利用環境余熱供電的無線溫度測量系統設計*

楊朝磊,王民慧,王 武

(貴州大學電氣工程學院,貴陽 550025)

在20世紀中期,隨著半導體技術的發展和革新,半導體溫差發電技術開始應用于航天、醫療等尖端領域中,而在工業和民用產業等領域卻鮮有實際應用。在一些特殊的工業環境中,需要對現場某些工藝設備如工業爐窯、旋轉反應爐等進行溫度檢測,這些工藝設備本身會產生大量的工業余熱,環境溫度高,檢測環境復雜,傳統的有線供電測溫方式存在著供電電纜的鋪設、拆卸和維護不便的問題,已經不能滿足此種工業環境下的生產操作要求。此外,采用電池供電的無線測溫裝置或儀器不適合長時間近距離工作在溫度較高的一些工業場合,而且這種測溫方式需要定期更換電池,會影響連續生產,這些缺陷使得這類測溫裝置或儀器在一些環境溫度較高場合的應用受到了限制。針對以上問題,本文研究和設計了一種能自動收集周圍環境中的熱量并利用該能量為無線溫度測量電路供電的測溫裝置[1],該裝置利用半導體溫差材料的賽貝克效應將環境余熱轉換為電能,作為溫度檢測裝置的電源[2]。檢測裝置功耗極低,所需能量相對于工藝設備內部高溫環境來說極其微小,對受檢測的溫度場幾乎無影響。同時,針對該裝置研究和設計了一種基于ZigBee技術的低功耗多傳感器網絡[3],傳感器網絡的數據最終上傳到上位機系統保存,供后續查閱和分析。

1 無線溫度測量系統組成

利用環境余熱供電的無線溫度測量系統主要由溫度測量節點和Sink節點、上位機系統組成。溫度測量節點整體框圖如圖1所示,溫度測量節點主要由熱電偶溫度傳感器、調理電路模塊、CC2530(MCU+射頻)模塊以及熱電轉換單元、電源管理電路模塊組成。熱電轉換單元用于將環境熱能轉換為電能,進而通過電源管理電路進行穩壓處理后給調理電路模塊以及CC2530模塊供電。同時,CC2530模塊將采集到的溫度數據以無線的方式發送給Sink節點。

圖1 無線溫度測量節點整體框圖

圖2 Sink節點與上位機連接原理框圖

Sink節點主要由CC2530模塊、USB轉串口模塊組成,Sink節點作為數據收集終端負責接收各溫度測量節點發送的溫度數據,并通過串口將數據傳送至上位機進行集中監測和管理,Sink節點與上位機連接原理框圖如圖2所示。Sink節點是ZigBee無線網絡的中心,負責網絡的建立和維護工作,不具備休眠功能,其電源模塊由PC機的USB口供電,進而為由CC2530模塊和USB轉串口模塊分別提供3.3 V和5.0 V電源。

2 系統硬件電路設計

系統硬件電路包括無線溫度測量節點硬件電路和Sink節點硬件電路。無線溫度測量節點電路主要由環境熱能收集與電源管理單元、溫度信號調理與無線發送單元組成。Sink節點電路主要為CC2530與CH430接口的USB轉串口電路。

2.1 環境熱能收集與電源管理

熱電轉換單元主要實現對環境熱能的收集。本設計利用一組半導體熱電片從存在熱源的環境中獲取能量,每個熱電片共有127個電偶對,只要環境中存在熱源并且使其兩端產生一定溫差,就能在熱電片的輸出端產生賽貝克電動勢V0[4-6],將此電動勢V0輸出到電源管理單元進行整流、放大和穩壓后即可對其他模塊供能。典型的熱電轉換器模型如圖3所示。

圖3 熱電轉換器模型

該熱電發電器的總熱電器件數包括串聯的熱電器件數NS和并聯的熱電器件數NP。則總的熱電器件數NT為:

NT=NS×NP

通過負載RL的電流I(單位Α)為:

(1)

負載RL的功率P0(單位:W)為:

(2)

式中:RM為熱電器平均內阻(單位為Ω)、SM為器件平均塞貝克系數(單位為V/K)、DT為熱電器熱端與冷端的溫差(單位為K)。

熱電片的內部結構示意圖如圖4所示,上、下陶瓷材料為氧化鋁陶瓷,上、下導流片的材料為銅。

圖4 熱電片的內部結構示意圖

對于塞貝克系數,根據積分中值定理,存在一個值使得式(3)成立[7]:

(3)

式中:TC為冷端接觸點的溫度(單位:K);TH為熱端接觸點的溫度(單位:K);α(T)為熱電偶塞貝克系數分布函數(單位:V/K)。

式(3)同樣適用于計算半導體的電阻率。文獻[8]中,采用了經典的微分法來測量半導體的塞貝克系數,同時還采用了雙探針法對P型半導體和N型半導體的電阻率進行測量,并求出了相關的擬合函數。在本設計的實驗研究中,在自然散熱的條件下,半導體熱電片熱端溫度TH保持為65 ℃,在冷端貼有散熱片自然散熱,此時測得冷端溫度TC為53 ℃,則可根據式(3)以及文獻[7-8],求得半導體熱電片在該溫度環境下的平均塞貝克系數SM和內阻RM的計算結果分別為:

SM=0.034 988 5 V/℃

RM=1.5 Ω

對于單片半導體熱電片,NS=NP=1,代入到式(1)

計算得I≈71.16 mA,輸出電動勢為:V0=I×RL=313.12 mV。通過實驗測得溫度測量與采集單元需要電流約0.2 mA,同時,電源管理電路單元的儲能電容也需要約0.2 mA的電流才能實現較快速度地充電,這就要求電源管理單元中的升壓變壓器的匝數比為1∶100的情況下熱電發電器的輸出電流至少為40 mA。由以上計算結果可知,在此溫度環境下采用1片熱電片即可滿足能量需求。

電源管理單元以LTC3109穩壓芯片為核心,外接升壓型變換器以及濾波電路、儲能電容構成電源管理系統[9]。熱電轉換單元的輸出電壓的正、負極分別與電源管理單元的輸入端IN+、IN-相連,經過升壓型變換器放大和穩壓處理后通過主輸出引腳Vout(輸出電壓為3.3 V)輸出到溫度測量與采集單元和無線收發單元。本設計中選用了匝數比為1∶100升壓變壓器,以達到低壓啟動的目的。由于無線收發單元主芯片CC2530工作時具有高脈沖負載特性,因此在電壓管理單元的電壓輸出引腳Vout端接入一個電容Cout,利用其儲能作用保證CC2530正常工作。對于儲能電容Cout的值選擇遵守以下關系式:

式中:Iload為負載脈沖電流,Tpluse為脈沖持續時間,ΔVout為所允許的壓降。在實際應用中,Cout的值選擇不當可能會使溫度測量與采集單元和無線收發單元因供能不足而導致電路“癱瘓”。電源管理單元電路原理圖如圖5所示。

圖5 電源管理單元電路原理圖

2.2 溫度信號調理單元

在本設計中,為了使功耗最小化,在保證基本功能的基礎上精簡了硬件電路的設計。本設計采用K型熱電偶溫度傳感器來對溫度進行檢測,冷端溫度補償電路以AD8495芯片為核心,外加濾波電路組成。AD8495是一款集成了熱電偶冷結補償器的精密儀器放大器芯片,它經過激光調整,與K型熱電偶的特性相匹配。冰點校準與預校準放大器的結合,使其能直接從熱電偶信號產生高電平(約5 mV/℃)的輸出。

AD8495的輸出電壓與溫度的關系為:

Vout1=(TMJ×5 mV/℃)+VREF

式中:TMJ為熱電偶測量端溫度,VREF為AD8495基準電壓。

溫度采集單元冷端補償電路原理圖如圖6所示。

圖6 溫度采集單元冷端補償電路原理圖

在對AD8495的輸出數據進行模數轉換時,若采用外部ADC來進行模數轉換,則必然會增加溫度測量節點的功耗,因此為了盡可能地降低溫度測量節點的功耗,本設計采用CC2530內部自帶的ADC來對AD8495的輸出數據進行模數轉換。CC2530內部自帶的ADC具有12位轉換精度,AD8495芯片測量最大誤差為±2 ℃,可以滿足一般的檢測精度要求。

2.3 Sink節點電路

在本設計中,Sink節點的功能主要是實現ZigBee網絡的建立和數據收集,而數據分析和存儲主要由PC機來實現,因此可簡化該部分電路。Sink節點與USB轉串口模塊(CH340)的接口電路原理框圖如圖7所示,整個硬件電路以CC2530芯片為核心,通過USB轉串口模塊直接與上位機通信。此部分電路簡單可靠,整個模塊直接插在電腦的USB口即可工作,體積小巧,使用方便。

圖7 Sink節點與CH340接口電路原理框圖

3 系統軟件設計

整個無線溫度測量系統的軟件分為三部分:無線溫度測量節點軟件、Sink節點軟件和上位機軟件。

3.1 無線溫度測量節點軟件設計

從ZigBee2006之后的Z-Stack均采用實時操作系統的思想來進行構建,采用Timer2作為系統定時器,操作系統(OSAL)采用任務輪詢的方式來執行各個系統任務和用戶任務[10-11]。當對Z-Stack進行應用開發時,用戶須通過osalAddTasks()函數添加自定義任務,且用戶任務優先級不能大于系統任務,同時在OSAL初始化時,需要調用自定義初始化函數"Application Name"_Init()進行初始化,并調用系統相關函數進行任務登記后,才能被OSAL輪詢。此后用戶便可通過自定義的任務事件處理函數來實現具體的功能。為了降低溫度測量節點功耗,本設計對Z-Stack采用了節點功率調化算法[12],此外在主程序中,當Z-Stack各層初始化結束、節點加入網絡成功之后,系統立即進入休眠模式,當有任務事件發生時,觸發休眠定時器中斷,從而喚醒系統使之恢復到正常工作模式,執行溫度采集和發送任務后系統便再次進入休眠模式。在節點軟件設計中,設定休眠時間遠遠大于溫度測量和數據發送時間,即節點多數情況下都是處于低功耗狀態,從而保證了節點能夠利用從周圍環境收集的微小能量持續工作。節點的主程序流程圖如圖8所示。

圖8 溫度測量節點主程序流程圖

3.2 Sink節點軟件設計

ZigBee網絡有星形網絡、樹形網絡、網狀網絡3種拓撲結構,主要由協調器、路由器、終端節點3種邏輯設備構成,而一個ZigBee網絡需要由協調器來實現自組網,路由器和終端設備則作為其子節點自動掃描加入[13-15]。在本設計中,Sink節點作為協調器啟動,與各個溫度測量節點形成了ZigBee星形網絡,具有實現簡單、網絡成本低、便于管理等特點。星形網絡結構示意圖如圖9所示。

圖9 星形網絡結構示意圖

Sink節點上電后首先建立ZigBee無線網絡,并允許節點加入網絡。星形網絡中,Sink節點網絡地址為0x0000,將其通信模式設置為廣播模式、通信目的地址設置為0xFFFF即可向網絡中的所有節點發送信息;同時,各個溫度測量節點通信目的地址設置為0x0000即可通過點播的方式向Sink節點發送信息。

當Sink節點的系統各層初始化完成后,進入系統任務輪詢,當檢測到節點數據時執行數據接收任務并通過串行口發送到PC機顯示。其主程序流程如圖10所示。

3.3 上位機軟件設計

上位機軟件系統采用LabVIEW作為開發環境,采用圖形化編程語言G語言編寫程序[16],它將各個溫度檢測節點的數據通過GUI界面顯示,并存儲到Access數據庫中[17-18]。上位機軟件主要功能有管理用戶信息、實時顯示和保存各測溫節點的溫度數據、設置溫度報警閥值、和查詢歷史數據。上位機軟件功能和結構示意圖如圖11所示,GUI主界面如圖12 所示。

圖10 Sink節點主程序流程圖

圖11 上位機軟件功能和結構示意圖

圖12 GUI主界面

4 系統測試

為模擬工業現場較高的環境溫度,將負責收集環境熱能的熱電轉換裝置放置于電熱器附近,溫度測量節點利用環境熱能收集與電源管理單元所提供的電能工作,并對實驗室的室溫進行檢測。由于無線溫度測量節點在上電初始化和搜尋網絡時消耗的電能較大,故需要在能量收集電路的儲能電容從能量收集單元獲得充分充電后才能接通測量節點電源,此時溫度測量節點才能正常啟動。溫度測量節點從休眠狀態切換到喚醒狀態并完成一次溫度測量和數據發送的時間內所消耗能量遠小于首次上電搜索網絡時消耗的能量,通過實驗測試,在熱電片熱端溫度65 ℃,冷端溫度50 ℃左右時,只要休眠時間大于10 s,溫度測量節點便可正常工作。當Sink節點收到各測溫節點的溫度數據時,通過串口上傳到上位機進行顯示和保存。圖13為部分溫度測量節點的歷史數據。

圖13 溫度測量節點歷史數據

5 結束語

本文研究和設計了一種利用環境余熱供電的無線溫度測量系統,可將一些特殊工業環境中的余熱轉換成電能給無線測溫裝置供電,進而對現場工藝設備的溫度進行檢測,以解決外部電源供電和電池供電存在的弊端。系統主要由溫度測量節點、Sink節點以及上位機系統組成,其中溫度測量節點和Sink節點通過ZigBee無線網絡來進行數據傳輸,Sink節點通過串行口與上位機系統通信;上位機系統可對檢測到的溫度數據進行實時顯示和存儲,同時還提供了歷史記錄查詢功能,以便用戶做出合理決策。經實驗測試,該系統性能穩定可靠,具有一定的參考價值和實際應用價值。然而,本設計僅在實驗室環境中進行測試,與實際情況仍有一定的差距,存在一些待改進的地方,例如,考慮到實際運行中,若工業環境溫度過低,溫差不滿足要求時,則可根據需要增加備用電源,以保證檢測裝置持續運行。此外,ZigBee網絡抗干擾能力有限,不能應用于電磁干擾嚴重的場合。

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