工业热壁温度无线传感器网络节点及温度监测系统的制作方法

本发明涉及温度采集装置技术领域，尤其涉及一种工业热壁温度无线传感器网络节点即温度监测系统。

背景技术：

无线传感器网络以其低成本、自组织、便于安装等优点，被广泛应用于环境监测、食品加工配送监测、建筑安全监测等领域，并开始向工业领域渗透。温度是一种重要的工业过程参数，有效的温度监测能及时反映设备运行状态，避免设备过热等故障的发生。利用工业无线传感器网络温度监测系统替代传统的有线温度监测系统，可以节省电缆、降低系统安装成本。

但是，现有的面向工业设备状态监测的无线传感器网络节点主要采用电池供电，节点能量、寿命有限。频繁地更换节点电池无疑会增加操作人员的工作量，费时费力。因此，节点的供电问题成为制约工业无线传感器网络在设备监测领域推广应用的关键技术问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种工业热壁温度无线传感器网络节点，所述节点利用热电能量采集实现自供电，供电稳定，能有效监测工业热壁温度。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种工业热壁温度无线传感器网络节点，其特征在于：包括若干个热电能量收集装置、电能转换电路、温度传感器、信号放大电路、启停控制电路以及无线微控制器模块，所述热电能量收集装置位于工业热壁上，用于从工业热壁获取热能，并将热能转换为电能，所述热电能量收集装置的电能输出端经电能转换电路后与超级电容C7的充电端连接，所述超级电容的放电端与所述启停控制电路以及无线微控制器模块的电源输入端连接，用于为其提供工作电源；所述温度传感器的信号输出端经所述信号放大电路与所述无线微控制器模块的信号输入端连接，信号放大电路用于对温度传感器输出的信号进行放大，所述无线微控制器模块的控制输出端经所述启停控制电路与所述信号放大电路的控制端连接，启停控制电路用于接收无线微控制器模块发出的控制指令，实现放大电路的启动和停止控制；节点完成工业热壁温度的一次测量和数据处理、上传后进入睡眠状态，待睡眠周期结束后，再进行下一次温度测量和数据处理、上传。

进一步的技术方案在于：所述热电能量收集装置包括两个导热硅胶垫铜片、气凝胶毡高温隔热胶带、热电模块和散热板组件，所述热电模块内嵌在所述隔热胶带内，两个导热硅胶垫铜片粘贴于所述热电模块的左右表面，所述散热板组件粘接与所述隔热胶带的外侧面上，所述隔热胶带的内侧粘贴于所述热壁上，热壁散发的热量通过位于内侧的导热硅胶垫铜片传递给热电模块，热电模块将传递的热能转换为电能，热电模块散发的热量通过外侧的导热硅胶垫铜片传递给所述散热板组件进行散热。

进一步的技术方案在于：所述热电模块使用TMG-287-1.0-1.3型热电模块。

进一步的技术方案在于：所述电能转换电路包括升压模块和降压电路，所述升压电路包括与所述热电能量收集装置个数相同的升压电路，所述升压电路设有两个，热电能量收集装置的输出端与升压电路的输入端连接，第一升压电路的输出端与第二升压电路的另一个输入端连接，第二升压电路的输出端为所述升压模块的电源输出端，升压模块的输出端与所述超级电容C7的充电端连接，超级电容C7的放电端经所述降压电路与所述网络节点中需要供电的模块的电源输入端连接。

进一步的技术方案在于：所述第一升压电路包括升压转换芯片U3，所述第二升压电路包括升压转换芯片U1，所述降压电路包括降压芯片U2，所述U1和U3使用LTC3108，所述U2使用TPS76801，电容C10并联于所述第一升压电路的输入端，所述第一升压电路的输入端与变压器T2原边的一端连接，变压器T2原边的另一端与所述U3的15脚连接；变压器T2次级的一端接地，变压器T2次级的另一端分为两路，第一路经电容C11与所述U3的13脚连接，第二路经电容C12与所述U3的14脚连接；所述U3的1、8-11以及16脚接地；所述U3的2、4以及6脚与所述U1的2脚连接；

电容C1并联于所述第二升压电路的输入端，所述第二升压电路的输入端与变压器T1原边的一端连接，变压器T1原边的另一端与所述U1的15脚连接；变压器T1次级的一端接地，变压器T1次级的另一端分为两路，第一路经电容C2与所述U1的13脚连接，第二路经电容C3与所述U1的14脚连接；所述U1的1、8-10以及16脚接地；所述U1的2脚和11脚经电容C5接地；所述U1的6脚经电容C6接地；所述U1的3脚经电容C4接地；所述U1的4脚与所述超级电容C7的一端连接，超级电容C7的另一端接地；

电容C8与超级电容C7并联，超级电容C7的放电端分别与所述U2的3脚和4脚连接；所述U2的1、2脚接地；所述U2的8脚依次经电阻R1、电阻R2和电阻R3后接地；所述U2的5、6脚接电阻R1与电阻R2的结点；所述U2的7脚接电阻R2与电阻R3的结点；所述接电阻R1与电阻R2的结点为所述降压电路的电源输出端。

进一步的技术方案在于：所述节点还包括温度补偿模块，所述温度补偿模块与所述无线微控制器模块的信号输入端连接。

进一步的技术方案在于：其特征在于：所述温度传感器使用K型热电偶，温度补偿模块使用SHT11型温度传感芯片U5。

进一步的技术方案在于：所述无线微控制器模块使用JN5139型控制芯片U4，按键S1的一端接地，另一端分为三路，第一路与所述U4的29脚连接，第二路经电阻R5接电源，第三路经电容C16后接地；所述U5的1脚接地，所述U5的4脚分为两路，第一路接电源，第二路经电阻R4后与所述U5的2脚连接，所述U5的2脚与所述U4的27脚连接，所述U5的3脚与所述U4的28脚连接；信号放大电路使用MC33202型放大芯片U6，所述U6的5脚和6脚分为接所述温度传感器的两个输出端，所述U6的7脚分为三路，第一路经电阻R6接地，第二路经电容C17接地，第三路与所述U4的41脚连接；所述启停控制电路使用LP2985型稳压芯片U7，所述U7的1脚接电源，所述U7的2脚接地，电容C13连接于所述U7的1脚与2脚之间，所述U7的3脚与所述U4的10脚连接，所述U7的4脚经电容C15接地，所述U7的5脚分为两路，第一路经电容C14接地，第二路与所述U6的8脚连接；所述U4的24脚接电源，所述U4的25-26脚接地。

本发明还公开一种工业热壁温度监测系统，其特征在于：包括若干个所述的网络节点作为无线传感器网络终端节点，还包括协调节点和上位机，所述网络节点与协调节点之间通过无线网络进行数据交互，协调节点通过USB口与上位机进行数据交互。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述节点通过利用热电能量采集热量实现自供电，供电稳定，能有效监测工业热壁温度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是所述监测系统的原理框图；

图2是热电能量收集装置的分解结构示意图；

图3是热电模块中两热电偶串联热电模型结构示意图；

图4是双热电模块输入电能转换电路的原理图；

图5是无线微控制器模块的电路原理图；

图6是所述节点的控制流程图；

图7是所述系统中上位机控制流程图；

图8是当节点睡眠时间设定为16秒时超级电容电压随时间变化曲线；

图9是节点睡眠时间与超级电容电压值的关系曲线；

图10是工业热壁温度监测实时曲线；

其中：1、工业热壁 2、导热硅胶垫铜片 3、气凝胶毡高温隔热胶带 4、热电模块 5、散热板组件 6、陶瓷片。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明实施例公开了一种工业热壁温度无线传感器网络节点，包括若干个热电能量收集装置、电能转换电路、温度传感器、信号放大电路、启停控制电路以及无线微控制器模块。所述热电能量收集装置位于工业热壁上，用于从工业热壁获取热能，并将热能转换为电能，所述热电能量收集装置的电能输出端经电能转换电路后与超级电容C7的充电端连接，所述超级电容的放电端与所述启停控制电路以及无线微控制器模块的电源输入端连接，用于为其提供工作电源；所述温度传感器的信号输出端经所述信号放大电路与所述无线微控制器模块的信号输入端连接，信号放大电路用于对温度传感器输出的信号进行放大，所述无线微控制器模块的控制输出端经所述启停控制电路与所述信号放大电路的控制端连接，启停控制电路用于接收无线微控制器模块发出的控制指令，实现放大电路的启动和停止控制。节点完成工业热壁温度的一次测量和数据处理、上传后进入睡眠状态，待睡眠周期结束后，再进行下一次温度测量和数据处理、上传。通过上述方法，使节点不需要再使用电池供电，实现节点的自供电。

如图1所示，本发明还公开一种工业热壁温度监测系统，其特征在于：包括若干个所述的网络节点作为无线传感器网络终端节点，还包括协调节点和上位机，所述网络节点与协调节点之间通过无线网络进行数据交互，协调节点通过USB口与上位机进行数据交互。

如图2所示，所述热电能量收集装置包括两个导热硅胶垫铜片、气凝胶毡高温隔热胶带、热电模块和散热板组件，所述热电模块内嵌在所述隔热胶带内，两个导热硅胶垫铜片粘贴于所述热电模块的左右表面，所述散热板组件粘接与所述隔热胶带的外侧面上，所述隔热胶带的内侧粘贴于所述热壁上，热壁散发的热量通过位于内侧的导热硅胶垫铜片传递给热电模块，热电模块将传递的热能转换为电能，热电模块散发的热量通过外侧的导热硅胶垫铜片传递给所述散热板组件进行散热。

在本实施例中，选取科瑞欧斯(Kryotherm)公司生产的TMG-287-1.0-1.3热电模块。TMG-287-1.0-1.3的参数为：长＝40.0mm，宽＝40.0mm，高＝3.6mm，当冷端温度为50℃，热端温度为150℃时，其输出电压为4.3V，输出电流为0.68A，输出功率为2.9W。TMG-287-1.0-1.3由287个微型半导体热电偶串联而成，两热电偶串联热电模型结构示意图如图3所示。

在本实施例中，与TMG 287-1.0-1.3配接的散热器采用铜质材料，其尺寸参数为：长＝88mm，宽＝88mm，高＝23mm；底面台阶：长＝45mm，宽＝45mm，高＝2mm。在本实施例中，散热片对热电模块冷端起到降温的作用，最大限度的吸收热电模块冷端的热量，并且将热量排放到周围空气中去。热电模块工作时候，其热端与冷端温度差由散热部件与隔热材料保证，散热片与隔热材料确保了热电模块可以有较高的工作效率。

如图1所示，所述电能转换电路包括升压模块和降压电路，所述升压电路包括与所述热电能量收集装置个数相同的升压电路，所述升压电路设有两个。热电能量收集装置的输出端与升压电路的输入端连接，第一升压电路的输出端与第二升压电路的另一个输入端连接，第二升压电路的输出端为所述升压模块的电源输出端，升压模块的输出端与所述超级电容C7的充电端连接，超级电容C7的放电端经所述降压电路与所述网络节点中需要供电的模块的电源输入端连接。

如图4所示，所述第一升压电路包括升压转换芯片U3，所述第二升压电路包括升压转换芯片U1，所述降压电路包括降压芯片U2，所述U1和U3使用LTC3108，所述U2使用TPS76801，电容C10并联于所述第一升压电路的输入端，所述第一升压电路的输入端与变压器T2原边的一端连接，变压器T2原边的另一端与所述U3的15脚连接；变压器T2次级的一端接地，变压器T2次级的另一端分为两路，第一路经电容C11与所述U3的13脚连接，第二路经电容C12与所述U3的14脚连接；所述U3的1、8-11以及16脚接地；所述U3的2、4以及6脚与所述U1的2脚连接；

电容C1并联于所述第二升压电路的输入端，所述第二升压电路的输入端与变压器T1原边的一端连接，变压器T1原边的另一端与所述U1的15脚连接；变压器T1次级的一端接地，变压器T1次级的另一端分为两路，第一路经电容C2与所述U1的13脚连接，第二路经电容C3与所述U1的14脚连接；所述U1的1、8-10以及16脚接地；所述U1的2脚和11脚经电容C5接地；所述U1的6脚经电容C6接地；所述U1的3脚经电容C4接地；所述U1的4脚与所述超级电容C7的一端连接，超级电容C7的另一端接地；

电容C8与超级电容C7并联，超级电容C7的放电端分别与所述U2的3脚和4脚连接；所述U2的1、2脚接地；所述U2的8脚依次经电阻R1、电阻R2和电阻R3后接地；所述U2的5、6脚接电阻R1与电阻R2的结点；所述U2的7脚接电阻R2与电阻R3的结点；所述接电阻R1与电阻R2的结点为所述降压电路的电源输出端。

电路中的升压变压器选用LPR6235-253ML(升压比设为1:20)，电容C2的电容值取0.01nF。TPS76801降压芯片输入电压的范围为2.7V-10V，输出电压为1.5V-5.0V可选。外部电阻R1、R3为固定的大小，随着R2的变化，输出电压有对应1.5V-5.0V。本发明中，输出电阻R2的阻值取43.2K，V_{OUT_EN}输出大小为2.88V，该电压值适合工业无线传感器网络终端节点使用。

在本实施例中，选取超级电容(图4中C7)作为电能存储元件，电容值取4F，其最大充电电压为5.5V。

在本实施例中，基于热电能量采集的自供电工业无线传感器网络热壁温度监测系统主要包括终端节点，协调器节点和上位机。终端节点是由K型热电偶、信号放大电路、信号放大电路启停控制电路、无线微控制器模块Jennic JN5139等组成。终端节点测得的热壁温度，经协调器节点上传至上位机显示。图5为所述节点的信号放大电路、启停控制电路以及无线微控制器模块的电路原理图。为了使测量的温度信息更准确，所述节点还包括温度补偿模块，所述温度补偿模块与所述无线微控制器模块的信号输入端连接。此外，需要说明的是，本实施例中，优选的，所述温度传感器使用K型热电偶。

如图5所示，所述无线微控制器模块使用JN5139型控制芯片U4，按键S1的一端接地，另一端分为三路，第一路与所述U4的29脚连接，第二路经电阻R5接电源，第三路经电容C16后接地；所述U5的1脚接地，所述U5的4脚分为两路，第一路接电源，第二路经电阻R4后与所述U5的2脚连接，所述U5的2脚与所述U4的27脚连接，所述U5的3脚与所述U4的28脚连接；信号放大电路使用MC33202型放大芯片U6，所述U6的5脚和6脚分为接所述温度传感器的两个输出端，所述U6的7脚分为三路，第一路经电阻R6接地，第二路经电容C17接地，第三路与所述U4的41脚连接；所述启停控制电路使用LP2985型稳压芯片U7，所述U7的1脚接电源，所述U7的2脚接地，电容C13连接于所述U7的1脚与2脚之间，所述U7的3脚与所述U4的10脚连接，所述U7的4脚经电容C15接地，所述U7的5脚分为两路，第一路经电容C14接地，第二路与所述U6的8脚连接；所述U4的24脚接电源，所述U4的25-26脚接地。

信号放大电路选取美国ON Semiconductor公司的MC33201运算放大器芯片，该芯片具有输出电压和输入电压(电流)的隔离功能。为了降低终端节点的功耗，当终端节点处于休眠状态时，JN5139的数字量输入输出口DIO0发出控制信号，该控制信号连接到美国德州仪器生产的控制芯片LP2985的启动/停止(ON/OFF)端，将放大电路关闭。当终端节点处于数据采集模式时，再通过LP2985将放大电路启动。

冷端补偿电路采用瑞士Sensirion公司生产的温湿度传感器SHT11。该传感器可测量相对湿度和温度，具有超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点。本实施例中，利用SHT11获得环境(冷端)温度，利用计算法实现热电偶冷端补偿。

在本实施例中，选取Jennic JN5139作为无线微控制器模块。JN5139是一款为IEEE802.15.4以及ZigBee应用设计的低功耗、低价位无线微处理器芯片，它集成了32位RISC处理器，192kB的ROM，96kB的RAM，模块有21路通用I/O口(部分和UART复用)，四路12-bit ADC，全功能的2.4GHz IEEE802.15.4收发天线，能够满足本实施例的要求。JN5139终端节点的程序流程结构如图6所示。程序启动后，按流程初始化各部分参数，这里包括网络参数、外部硬件参数以及睡眠参数等。初始化完成后，节点会尝试加入指定的无线网络，待加入网络后，开始进行A/D转换，并根据拟合温度曲线计算测得电压所对应的温度值。得到被测温度后，将热壁温度及环境温度打包发送到协调器节点中，待确定数据发送完成后，进入休眠模式，经过指定时间后，从休眠状态苏醒，重复上述程序流程。

在本实施例中，选取LabVIEW作为搭建上位机监测软件的软件平台，LabVIEW是由NI公司开发的一款基于图形化编程语言的虚拟仪器开发环境，依托计算机的软硬件条件，结合各种通讯接口，方便实现虚拟仪器的开发，被广泛应用于工业界、学术界和研究实验室的数据采集和仪器控制。

本实施例中的上位机监测软件流程结构如图7所示。启动程序后，软件按流程初始化各部分参数，使能串口回调机制，完成上述工作后，继而开始等待前界面控件事件以及串口接受数据事件，通过事件响应机制完成对相关事件的响应。但接受到前界面的控件事件后，完成响应的控件事件，如打开串口，关闭串口，退出程序等。当接受到串口数据事件，则进入串口回调函数，读取串口数据，提取热壁温度等数据，保存到程序数据结构中，然后由主程序负责热壁温度等曲线的选择和显示。

为了进一步分析本发明所提方法的效果，进行了实验验证。验证过程中采用恒温器加热板对金属壁加热的方式模拟工业热壁。实验结果表明：

(1)在本发明所设计的热电收集装置中，热电模块冷热端在自然冷却散热的情况下可以保持较好的温差；电能转换电路可以有效进行升压并进行能量存储。例如，当室温为28℃，恒温加热板分别设为50℃、80℃、110℃，热电模块冷热端的温差，分别稳定在4±1℃、8±1℃、14±1℃，DC/DC转换电路的输入电压VOUT_TEG分别稳定在50±5mV、110±5mV、180±5mV。

(2)本发明所设计的能量采集系统所获取的能量可以维持工业无线传感器网络终端节点正常运行，实现节点的自供电。例如，当室内温度为19℃，恒温器加热板温度为110℃，热壁温度为67℃，热电模块的冷端温度为53℃，工业无线传感器网络终端节点睡眠模式间隔设定为16s时，超级电容电压值如图8所示，超级电容电压初始值为3.0V。每隔16s节点发送一组温度测量数据，数据传送期间超级电容电压下降。数据发送完成后，超级电容电压很快升高。实验表明，节点运行40分钟后，超级电容电压仍保持在3.0V不变。可见，当节点的睡眠模式为16s时，所设计的热电能量采集装置为节点提供的能量等于节点工作消耗的能量，节点能量达到平衡，实现了自供电。图9中为节点睡眠模式间隔分别为2s、5s、10s、16s、20s、30s、60s时，超级电容电压的变化值，电压初始值为3.0V。结果表明，当节点睡眠时间为2s、5s、10s时，经过一段时间后，超级电容电压会下降到2.8V，能量采集系统获取的能量不足以维持节点正常运行。当节点睡眠时间为20s、30s、60s时，经过一段时间后超级电容电压会上升到3.28V；说明能量采集系统采集的能量足以维持节点正常运行，并有能量剩余。当节点睡眠时间为16s时，超级电容电压维持在3.0V不变，说明此时热电能量采集装置为节点提供的能量等于节点工作消耗的能量，节点能量正好达到平衡，实现了自供电。

(3)本发明所设计的温度监控系统设方案可行，能够实时准确的测量出热壁温度和室内温度。例如，当恒温加热板为110℃，LabVIEW记录了热壁和室内温度值，热壁和室内温度稳定值分别为65℃和16℃，具体如图10所示。