功能。

本发明公开的测温方法，通过震动能量发生器在运行中产生的动能作为能量来源，借助压电陶瓷装置，利用压电效应产生的电能为无线测温系统提供电能，保证温度传感器正常带电工作，温度传感器采集被测对象的温度信号，并将温度信号发送给信号处理器，信号处理器将温度信号转换为电压信号；然后通过第一通信模块将电压信号发送到数据中转器中处理，最后通过第二通信模块将数据中转器处理后的数据发送到上位机，在上位机上显示温度曲线变化。实现温度信号的检测和无线传输功能，配合上位机完成整个系统的检测和节能控制等工作。

本发明公开的无线测温系统在检测汽车制动盘温度上的应用，将温度传感器安装在制动盘上，将采集模块安装在与制动盘连接的制动轴上，将接收模块和上位机安装至汽车内，在汽车启动后，利用发动机的固有振动，经由压电陶瓷转化为电能进入能量收集单元，不断为温度采集系统提供电能，温度传感器采集制动盘的温度，经由采集模块和接收模块发送至上位机，在上位机上实时绘制温度曲线，显示变化趋势，并通过温度走向给出制动盘当前状态，以便司机随时观察温度变化，可以有效解决汽车制动盘测温，接线复杂不能离线的现状的问题，降低了、物力和财力以及各种不安全因素。

附图说明

图1为本发明的基于微能量采集的无线测温系统的系统原理框图；

图2为本发明的基于微能量采集的无线测温系统与制动盘的安装结构示意图；

图3为本发明的能量收集单元的管脚图。

其中，1为温度传感器，2为采集模块，3为制动盘，4为制动轴。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明的基于微能量采集的无线测温系统，包括温度传感器1、采集模块2、接收模块、第一通信模块、第二通信模块和上位机；采集模块2包括用于微能量收集管理的能量收集单元和信号处理器，接收模块采用数据中转器，数据中转器用于处理采集模块2发送来的温度数据；温度传感器1与信号处理器连接，信号处理器用于将温度传感器1测得的温度信号转换为电压信号；能量收集单元连接有震动能量发生器，能量收集单元与信号处理器连接，信号处理器通过第一通信模块与数据中转器连接，数据中转器通过第二通信模块与上位机通讯；震动能量发生器与能量收集单元之间设有由压电陶瓷装置，压电陶瓷装置用于将震动能量发生器产生的动能转化为压电能。

通过震动能量发生器在运行中产生的部分动能作为能量来源，借助压电陶瓷装置，利用压电效应产生的电能为无线测温系统提供电能，保证无线温度传感器1正常带电工作，实现温度信号的检测和无线传输功能，配合上位机完成整个系统的检测和节能控制等工作。此系统减少如定期更换电池等检修工作带来的人力物力损耗、降低各种不安全因素、能够高效的完成采集任务，用以应对工业场合中传感器数量繁多，接线复杂且不能离线工作的场景。

采集模块2包括能量收集单元和信号处理器，其中温度传感器1采用K型热电偶，具有较宽的温度采集范围；能量收集单元采用ADP5091作为微能量收集管理芯片，具有多电源路径管理的功能；信号处理器采用TI的低功耗微处理器MSP430AFE253。

TI低功耗MSP430AFE253单片机的一个通道采集热电偶电压，另一个通道采集冷端补偿电压进行冷端补偿计算，冷端即为采集模块2所在点的当前环境温度，利用Cu50测量基准节点温度，反推获得冷端电压，从K型热电偶获得的测量电压并加上冷端电压以获得结点电压，根据热电偶自身电压—温度关系查表获知节点温度，温度测量范围为0～800℃，具有较宽范围，满足制动盘3的极限温度要求。

采集模块2主要负责温度信号的采集，主要将紧贴被测对象的K型热电偶采集到的温度信号(此处以电压信号的形式进行传输)传递给低功耗单片机MSP430AFE253。

更优地，采集模块2的电源部分由三部分组成：压电能量、备用电池、小型超级电容。三部分电源路径通过ADP5091芯片进行转换管理，电源路径管理结构如图3所示。能量采集的具体工作流程为：

压电能通过全桥整流器把交流电流变成直流电流整流桥使用0.3V管压降，低漏电流的二极管构成，使得在全桥上本身消耗的功率很低。四个低漏电流的二极管把ADP5091的开路输入电压限制在2.8-3.6V，以控制开路输入电压。对于ADP5091，它有三个电源输入端，VIN管脚是主电源输入，可以支持80mV到3.3V的输入、冷启动时，支持最低到380mV的冷启动电压；BAT管脚是可充放的系统电源输入，可以外接超级电容或锂电池。当主电源失去时，系统由BAT管脚接的电源来供电，直到BAT电源上电压跌到一定的幅值；BACKUP电源输入管脚，这个管脚是外接额外的电池，当系统主电源无输入，BAT上的电压也没有或者很低的情况下，BACKUP的电源给系统供电，但BACKUP是单向输出，无法充电，该管脚一般接一次性电池。ADP5091还有2个电源输出端，包括一个SYS电源输出，给这个芯片本身供电；一个REG_OUT输出，给系统电路供电。我们使用REG_OUT输出作为采集部分主电源路径。

当采集模块2还连接有备用电池或电容时，温度传感器1首先由备用电池或电容启动，采集被测对象的温度信号；同时震动能量发生器震动进而产生动能，压电陶瓷装置将震动能量发生器产生的动能转化为压电能，压电能收集在能量收集单元中；产生压电能以后，温度传感器1的电源路径由备用电池或电容转换为压电能；温度传感器1继续采集被测对象的温度信号，并将温度信号发送给信号处理器，信号处理器将温度信号转换为电压信号，然后通过第一通信模块将电压信号发送到数据中转器中处理，最后通过第二通信模块将数据中转器处理后的数据发送到上位机。

接收模块包括数据中转器，其中数据中转器采用ST的处理器STM32F103RCT6，数据中转器通过2.4G通讯模块与信号处理器通讯，数据中转器通过网口通讯与上位机通讯，网口通讯使用WIZnet的W5500作为以太网物理层。上位机基于QT开发，用来显示温度曲线变化以及模型盘性能评估指数。

采集模块2将计算好的温度值通过2.4无线通讯方式，发送给接收模块，采用STM32F103RCT6将接收到的信号再通过以太网发送给上位机监控平台。

以太网采用经典的RJ-45接口，可以工作在半双工、全双工模式下。网络插座采用Han Run公司的HR911105A接口。自带LED状态指示灯，显示通讯活动状态，并且内部自带网络变压器，提高抗干扰能力，使其传输距离更远。STM32F103RCT6通过SPI协议连接以太网控制器W5500，结合RJ-45接口，实现以太网通讯。W5500是一款全硬件的TCP/IP(网络通讯协议)嵌入式以太网控制器，为嵌入式系统提供了一种更加简易的互联网连接方案，其提供了SPI作为外设MCU接口，共有SCSn、SCLK、MOSI、MISO四路信号，作为SPI从机工作。而且，W5500的使用了新的高效SPI协议支持80MHz速率，从而能够更好的实现高速网络通讯。为了减少系统功耗，W5500提供了网络唤醒模式以及掉电模式供使用者选择。

当本无线测温系统应用于汽车制动盘3的温度监控时，温度传感器1以检测制动盘3温度为目的，其安装示意图如图2所示。温度传感器1安装在制动盘3上，紧贴温度源，保证了所采集温度的有效性；采集模块2安装在制动轴4上，制动轴4牵引着制动盘3转动，温度传感器1和采集模块2相对静止。接收模块和上位机安装至车内，保证驾驶人员可以及时获取温度等相关信息。

汽车启动后，无线测温系统激活，通讯校验正常后开始进入数据接收曲线绘制的过程。采集模块2在汽车启动后，利用发动机的固有振动，经由压电陶瓷转化为电能进入微能量收集单元。温度传感器1可由备用电池启动，在震动能量部分的电能正常工作后，电源路径修改为震动源，并保持采集系统的不断电运行。而后通过2.4G无线发送温度传感器1的温度数据到接收模块做数据中转处理，最终通过以太网将数据发送到上位机做显示。上位机通过以太网接收采集到的温度信息，实时绘制温度曲线，显示变化趋势，并通过温度走向给出制动盘3当前状态，以便管理者随时观察温度变化，及时预防故障的发生。

综上所述，本发明设计的基于微能量采集的无线测温系统，可以有效解决汽车制动盘测温，接线复杂不能离线的现状的问题，降低了人力、物力和财力，以及各种不安全因素，并且基于微能量采集的无线测温系统具有功耗小、工作稳定可靠和维护成本低等优点。

Claims (10)

1.一种基于微能量采集的无线测温系统，其特征在于，包括温度传感器(1)、采集模块(2)、接收模块、第一通信模块、第二通信模块和上位机；采集模块(2)包括用于微能量收集管理的能量收集单元和信号处理器，接收模块采用数据中转器，数据中转器用于处理采集模块(2)发送来的温度数据；

温度传感器(1)与信号处理器连接，信号处理器用于将温度传感器(1)测得的温度信号转换为电压信号；

能量收集单元连接有震动能量发生器，能量收集单元与信号处理器连接，信号处理器通过第一通信模块与数据中转器连接，数据中转器通过第二通信模块与上位机通讯；

震动能量发生器与能量收集单元之间设有由压电陶瓷装置，压电陶瓷装置用于将震动能量发生器产生的动能转化为压电能。

2.根据权利要求1所述的基于微能量采集的无线测温系统，其特征在于，采集模块(2)还连接有备用电池或电容，压电能、备用电池和电容所形成的电源由能量收集单元转换管理。

3.根据权利要求1所述的基于微能量采集的无线测温系统，其特征在于，第一通信模块采用2.4G无线通讯方式，第二通信模块通讯采用网口通讯方式，网口通讯采用以太网控制器芯片W5500作为以太网物理层。

4.根据权利要求1所述的基于微能量采集的无线测温系统，其特征在于，信号处理器采用单片机MSP430AFE253。

5.根据权利要求4所述的基于微能量采集的无线测温系统，其特征在于，信号处理器的一个通道采集热电偶电压，另一个通道采集冷端补偿电压进行冷端补偿。

6.根据权利要求1所述的基于微能量采集的无线测温系统，其特征在于，能量收集单元采用ADP5091芯片。

7.根据权利要求6所述的基于微能量采集的无线测温系统，其特征在于，ADP5091芯片上设有三个电源输入端和两个电源输出端；

三个电源输入端分别为VIN管脚、BACKUP管脚和BAT管脚，VIN管脚作为主电源输入，BAT管脚作为可充放的系统电源输入，用于外接电容或电池；BACKUP管脚用于外接额外的电池；

两个电源输出端分别为SYS管脚和REG_OUT管脚，SYS管脚用于给ADP5091芯片本身供电，REG_OUT管脚作为采集模块(2)的主电源路径。

8.根据权利要求1所述的基于微能量采集的无线测温系统，其特征在于，数据中转器采用STM32F103RCT6芯片。

9.采用权利要求1～8任意一项所述的基于微能量采集的无线测温系统的测温方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一、震动能量发生器震动进而产生动能，压电陶瓷装置将动能转化为压电能，压电能收集在能量收集单元中；

步骤二、产生压电能以后，温度传感器(1)开始工作，温度传感器(1)采集被测对象的温度信号，并将温度信号发送给信号处理器，信号处理器将温度信号转换为电压信号；

步骤三、然后通过第一通信模块将电压信号发送到数据中转器中处理，最后通过第二通信模块将数据中转器处理后的数据发送到上位机。

10.权利要求1～8任意一项所述的基于微能量采集的无线测温系统在检测汽车制动盘温度上的应用，其特征在于，将温度传感器(1)安装在制动盘(3)上，将采集模块(2)安装在与制动盘(3)连接的制动轴(4)上，将接收模块和上位机安装至汽车内。