CN204461635U - 基于太阳能供电的高压母线无线温度监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于太阳能供电的高压母线无线温度监测装置，主要由能量采集模块、温度传感器和数据传输与处理模块构成，其中能量采集模块包括bq25504能量采集芯片、太阳能板和锂电池，太阳能板通过导线连接bq25504能量采集芯片的输入引脚，锂电池与bq25504能量采集芯片的输出接口相连，cc2530芯片的电源接入端口与bq25504能量采集芯片的电能输出端口相连，DS18B20数字式温度传感器通过I/O口连接cc2530芯片。本实用新型设计结构简单，采集太阳能具有绿色环保、可再生的优势，此种基于采集能量的供电方式可以推广至很多其他的低功耗应用环境中。

Description

基于太阳能供电的高压母线无线温度监测装置

技术领域

本实用新型属于电力测量技术领域，具体涉及一种基于太阳能供电的高压母线无线温度监测装置。

背景技术

在输变电系统中，载流母线等电力设备在负载电流过大或表面出现氧化时会出现温升过高，长时间不加处理会导致相邻的部件性能裂化，导致击穿、故障停电等安全问题。当前常见的几种高压电力测温方法分别是：示温蜡片法、红外线测温仪、光纤测温系统以及无线测温系统。示温蜡片法和红外线测温仪均需人工巡查，无法得到实时数据，光纤测温系统存在易折、易断、不耐高温、柜内布线难度较大等缺点。因而，无线测温系统已成为高压电力测温的首选方式。

这些温度监测方案有一个共同的问题就是电源供电问题。当前的无线测温方案大多采用电池供电，内置电池的寿命、电池尺寸和外边尺寸的制约，都对产品的使用寿命和维护有着至关重要的影响。采用高能电池加低功耗技术，电池的寿命也很短，因此给系统的维护带来了极大的困难和成本消耗。同时在高压环境下，维护或更换电池将变成不可能完成的事情，直接影响了产品的正常使用。因此，自供电方案将成为高压母线温度测量的必然要求。

国外有很多方案采用特殊电流互感器（CT）作为自励电源的方式解决高压母线温度测量的自供电问题，其特征是从母线电流获取能量，通过电磁感应直接从待测高压母线磁场获取能量作为温度监测设备能量来源。这些方式存在如下缺点：电磁感应产生的电流是交流电，需要复杂的稳压和交直流转换电路处理后才能给温度检测设备供电，同时，该方案也存在结构复杂、器件等级要求高的问题。

发明内容

本实用新型解决的技术问题是提供了一种基于太阳能供电的高压母线无线温度监测装置，有效解决了高压母线无线测温系统的长期供电问题。

本实用新型为解决上述技术问题采用如下技术方案，基于太阳能供电的高压母线无线温度监测装置，其特征在于主要由能量采集模块、温度传感器和数据传输与处理模块构成，其中能量采集模块包括bq25504能量采集芯片、太阳能板和锂电池，bq25504能量采集芯片是具有电池管理功能的超低功耗的升压转换器，能够收集毫瓦级能量，太阳能板为多晶硅太阳能板，该多晶硅太阳能板通过导线连接bq25504能量采集芯片的输入引脚，锂电池与bq25504能量采集芯片的输出接口相连，数据传输与处理模块包括cc2530芯片，该cc2530芯片集成了增强型8051单片机、8KB的RAM、256KB的闪存、8通道12位A/D转换器和2个USART接口，cc2530芯片的电源接入端口与bq25504能量采集芯片的电能输出端口相连，温度传感器为DS18B20数字式温度传感器，该DS18B20数字式温度传感器通过I/O口连接cc2530芯片。

本实用新型最大特点是对无线测温模块增加了采集太阳能量采集单元，由太阳能板采集光能，进行升压转换并将能量存储在锂电池或超级电容中，为无线测温模块稳定供电，大大延长了电池供电周期。本实用新型设计结构简单，采集太阳能具有绿色环保、可再生的优势。此种基于采集能量的供电方式可以推广至很多其他的低功耗应用环境中。

附图说明

图1是本实用新型的线路模块图，图2是本实用新型中能量采集模块的线路连接图，图3是本实用新型中能量采集模块的工作流程图。

具体实施方式

结合附图详细描述本实用新型的具体内容。基于太阳能供电的高压母线无线温度监测装置，主要由能量采集模块、温度传感器和数据传输与处理模块构成，其中能量采集模块包括bq25504能量采集芯片、太阳能板和锂电池，bq25504能量采集芯片是具有电池管理功能的超低功耗的升压转换器，能够收集毫瓦级能量，太阳能板为多晶硅太阳能板，该多晶硅太阳能板通过导线连接bq25504能量采集芯片的输入引脚，锂电池与bq25504能量采集芯片的输出接口相连，数据传输与处理模块包括cc2530芯片，该cc2530芯片集成了增强型8051单片机、8KB的RAM、256KB的闪存、8通道12位A/D转换器和2个USART接口，cc2530芯片的电源接入端口与bq25504能量采集芯片的电能输出端口相连，温度传感器为DS18B20数字式温度传感器，该DS18B20数字式温度传感器通过I/O口连接cc2530芯片。

对于发电厂内每根高压母线上的测温模块，最多可安装6-8个温度传感器，监测母线接合处温度数据，并由Zigbee发射端发送至数据汇聚点，每根高压母线的测温模块之间组成Zigbee网络。为保证数据传送速率和准确性，一个数据汇聚点最多一般接收63个温度采集节点传来的温度数据。

无线测温模块主芯片采用了TI公司的cc2530芯片。cc2530芯片集成了增强型8051单片机、8KB的RAM、256KB的闪存、8通道12位A/D转换器和2个USART接口。支持2.0-3.6V供电电压，具有3种电源管理模式：唤醒模式0.2mA、睡眠模式1μA、中断模式0.4μA；具有较高的无线接收灵敏度和抗干扰性，传输距离大于75m，最高传输速率250kbps。

为了尽可能简化硬件电路设计，使模块小型化，本设计选用了DS18B20 数字式温度传感器，它具有全数字温度转换与输出、抗干扰能力强、功耗低、精度高等特点。温度测量范围为-55-125℃，在-10-85℃时精度为±0.5℃，尤其适用于精确测温场合。具有单总线的工作方式，与微处理器连接时仅需要一根信号线就可实现通信，并且该信号线可以为器件提供寄生电源。内置EEPROM，64位光刻ROM，内置产品序列号，可实现多个器件的连接。本设计中，由于传感器处于高压环境中，并与高压母线接触，所以采用塑料绝缘贴片式封装DS18B20数字式温度传感器，塑料绝缘贴片长20mm，宽7mm，厚3mm。

DS18B20数字式温度传感器通过I/O口连接cc2530芯片，它的读写时序很重要，要按照协议进行：初始化 DS18B20数字式温度传感器，发 ROM 功能命令，发存储器操作命令，处理数据。当cc2530芯片检测到有温度数据时，对数据进行处理，然后将数据按照写入单片机的时序程序发送。系统可设定每隔适当时间唤醒温度传感器检测一次温度，并由发射端发送一次数据，然后进入休眠状态。接收端接受数据，分析存储，可进行报警。在设计时为了更加主动安全地监测温度，PC端也要实时能唤醒监测系统，采集温度发送数据。

对于无线温度监测，供电单元的稳定与寿命直接制约着系统设计的成功与否。传统的方式一般采用电池供电，电池电量有限，过多频繁的更换电池不仅增加产业成本，并且造成环境污染。而采集绿色能源供电，不仅环保，同时也延长电池供电生命周期，很大程度上解决了无线传感网络技术的瓶颈短板。本设计采用了TI公司生产的超低功耗升压转换器bq25504采集能量，并存储能量到锂电池，为无线测温模块供电。供电单元电路设计包括最大功率点跟踪电路、电池阈值电压设定电路和负载（无线测温模块）接入驱动电路。

bq25504能量采集芯片支持最低330nA的超低静态电流的升压充电，功能全面，可管理太阳能，热电发生器（TEG）、电磁、振动等多种直流源所产生的微瓦级至毫瓦级功率。

（1）支持可编程动态最大功率点跟踪（MPPT）功能。可以调节输入电压，使输入源工作在较大功率状态，同时防止能量输入源损坏；

（2）具有电池充电保护功能。可以编程欠压和过压电平，防止负载和能量存储单元的损坏，同时支持可编程过热关闭的片载温度传感器；

（3）提供电池状态正常输出引脚。可编程阈值，提示电池是否工作正常，可用于驱动负载的接入与断开。

bq25504能量采集芯片输入功率范围要求为10-300mW，输入电压要求0.13-3V，输入电流不超过300mA，兼顾成本和尽可能小型化，本设计选用开路电压为1.5V，功率为150mW的多晶硅微型太阳能板，规格为60×50mm。

对于bq25504能量采集芯片与锂电池连接的输出端电压限制为2.5-5.25V，同时考虑Zigbee模块节点接收时峰值电流为24mA，发射时的峰值电流大约29mA，待机状态电流为0.9μA，可忽略不计，温度传感器工作所需电流大约9-18mA，留有余量，总电流可记为40mA，所以本设计选用的是额定电压为3.7V，容量为1600mAh的锂电池，电池电压充满电为4.2V，最低电压为2.75V，为cc2530芯片供电可外加DC-DC稳压模块。根据电池容量，若每10分钟无线测温节点工作一次，每次持续1分钟，计算可得，1600mAh的锂电池可供该节点工作将近18天。理论上如果平均每天能接受正常光照3-4小时，便可满足占空比为5%-10%的周期性长期供电，即采集充电电量大于消耗电量，理论上可直到电池充电寿命耗尽。

太阳能板输出电压随电池板输出电流增加而下降。如果输出电流过高，则电池板电压崩溃，并且输出功率急速降低。在bq25504能量采集芯片的输入端要进行电阻分压设定，参考电压由VOC_SAMP端口采集能量输入端的一个开路电压而获得，并保持在端口VREF_SAMP所接的电容C4中，升压转换器通过调节有效阻抗以校准输入电压接近参考电压，参考电压具体值由分压电阻R1和R2确定，电阻比设定为0.7-0.8之间。

为了防止锂电池出现过度放电或过度充电的情况，需对VBAT接口的电压阈值进行设定，以此控制内部连接VSTOR和VBAT两个接口的PFET开关的开启与断开。同时，由VBAT_OK接口输出的信号来控制负载与VSTOR接口之间的外部PFET开关。根据无线测温模块工作电压范围，cc2530芯片工作电压为2-3.6V之间，再根据选用的锂电池属性和DC-DC模块，综合考虑设定电池过压阈值为4.2V，欠压阈值为3.2V。分别由电阻R3、R4、R5、R6分压设定。

负载接入驱动电路由反相器和P型MOS开关组成。VBAT_OK端口是一个电池状态正常输出引脚，其阈值范围要设定在3.2-4.2V之间，正常状态输出高电平，否则输出低电平。本设计中使用的P型MOS开关，栅极输入低电平导通，输入高电平断开。所以，当VBAT_OK输出高电平，经反相电路，PFET开关栅极为低电平，开关导通，电池正常为无线测温模块供电。若电池电压异常，VBAT_OK接口输出电平为0，经反相电路，PFET开关栅极电压为高电平，开关断开，停止供电。由此保证无线测温模块工作在正常电压范围内。

能量采集芯片工作过程中，首先，芯片主升压器开启，判断相应引脚电压，若超过阈值电压，则停止充电或直接给单片机和射频模块供电；若在阈值范围内，则开启最大功率跟踪循环，收集太阳能板的能量给锂电池充电。充电过程中，判断锂电池电压和相应接口温度，若温度在正常范围内，表明电池电压正常，可接入负载供电；若电压异常，则移除负载，继续给电池充电。在能量采集过程中，若芯片温度超过阈值，则充电器就停止工作；当结点温度低于阈值时，充电系统自动重启，并循环上述电池电压判断过程。

本装置的总体工作流程：数据传输模块上电，能量采集模块开始工作，初始化温度传感器，单片机发送操作命令，接收来自温度传感器的数据。当单片机接收到温度数据时，对数据进行处理，然后将数据单片机的时序程序经过射频无线发射模块发送。单片机可设定每隔适当时间唤醒温度传感器检测一次温度，并由射频发射端发送一次数据，其余时间进入休眠状态，以满足低功耗要求并延长器件使用寿命。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围。

Claims (1)

1.基于太阳能供电的高压母线无线温度监测装置，其特征在于主要由能量采集模块、温度传感器和数据传输与处理模块构成，其中能量采集模块包括bq25504能量采集芯片、太阳能板和锂电池，bq25504能量采集芯片是具有电池管理功能的超低功耗的升压转换器，太阳能板为多晶硅太阳能板，该多晶硅太阳能板通过导线连接bq25504能量采集芯片的输入引脚，锂电池与bq25504能量采集芯片的输出接口相连，数据传输与处理模块包括cc2530芯片，该cc2530芯片的电源接入端口与bq25504能量采集芯片的电能输出端口相连，温度传感器为DS18B20数字式温度传感器，该DS18B20数字式温度传感器通过I/O口连接cc2530芯片。