一种新型自供电无线测温传感器控制系统设计与研究
江苏国网自控科技股份有限公司、丽水学院大学生创新实践空间、珠海恒瑞电力科技有限公司的研究人员姜万东、王野、沈克明、周海涛、李才勇，在2017年第6期《电气技术》杂志上撰文，设计实现了一种新型自供电型的无线测温传感器控制系统，包括无线信号转发中继装置及自供电取能电路，主要应用在高压触头、母线和电缆头无线测温传感器系统。
与常规无线测温传感器功能相比，新增功能包括：1）针对目前常规中继装置主要采用直流5V供电，无法接入市电问题，增加AC/DC开关电源直接接入市电AC220V；2）增加了一路无线通讯模块，将从无线测温传感器采集到的数据利用无线通讯的模式发送出去；3）增加了人机接口界面；4）增加了自供电无线测温传感器取能电路，提高了工作效率。
在工业、电力行业中，电气设备的正常运行保证了社会的正常运作以及人民的正常生活，因此设备的可靠性至关重要。众多企业提倡对设备进行预防性维护，而温度是预防性维护中最重要的监控参数，温度的过高或过低均意味着故障产生的可能性。实现温度在线监测是保证高压设备安全运行的重要手段[1-5]。
针对煤矿、石化、冶金等行业现场作业环境恶劣，布线困难，工作量大以及信号电缆维护成本较高等不足[6-10]，本文设计开发了一种新型无线测温传感器系统，包括无线信号中继装置和自供电取能电路。
其功能包括：1）增加了AC/DC开关电源，可以直接接入市电，无需用户外部提供直流5V电源或电源适配器；2）可提供无线数据转发。可将采集到的无线测温传感器数据，通过新增加的无线通讯模块再次以无线的形式转发出去；3）提供了人机界面，用户可以在就地通过无线中继观察到通过无线信号传输过来的无线测温传感器测量到的温度信息，又可以方便的设置配置参数，大大增加应用的灵活性；4）设计采用单线圈开路控制模式实现了自供电无线传感器取能电路。当电压升高时，电子开关是处在开路状态下，因此线圈的电流很小。因此，不会产生线圈发热的问题。同时利用电压升高时，使后续电路与主电路通过电子开关断开的方式来控制电压，效率大大提高。
1 现有的无线测温传感器系统
1.1 无线信号中继转发装置
如图1所示，现有无线测温传感器信号中继装置主要采用直流5V供电，无法直接接入市电，必须采用电源适配器或者其他设备提供的5V输出电源供电。采用无线通讯模块接收无线测温传感器发出的无线信号，并通过CPU处理后，驱动RS485通讯模块将温度采集信息通过双绞线输出到监控系统[11]。由于没有人机接口所以无法设置参数，必须出厂前固化好配置信息，才能进行通讯。
图1 当前无线测温传感器无线信号转发中继装置框图
采用传统的无线测温传感器无线信号转发中继，存在以下缺点：
1）采用弱电直流5V供电，由于电平低，在受到电磁干扰时，耐受容限很低，使中继装置无法正常运行。
2）用户必须外部提供外部直流5V电源，增加了硬件成本。
3）如图1所示，设计装置由于没有人机接口电路，用户无法在本地观察到无线温度传感器所采集的温度信息。用户虽然可以通过相应的辅件（如USB转RS485模块、无线接收模块）与笔记本电脑进行通信，通过相应的配置软件即可实现现场参数定值维护，但是增大了操作的繁琐性。同时，设备必须在出厂前固化好配置信息（例如RS485通讯地址以及通讯波特率等），无法满足现场灵活组网通讯的要求。
4）只提供RS485双绞线通讯方式，再用户布置网络线困难的情况下，无法满足用户需求（尤其是后期改造安装项目，再次布置网络线施工难度很大。因此用户多数情况下拒绝再次施工布线）。
1.2 自供电无线传感器供电电路
目前，传统的自供电无线测温传感器供电部分处理电路见图2。其工作原理是采用如下控制方式，环形铁芯有两组线圈，其中一组作为供电线圈，另一组为短路线圈。
工作原理如下：当高压在流体有电流通过后，产生交流电压UAC1，经过整流电路后对储能电容充电。LDO经过对储能电容电压进行线性变换后供后级电路供电。当电压超过设定值时（VDC电压不能过高，否则会损害电子电路），电压稳定反馈电路工作，控制电子开关导通，使短路线圈通过整流桥短路[12]。由于工作线圈和短路线圈同在一个铁芯上，短路线圈短路后，铁芯上的磁通基本都降落在短路线圈上，因此工作线圈上的电压就会降低。当工作线圈电压降低到设定值时，电压反馈电路控制电子开关打开，工作线圈产生的电压升高，对电容充电，供后续电路工作。
图2 为当前自供电无线测温传感器取能电路框图。
采用传统的自供电无线测温传感器取能电路，存在以下缺点：
1）需要在环形铁芯上缠绕两组线圈，增加了成本，并多产生了一道工序，降低了生产效率。
2）由于为了控制工作电压不能过高，因此短路线圈始终处在短路、开路交替工作的状态下，因此，产生了一个断续的短路电流，该电流在线圈中持续工作，会引起线圈发热，并且随着短路电流的升高，发热情况越来越严重。
3）控制效率低。由于采用短路工作模式，在高压在流体电流增大，磁场增大时，该电路必须连读短接一组线圈，来降低另一组线圈的电压。该工作电路主要将能量转化为热量消耗掉，因此效率很低。
2 无线测温传感器设计与实现
2.1 无线信号转发中继装置硬件的实现
该装置的硬件实现部分，如图3所示，分为：1）开关电源电路和线性电源电路：将市电AC220V变换为5V，然后通过线性电源电路将5V变换为3.3V，为微控制器和其它电路实用；2）无线通讯模块1和2：无线通讯模块1为433MHz无线收发模块，而无线通讯模块2为2.4GHz的无线收发模块，两者都可以与CPU进行无线数据的收发；3）RS485通讯模块：与CPU进行串行数据的转发，为有线接口电路；4）人机接口电路：主要有LCD液晶显示屏和按键、指示灯等，用户可以方便的设定配置信息和读取传感器的所测量出的温度。
图3 新型无线测温传感器无线信号转发中继装置原理电路组成框图
装置接入市电AC220V后，开关电源电路将电源变换成直流5V弱电，5V再经过线性电源降压成3.3V，供CPU微处器理电路和其它模块使用。CPU微处理器通过两个SPI接口分别和无线通讯模块1与无线通讯模块2连接，CPU驱动两个无线模块分别和无线测温传感器与无线通讯服务器进行通讯，具体使用哪个模块与无线测温传感器和无线通讯服务器通讯，取决于用户的配置信息记录。同时，CPU通过串行口UART和RS485通讯模块进行外部485通讯总线进行通讯，外部485通讯可以通过通讯双绞线连接到监控系统。
CPU电路通过外部总线和IO与人机界面连接，用户可以通过LCD屏幕查看到当前的设置信息与无线温度传感器通过无线通讯传输过来的温度信息，并可以通过按键来设置一些配置参数和报警值。
本电路有如下优点：
1）可直接接入市电，无需用户提供5V电源或电源适配器。由于采用了开关电源，产品的抗干扰性能大大提高。
2）可提供无线数据转发，通过增加的一路无线通讯模块，可将采集到的无线测温传感器数据，通过新增加的无线通讯模块再次以无线的形式转发出去。
3）提供了人机界面，用户可以在就地通过无线中继观察到通过无线信号传输过来的无线测温传感器测量到的温度信息，又可以方便的设置配置参数，大大增加应用的灵活性。
2.2 自供电无线传感器取能电路硬件的实现
如图4所示，本电路分为：整流电路、电子开关电路、电子开关驱动电路、稳压与分压电路、电容储能池、LDO线性电源电路、电压稳定负反馈电路。
图4 一种新型自供电无线测温传感器取能电路原理图
本系统采用单线圈开路控制模式。环形铁芯在高压载流体的磁场作用下，形成交变磁场。磁场使环形铁芯的线圈产生交流电压。交流电压在整流电路处理后形成直流电压VDC[13]。电压VDC经过电子开关后，再经过分压连接到储能电容上，并作为LDO的输入电压。
为控制LDO输入电压不超过芯片的规定值，电压稳定反馈电路始终对其进行监视，当电压高过设定电压时，反馈电路控制电子开关断开，这是负载的供电完全依靠电容中的储能。随着电容储能的泄放，电压Vin降低。
当低于设定值后，电压稳定反馈电路将电子开关打开，VDC经过分压后对储能电容进行充电，当充电到高压设定值后关闭。由于电容上的电压不能突变，因此LDO的输入电压Vin是在一定范围内的充电、放电。而LDO的输出稳压特性，决定了后续3.3V电压的稳定。
为了保证在后续电路上电瞬间能启动工作，电子开关的驱动电路中的U1为常闭型的MOSFET型继电器。在电瞬间，电子开关打开，对电容充电。当电容电压升高到LDO能够启动工作的电压后，后续电路开始工作，对电压进行稳定控制。
本电路有如下优点：
1）环形铁芯线圈只需一组，降低了硬件成本和减少了一道工序，提高了工作效率；
2）采用单线圈开路控制模式，降低了电路的复杂程度，简单可靠；
3）解决了线圈发热问题。由于传统的控制方式，电路在稳定运行过程中，电子开关不断短接线圈，短接线圈处在断续的短路模式，产生了一个变化的短路电流，这个电流在线圈中持续发热，进而引起线圈温度升高。而本设计采用开路控制模式，当电压升高时，电子开关是处在开路状态下，因此线圈的电流很小。因此，不会产生线圈发热的问题；
4）电路效率大大提高。由于传统的控制方式是在电压升高时短接线圈，将能量完全转化为热量，而本发明在电压升高时，使后续电路与主电路通过电子开关断开的方式来控制电压，因此效率大大提高，不会产生线圈过热问题，提高了电路效率。
3 结论
本文设计开发了一种新型无线测温传感器控制系统，包括无线信号中继装置和自供电取能电路，主要应用在高压触头、母线和电缆头无线测温传感器系统。
其功能包括：1）增加了AC/DC开关电源；2）可提供无线数据转发。可将采集到的无线测温传感器数据，通过新增加的无线通讯模块再次以无线的形式转发出去；3）提供了人机界面，即可以方便的设置配置参数，大大增加应用的灵活性；4）设计采用单线圈开路控制模式实现了自供电无线传感器取能电路。解决了线圈发热问题和大大提高电路效率。
无线测温传感器系统已获得国家实用新型专利，实用新型（专利）号为201420441484.9和201420369820.3。