利用環(huán)境余熱供電的無線溫度測量系統(tǒng)設(shè)計*

楊朝磊,王民慧,王 武

(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院,貴陽 550025)

在20世紀(jì)中期,隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和革新,半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)開始應(yīng)用于航天、醫(yī)療等尖端領(lǐng)域中,而在工業(yè)和民用產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域卻鮮有實際應(yīng)用。在一些特殊的工業(yè)環(huán)境中,需要對現(xiàn)場某些工藝設(shè)備如工業(yè)爐窯、旋轉(zhuǎn)反應(yīng)爐等進(jìn)行溫度檢測,這些工藝設(shè)備本身會產(chǎn)生大量的工業(yè)余熱,環(huán)境溫度高,檢測環(huán)境復(fù)雜,傳統(tǒng)的有線供電測溫方式存在著供電電纜的鋪設(shè)、拆卸和維護(hù)不便的問題,已經(jīng)不能滿足此種工業(yè)環(huán)境下的生產(chǎn)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(yè)場合,而且這種測溫方式需要定期更換電池,會影響連續(xù)生產(chǎn),這些缺陷使得這類測溫裝置或儀器在一些環(huán)境溫度較高場合的應(yīng)用受到了限制。針對以上問題,本文研究和設(shè)計了一種能自動收集周圍環(huán)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(dǎo)體溫差材料的賽貝克效應(yīng)將環(huán)境余熱轉(zhuǎn)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(shè)備內(nèi)部高溫環(huán)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(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的低功耗多傳感器網(wǎng)絡(luò)[3],傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)最終上傳到上位機(jī)系統(tǒng)保存,供后續(xù)查閱和分析。

1 無線溫度測量系統(tǒng)組成

利用環(huán)境余熱供電的無線溫度測量系統(tǒng)主要由溫度測量節(jié)點和Sink節(jié)點、上位機(jī)系統(tǒng)組成。溫度測量節(jié)點整體框圖如圖1所示,溫度測量節(jié)點主要由熱電偶溫度傳感器、調(diào)理電路模塊、CC2530(MCU+射頻)模塊以及熱電轉(zhuǎn)換單元、電源管理電路模塊組成。熱電轉(zhuǎn)換單元用于將環(huán)境熱能轉(zhuǎn)換為電能,進(jìn)而通過電源管理電路進(jìn)行穩(wěn)壓處理后給調(diào)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(shù)據(jù)以無線的方式發(fā)送給Sink節(jié)點。

圖1 無線溫度測量節(jié)點整體框圖

圖2 Sink節(jié)點與上位機(jī)連接原理框圖

Sink節(jié)點主要由CC2530模塊、USB轉(zhuǎn)串口模塊組成,Sink節(jié)點作為數(shù)據(jù)收集終端負(fù)責(zé)接收各溫度測量節(jié)點發(fā)送的溫度數(shù)據(jù),并通過串口將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)測和管理,Sink節(jié)點與上位機(jī)連接原理框圖如圖2所示。Sink節(jié)點是ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的中心,負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)工作,不具備休眠功能,其電源模塊由PC機(jī)的USB口供電,進(jìn)而為由CC2530模塊和USB轉(zhuǎn)串口模塊分別提供3.3 V和5.0 V電源。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路包括無線溫度測量節(jié)點硬件電路和Sink節(jié)點硬件電路。無線溫度測量節(jié)點電路主要由環(huán)境熱能收集與電源管理單元、溫度信號調(diào)理與無線發(fā)送單元組成。Sink節(jié)點電路主要為CC2530與CH430接口的USB轉(zhuǎn)串口電路。

2.1 環(huán)境熱能收集與電源管理

熱電轉(zhuǎn)換單元主要實現(xiàn)對環(huán)境熱能的收集。本設(shè)計利用一組半導(dǎo)體熱電片從存在熱源的環(huán)境中獲取能量,每個熱電片共有127個電偶對,只要環(huán)境中存在熱源并且使其兩端產(chǎn)生一定溫差,就能在熱電片的輸出端產(chǎn)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(jìn)行整流、放大和穩(wěn)壓后即可對其他模塊供能。典型的熱電轉(zhuǎn)換器模型如圖3所示。

圖3 熱電轉(zhuǎn)換器模型

該熱電發(fā)電器的總熱電器件數(shù)包括串聯(lián)的熱電器件數(shù)NS和并聯(lián)的熱電器件數(shù)NP。則總的熱電器件數(shù)NT為:

NT=NS×NP

通過負(fù)載RL的電流I(單位Α)為:

(1)

負(fù)載RL的功率P0(單位:W)為:

(2)

式中:RM為熱電器平均內(nèi)阻(單位為Ω)、SM為器件平均塞貝克系數(shù)(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(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示,上、下陶瓷材料為氧化鋁陶瓷,上、下導(dǎo)流片的材料為銅。

圖4 熱電片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

對于塞貝克系數(shù),根據(jù)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(shù)分布函數(shù)(單位:V/K)。

式(3)同樣適用于計算半導(dǎo)體的電阻率。文獻(xiàn)[8]中,采用了經(jīng)典的微分法來測量半導(dǎo)體的塞貝克系數(shù),同時還采用了雙探針法對P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的電阻率進(jìn)行測量,并求出了相關(guān)的擬合函數(shù)。在本設(shè)計的實驗研究中,在自然散熱的條件下,半導(dǎo)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(jù)式(3)以及文獻(xiàn)[7-8],求得半導(dǎo)體熱電片在該溫度環(huán)境下的平均塞貝克系數(shù)SM和內(nèi)阻RM的計算結(jié)果分別為:

SM=0.034 988 5 V/℃

RM=1.5 Ω

對于單片半導(dǎo)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(xiàn)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(shù)比為1∶100的情況下熱電發(fā)電器的輸出電流至少為40 mA。由以上計算結(jié)果可知,在此溫度環(huán)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(wěn)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(gòu)成電源管理系統(tǒng)[9]。熱電轉(zhuǎn)換單元的輸出電壓的正、負(fù)極分別與電源管理單元的輸入端IN+、IN-相連,經(jīng)過升壓型變換器放大和穩(wěn)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(fā)單元。本設(shè)計中選用了匝數(shù)比為1∶100升壓變壓器,以達(dá)到低壓啟動的目的。由于無線收發(fā)單元主芯片CC2530工作時具有高脈沖負(fù)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(guān)系式:

式中:Iload為負(fù)載脈沖電流,Tpluse為脈沖持續(xù)時間,ΔVout為所允許的壓降。在實際應(yīng)用中,Cout的值選擇不當(dāng)可能會使溫度測量與采集單元和無線收發(fā)單元因供能不足而導(dǎo)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(diào)理單元

在本設(shè)計中,為了使功耗最小化,在保證基本功能的基礎(chǔ)上精簡了硬件電路的設(shè)計。本設(shè)計采用K型熱電偶溫度傳感器來對溫度進(jìn)行檢測,冷端溫度補(bǔ)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(jié)補(bǔ)償器的精密儀器放大器芯片,它經(jīng)過激光調(diào)整,與K型熱電偶的特性相匹配。冰點校準(zhǔn)與預(yù)校準(zhǔn)放大器的結(jié)合,使其能直接從熱電偶信號產(chǎn)生高電平(約5 mV/℃)的輸出。

AD8495的輸出電壓與溫度的關(guān)系為:

Vout1=(TMJ×5 mV/℃)+VREF

式中:TMJ為熱電偶測量端溫度,VREF為AD8495基準(zhǔn)電壓。

溫度采集單元冷端補(bǔ)償電路原理圖如圖6所示。

圖6 溫度采集單元冷端補(bǔ)償電路原理圖

在對AD8495的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時,若采用外部ADC來進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,則必然會增加溫度測量節(jié)點的功耗,因此為了盡可能地降低溫度測量節(jié)點的功耗,本設(shè)計采用CC2530內(nèi)部自帶的ADC來對AD8495的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。CC2530內(nèi)部自帶的ADC具有12位轉(zhuǎn)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(jié)點電路

在本設(shè)計中,Sink節(jié)點的功能主要是實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立和數(shù)據(jù)收集,而數(shù)據(jù)分析和存儲主要由PC機(jī)來實現(xiàn),因此可簡化該部分電路。Sink節(jié)點與USB轉(zhuǎn)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(zhuǎn)串口模塊直接與上位機(jī)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(jié)點與CH340接口電路原理框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個無線溫度測量系統(tǒng)的軟件分為三部分:無線溫度測量節(jié)點軟件、Sink節(jié)點軟件和上位機(jī)軟件。

3.1 無線溫度測量節(jié)點軟件設(shè)計

從ZigBee2006之后的Z-Stack均采用實時操作系統(tǒng)的思想來進(jìn)行構(gòu)建,采用Timer2作為系統(tǒng)定時器,操作系統(tǒng)(OSAL)采用任務(wù)輪詢的方式來執(zhí)行各個系統(tǒng)任務(wù)和用戶任務(wù)[10-11]。當(dāng)對Z-Stack進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)時,用戶須通過osalAddTasks()函數(shù)添加自定義任務(wù),且用戶任務(wù)優(yōu)先級不能大于系統(tǒng)任務(wù),同時在OSAL初始化時,需要調(diào)用自定義初始化函數(shù)"Application Name"_Init()進(jìn)行初始化,并調(diào)用系統(tǒng)相關(guān)函數(shù)進(jìn)行任務(wù)登記后,才能被OSAL輪詢。此后用戶便可通過自定義的任務(wù)事件處理函數(shù)來實現(xiàn)具體的功能。為了降低溫度測量節(jié)點功耗,本設(shè)計對Z-Stack采用了節(jié)點功率調(diào)化算法[12],此外在主程序中,當(dāng)Z-Stack各層初始化結(jié)束、節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)成功之后,系統(tǒng)立即進(jìn)入休眠模式,當(dāng)有任務(wù)事件發(fā)生時,觸發(fā)休眠定時器中斷,從而喚醒系統(tǒng)使之恢復(fù)到正常工作模式,執(zhí)行溫度采集和發(fā)送任務(wù)后系統(tǒng)便再次進(jìn)入休眠模式。在節(jié)點軟件設(shè)計中,設(shè)定休眠時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫度測量和數(shù)據(jù)發(fā)送時間,即節(jié)點多數(shù)情況下都是處于低功耗狀態(tài),從而保證了節(jié)點能夠利用從周圍環(huán)境收集的微小能量持續(xù)工作。節(jié)點的主程序流程圖如圖8所示。

圖8 溫度測量節(jié)點主程序流程圖

3.2 Sink節(jié)點軟件設(shè)計

ZigBee網(wǎng)絡(luò)有星形網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),主要由協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點3種邏輯設(shè)備構(gòu)成,而一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)需要由協(xié)調(diào)器來實現(xiàn)自組網(wǎng),路由器和終端設(shè)備則作為其子節(jié)點自動掃描加入[13-15]。在本設(shè)計中,Sink節(jié)點作為協(xié)調(diào)器啟動,與各個溫度測量節(jié)點形成了ZigBee星形網(wǎng)絡(luò),具有實現(xiàn)簡單、網(wǎng)絡(luò)成本低、便于管理等特點。星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

圖9 星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

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

當(dāng)Sink節(jié)點的系統(tǒng)各層初始化完成后,進(jìn)入系統(tǒng)任務(wù)輪詢,當(dāng)檢測到節(jié)點數(shù)據(jù)時執(zhí)行數(shù)據(jù)接收任務(wù)并通過串行口發(fā)送到PC機(jī)顯示。其主程序流程如圖10所示。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件系統(tǒng)采用LabVIEW作為開發(fā)環(huán)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(jié)點的數(shù)據(jù)通過GUI界面顯示,并存儲到Access數(shù)據(jù)庫中[17-18]。上位機(jī)軟件主要功能有管理用戶信息、實時顯示和保存各測溫節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)、設(shè)置溫度報警閥值、和查詢歷史數(shù)據(jù)。上位機(jī)軟件功能和結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示,GUI主界面如圖12 所示。

圖10 Sink節(jié)點主程序流程圖

圖11 上位機(jī)軟件功能和結(jié)構(gòu)示意圖

圖12 GUI主界面

4 系統(tǒng)測試

為模擬工業(yè)現(xiàn)場較高的環(huán)境溫度,將負(fù)責(zé)收集環(huán)境熱能的熱電轉(zhuǎn)換裝置放置于電熱器附近,溫度測量節(jié)點利用環(huán)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(jìn)行檢測。由于無線溫度測量節(jié)點在上電初始化和搜尋網(wǎng)絡(luò)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(jié)點電源,此時溫度測量節(jié)點才能正常啟動。溫度測量節(jié)點從休眠狀態(tài)切換到喚醒狀態(tài)并完成一次溫度測量和數(shù)據(jù)發(fā)送的時間內(nèi)所消耗能量遠(yuǎn)小于首次上電搜索網(wǎng)絡(luò)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(jié)點便可正常工作。當(dāng)Sink節(jié)點收到各測溫節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)時,通過串口上傳到上位機(jī)進(jìn)行顯示和保存。圖13為部分溫度測量節(jié)點的歷史數(shù)據(jù)。

圖13 溫度測量節(jié)點歷史數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本文研究和設(shè)計了一種利用環(huán)境余熱供電的無線溫度測量系統(tǒng),可將一些特殊工業(yè)環(huán)境中的余熱轉(zhuǎn)換成電能給無線測溫裝置供電,進(jìn)而對現(xiàn)場工藝設(shè)備的溫度進(jìn)行檢測,以解決外部電源供電和電池供電存在的弊端。系統(tǒng)主要由溫度測量節(jié)點、Sink節(jié)點以及上位機(jī)系統(tǒng)組成,其中溫度測量節(jié)點和Sink節(jié)點通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,Sink節(jié)點通過串行口與上位機(jī)系統(tǒng)通信;上位機(jī)系統(tǒng)可對檢測到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)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(jīng)實驗測試,該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠,具有一定的參考價值和實際應(yīng)用價值。然而,本設(shè)計僅在實驗室環(huán)境中進(jìn)行測試,與實際情況仍有一定的差距,存在一些待改進(jìn)的地方,例如,考慮到實際運(yùn)行中,若工業(yè)環(huán)境溫度過低,溫差不滿足要求時,則可根據(jù)需要增加備用電源,以保證檢測裝置持續(xù)運(yùn)行。此外,ZigBee網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力有限,不能應(yīng)用于電磁干擾嚴(yán)重的場合。

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