一种无源无线测温装置及监测方法

技术领域

本发明涉及高电压测温技术领域，尤其涉及一种无源无线测温装置及监测方法。

背景技术

目前，受限于高压环境维护困难，应用于高压测温的解决方案少有电池供电的测温产品，而是选用CT感应供电的无源测温系统，无源测温装置直接安装于被测点，并且由于其能量源源不断，可实时监测被测点的电气温度。但CT感应取电装置是否工作取决于初级的启动电流，最小启动电流越小，越能提供更即时的监测；同时随着监测点数量的增多，再加上发送间隔非常短，在这种情况下，数据碰撞引起丢包的概率也会大大提高。

而且，在电气节点比较多的场景，当监测的电气节点达到数百个以上时，数据包碰撞引起丢包使得无法对所有电气节点进行可靠监测，不仅失去意义，也可能引起安全隐患。

因此，如何降低高压无源测温系统最小启动电流，提高高压无源测温系统通信可靠性，是亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种无源无线测温装置及监测方法，能够降低无源无线测温装置的最小启动电流，并有效的提高了非常多的监测点的情况下的通信可靠性。

本发明采用的技术方案为：

一种无源无线测温装置，包括电磁感应、倍压整流电路、稳压电路、充电电路、LDO、无线接收器和电压监控电路，所述的电磁感应的输出端连接倍压整流电路的输入端，整流电路的输出端通过稳压电路后连接充电电路的输入端，充电电路的输出端分别连接LDO的电压监控电路的输入端和充电电容器，电压监控电路的输出端控制连接LDO的使能输入端，LDO的使能输入同时连接到cpu的控制使能引脚；cpu进行数据采集和发送，无线接收器用于接收发送的数据；所述的倍压整流电路包括第一电容C1、第二电容C2第一二极管D1和第二二极管D2，所述的第一二极管D1的正极与第二二极管D2的负极同时连接交流AC的一端，第一二极管的负极与第一电容C1连接后与交流AC的另一端连接，同时第二二极管的正极与第二电容C2连接后与交流AC的另一端连接，且所述第一二极管的负极接地连接，第二二极管的正极作为输出端与稳压电路的输出端连接；所述的电压监控电路的cpu控制连接LDO引脚使能输出。

所述的无线接收器采用无线433MHz通信链路进行通信。

所述的第一电容C1、第二电容C2第一二极管D1和第二二极管D2分别采用型号为1SS357的肖特基势垒二极管，具有极低的管压降和快速的反向恢复时间，适用于高效率的低压整流电路。

所述的电压监控电路采用SUB-1G无线芯片CC1310。

一种基于权利要求1所述的无源无线测温装置的监测方法，包括如下步骤：

A：启动装置，每个装置配备唯一ID，与接收器进行施工配对绑定，然后通过本装置采集数据，并通过433MHz通信链路发送无线测温数据到接收器；

B：接收器对接收到数据后，通过接收器直接计算出无源无线测温装置的无线发射功率，根据功率大小指导接收器的接收天线的安装位置，以便获得更好的接收性能，进一步的在集中式测温现场施工时，结合现场情况，合理计算得到合理的主机数量，对集中式测温接收器主机进行施工、安装，控制成本，保证性能，进行最佳资源配置；

C：丢包率及重启次数统计，接收器对每台无源无线测温装置的数据包进行统计分析，并且统计装置重启次数，以便对装置进行实时的监测，辅助监控现场系统的运行情况，发现丢包率和重启次数大于阈值，则发出温度报警事件。

所述的步骤A中，为了防止传输时数据碰撞的概念，保证现场可靠的数据传输与实时监测，采用智能随机发送间隔算法，具体过程如下：

首先设置装置的基准数据传输间隔为40秒，在计算实际数据传输间隔时，引入根据芯片唯一ID辅助设置数据传输间隔，完成此步时，数据传输间隔范围在40±20秒；

其次，系统采用了温度变化传的策略，本系统实时对温度进行实时监测，在温度有0.5度变化时立即进行数据上报，设置每2秒进行一次温度采样；从而有效降低传输时数据碰撞的概念，保证现场可靠的数据传输与实时监测。

本发明通过采用比全桥整流电路更适应场景并经过优化的倍压整流电路，并且采用更可控的数字电路替代复杂的模拟电路，从而大幅降低装置的启动电流，同时引入基于智能随机算法配合硬件特性，动态调节数据传输间隔，有效降低无线数据传输时数据的问题。

与现有技术相比，本发明的有益效果是显示降低了无源无线测温装置的最小启动电流，达到了远低于标准20A(参考NBT 42086-2016无线测温装置技术要求4.3.2-d)-2)关于启动电流的要求)最低可小于3A，并有效的提高了非常多的监测点的情况下的通信可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的所述倍压整流电路的原理图；

图3为本发明所述支持迟滞电压的电压监控电路的原理框图；

图4为发明所述电压控制时序图；

图5为本发明的流程图。

具体实施方式

下面将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付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。

如图1、2和3所示，本发明包括电磁感应、倍压整流电路、稳压电路、充电电路、LDO、无线接收器和电压监控电路，所述的电磁感应的输出端连接倍压整流电路的输入端，（整流）电路的输出端通过稳压电路后连接充电电路的输入端，充电电路的输出端分别连接LDO的电压监控电路的输入端和充电电容器，电压监控电路的输出端控制连接LDO的使能输入端，LDO的使能输入同时连接到cpu的控制使能引脚；cpu进行数据采集和发送，无线接收器用于接收发送的数据；所述的倍压整流电路包括第一电容C1、第二电容C2第一二极管D1和第二二极管D2，所述的第一二极管D1的正极与第二二极管D2的负极同时连接交流AC的一端，第一二极管的负极与第一电容C1连接后与交流AC的另一端连接，同时第二二极管的正极与第二电容C2连接后与交流AC的另一端连接，且所述第一二极管的负极接地连接，第二二极管的正极作为输出端与稳压电路的输出端连接；所述的电压监控电路的cpu控制连接LDO引脚使能输出。

在LDO输出使能有效后，LDO开始输出电压，后级CPU模块开始工作，此时随着能量的消耗，充电电容器的电压也会随之下降。一旦电容器的电压低于电源监控芯片的VDET，电源监控芯片就会没有输出，如果不对LDO的使能进行辅助控制，则LDO立即无输出电压，如此后级CPU模块将停止工作，如此反复，后级CPU电路会出现启动困难的现象。除非感应电路有非常大的电流，充电速度大于后级CPU消耗，但此时无法保证CT感应取电测温装置的最小启动电流。

为解决此问题，现有比较常用的一种方法是利用LDO的输出VLDO进行分压，然后反过来辅助控制LDO的使能，这样就可以在充电电容器电压低于电源监控芯片时，继续维持LDO的输出。然而这种方案却有着固有缺陷，由于LDO本身特性，LDO的使能引脚在一定的电压范围内,LDO是属于输出不稳定的状态，会引起漏电，导致电容器无法充满，并且后级电路无法工作。因此需要选择此电压范围非常窄，漏电非常小的LDO，不仅昂贵，还面临缺货风险，同是无法避免LDO自身缺陷引起的不稳定工作状态。

因此本系统创新性的采用了使用CPU引脚辅助控制LDO使能的方法，在CPU供电完成初始后，CPU辅助控制LDO引脚输出高电平，可维持LDO正常工作，只要满足CPU的最低工作电压VLOW=1.8V即可，当LDO输出电压低于1.8V时，CPU停止工作，CPU辅助控制LDO引脚为低电平，此时LDO立即完全无输出，前级充电电路即可正常充电。因CPU最小工作电压VLOW高于LDO使能引脚的电压，则能完成避开LDO的自身缺陷。

但同时的，此方法也CPU提出了非常高的要求，其能耗必须要低，启动速度足够快，必须在电源监控芯片迟滞电压范围内，CPU辅助控制LDO使能引脚，具备有效输出。因此本系统选用了超高性能及超低功耗的CPU，基于TI公司最新一低SUB-1G无线芯片CC1310，成功实现了此技术方法。具体控制时如图4所示，

在T1时，电容器充电电压达到VDET+VHYS，电源监控芯片输出，控制LDO输出，此时CPU开始工作。由于后级CPU的工作，能量开始消耗，电容器的电压也会随之降低。

在T2时，自CPU开始工作后经过TCPU时间，LDO辅助控制引脚开始输出，此时电容器电压持续降低。

在T3时，由于CPU的能量消耗，电容器的电源低于VDET，电源监控芯片无输出，但此时由于CPU的LDO辅助控制引脚输出高电平，LDO持续输出，CPU正常工作。

在T4时，CPU完成业务工作流程，进入低功耗模式，此时CPU能量消耗极低，前级电容充电能量大于系统消耗能量，电容器电压持续增加。

在T5时，电容器持续充电，充电电压达到VDET+VHYS，电源监控芯片输出。LDO输出达到最大值VLDO=3.3V。

在T6时，由于稳压电路限制，电容器充电最高电压为VMAX=5.6V。

在T7时，由于CPU工作能量消耗，电容器电压开始降低，在电容器电压开始低于VDET+VHYS时，电源监控芯片输出开始降低，LDO输出电压开始降低。

在T8时，由于CPU的能量消耗，电容器的电源低于VDET电源芯片无输出，但此时由于CPU的LDO辅助控制引脚输出高电平，LDO持续输出，CPU正常工作。

在T9时，由于CPU能量持续消耗，电容器电压持续降低，LDO输出电压低于CPU最低工作电压VLOW=1.8V后，CPU立即停止工作，LDO辅助控制引脚无输出，LDO立即截止无输出，此时电容器的电压由于电磁感应取电电路的工作，能量增加，电压升高。

CT感应取电是利用电磁感应在次级得到感应电动势，因初级为工频50HZ的交流电，次级感应出的也是为交流信号，并且其能量极弱，无法直接为后级电路供电。因此需要对交流进行整流，变成直流，并持续充电积累能量，整个系统才能工作。传统的全桥整流电路设交流AC的峰值电压为Vpeak。由于二极的单相导通的特性，在AC正半轴时，电流经过二极管D2与D4形成回路，电压经Vout输出，其峰值为Vpeak；在AC负半轴时，电流经过D3与D1形成回路，电压经Vout输出，其峰值为Vpeak。通过以上分析，经过全桥整流电路后，负半轴的电压变到了正半轴上，完成了交流到直流的输出，经过整流后的波形Vout峰值为Vpeak。

而本申请通过改进型倍压整流电路在实际工作中，在AC负半轴时，电流回路经电容C1与二极管D1形成，并在电容C1上积累半波电压，其峰值为Vpeak；在AC正半轴时，积累在电容C1的电压可通过电容C2直接输出到叠加在Vout上，加上AC正半轴的输出，此时Vout峰值为2Vpeak。改进型倍压整流电路，在硬件器件数量及成本保持一致的情况下，可明显降低CT感应取电测温装置的最小启动电流，经实测，相同外部配件时，采用传统全桥整流电路的电路，其最小启动电流为8A左右，而采用倍压整流电路的CT感应取电测温装置的最小取电电流可达3A以下，虽然2种电路的性能都能满足标准所要求的20A最小启动电流，但越低的启动电流越能提高产品性能，并可提高产品的适用范围。

相比于传统的倍压整流电路，此电路还具备如下特性，在AC负半轴时电流不仅往电容C1上充电，也会通过D1形成回路，在AC正半轴时，电流也会经过C2形成回路，即是此电路也能形成回路消耗能力，相比传统全桥整流电路中，多余的能量全部由稳压电路以热量的形式耗散，此电路能明细提高系统工作的稳定性。特别适用于大电流场景，大幅提高了产品的稳定性。

所述的无线接收器采用无线433MHz通信链路进行通信。

所述的第一电容C1、第二电容C2第一二极管D1和第二二极管D2采用了型号为1SS357的肖特基势垒二极管，具有极低的管压降和快速的反向恢复时间，适用于高效率的低压整流电路。

所述的电压监控电路采用SUB-1G无线芯片CC1310。在电压监控电路上，本申请采用带支持迟滞功能的电源监控芯片。电压监控回路实时监测充电电路中电容器的实时电压VDD，根据感应线圈整流电路性能，本电路选用VDET为3.3V的电源监控芯片，其迟滞电压VHYS值为VDET*0.05= 0.165V。如图3所示，

① 时，检测到VDD电压达到VDET+VHYS时，电源监控芯片输出高电平，控制LDO进行电源输出，LDO输出后，后级CPU电路开始工作，由于能量消耗，VDD必定下降。

② 时，当VDD电压低于VDET+VHYS时，VOH也随着降低，但仍能持续输出高电平，只有当VDD电压低于VDET时，电源监控芯片才没有没有输出，即为电平VOL。无法控制LDO持续的输出，如果LDO不施加另外的控制方法，后级则会立即断电。

③检测到VDD电压恢复到VDET+VHYS时，电源监控版本继续输出高电平，控制LDO进制输出。

一种基于权利要求1所述的无源无线测温装置的监测方法，如图5所示，包括如下步骤：

A：启动装置，每个装置配备唯一ID，与接收器进行施工配对绑定，然后收集装置的采集数据，电压监控电路的Cpu通过无线433MHz通信链路发送无线测温数据到接收器；

B：接收器对接收到数据后，通过接收器直接计算出无源无线测温装置的无线发射功率，根据功率大小指导接收器的接收天线的安装位置，以便获得更好的接收性能，进一步的在集中式测温现场施工时，结合现场情况，合理计算得到合理的主机数量，对集中式测温接收器主机进行施工、安装，控制成本，保证性能，进行最佳资源配置；

C：丢包率及重启次数统计，接收器对每台无源无线测温装置的数据包进行统计分析，并且统计装置重启次数，以便对装置进行实时的监测，辅助监控现场系统的运行情况，发现丢包率和重启次数大于阈值，则发出温度报警事件。

所述的步骤A中，为了防止传输时数据碰撞的概念，保证现场可靠的数据传输与实时监测，采用智能随机发送间隔算法，具体过程如下：

首先设置装置的基准数据传输间隔为40秒，在计算实际数据传输间隔时，引入根据芯片唯一ID辅助设置数据传输间隔，完成此步时，数据传输间隔范围在40±20秒；

其次，系统采用了温度变化传的策略，本系统实时对温度进行实时监测，在温度有0.5度变化时立即进行数据上报，设置每2秒进行一次温度采样；从而有效降低传输时数据碰撞的概念，保证现场可靠的数据传输与实时监测。

现有技术中由于硬件限制，无线测温装置工作电源是由电磁感应的能量给电容器充电获得，由于结构及硬件限制，其容量极其有限，因此无法维持CPU部分持续工作，因此在CPU完成温度采样、数据无线传输后，需要立即进入低功耗模式，这样电容器里的能量才能保持持续增加，来维持装置持续工作。

因为有源源不断的能量来源，基于电磁感应的无源无线测温装置在数据传输时间间隔可以非常小，在最小启动电流下即可满足低于60秒的传输间隔，因此可以对监测部位提供实时的监测，并且不用担心供电寿命的问题，可做到终生免维护的标准。

因此，基于电磁感应的无源无线测温装置数据传输策略一般都采用单发单收的数据传输策略，使用间隔更短的数据传输来实现数据的可靠传输。基于此，本系统通过上述算法，进一步的提高产品的综合性能。

数据流转：无源无线测温装置数据无法直接展示或提供声光报警，因此数据必须先传输到接收器，然后由接收器进行数据处理和应用，本系统采用无线433MHz通信链路作为传输数据的通道。

简化施工智能配对：电磁感应的无源无线测温装置出厂时配置唯一ID，使用时，由施工人员对现场的无源无线测温装置与接收器进行施工，使其与接收器绑定，并可对其监测的部位进行命名。当接收器接收到多个无源无线测温装置的数据时，便可判断是否是与自己绑定的装置的数据，如果是则处理，不是则丢弃。

此机制适用于现场有多个接收器的场景，每个接收器只处理与自己绑定的测温装置，保证监测的准确性与可靠性。

合理分配任务：传统以电池供电测温装置，不仅对温度进行实时监测，也需要处理超温、温升等温度报警事件，因为在处理超温事件时需要设置温度越限值，以提供更可靠的事件产生。但因为是电池供电的的低功耗设备，现场设置温度越限值极为困难，基本上厂家都不支持更改，而是在出厂时有默认的值。因此，以电池供电的测温装置存在产生事件不合理的情况，该产生时不产生，不该生产时乱产生，更有甚者，会因为数据传输时丢包产生事件丢失的情况，不能实时对现场提供可靠监测。

电磁感应的无源无线测温装置则可以完全利用其工作特性，合理分配任务。在本系统中，装置只进行温度采样及数据传输，与温度相关的事件，交给接收器进行处理，因此便可在施工时或者在监控运维平台对温度相关的事件进行配置，以保证更强的环境适应性。

并且可有效避免因数据传输时产生数据碰撞引起事件丢失问题。

智能数据传输策略：本系统数据链路采用无线433MHz通信，传输方向为单发单收，在数据传输时因为没有交互，因此需要辅助手段来保证数据通信的可靠性。当现场存在多个无源无线测温装置时，每个装置都按照自己的逻辑上传数据时，会出现大概率数据传输碰撞，会引起数据丢失。因此，本系统引入了上述智能随机发送间隔算法，可大幅降低数据碰撞的概率。其次，系统采用了温度变化传的策略，本系统实时对温度进行实时监测，在温度有0.5度变化时立即进行数据上报，由于现场温度的不确定性，随时都有可能进行数据的上传，数据的频繁上传必定会把电容器内的能量耗尽，引起装置重启，不过由于源源不断的能量来源，重启后的装置依然可靠的工作。但为了降低数据的太频繁上报占用无线资源，本系统创新性的降低了温度采样的频率，设置每2秒进行一次温度采样。采用以上2种数据传输策略后，即可有效降低传输时数据碰撞的概念，保证现场可靠的数据传输与实时监测。

电磁感应的无源无线测温装置采用无线433MHz通信链路进行通信，装置安装的位置一般也是处于高压等危险区域，本系统通过上述方法可以实现对装置状态进行监测，用以辅助现场施工，实时查看装置状态，实现了一种高性能更稳定的高压测试装置。

在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“ 中心”，“ 横向”、“ 纵

向”、“ 长度”、“ 宽度”、“ 厚度”、“ 上”、“ 下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”、“ 内”、“ 外”、“ 顺时针”、“ 逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中的术语术语“ 包括”和“ 具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行较详细的说明，但本发明不限于这里所述的特定实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等有效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。