專利名稱：基于無線傳感網(wǎng)的高精度熱電偶無線溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種無線溫度傳感器，特別是一種基于無線傳感網(wǎng)的高精度熱電 偶無線溫度傳感器。
背景技術(shù)：
熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單、適用溫度范圍廣、使用方便、承受熱與機(jī)械沖擊能力強(qiáng)以及 響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，常用于工業(yè)領(lǐng)域中需要高溫測(cè)量的場(chǎng)合。目前熱電偶測(cè)溫多采用有線 的方式，將隨溫度變化的毫伏電壓信號(hào)通過長距離的導(dǎo)線接入溫度變送器或直接接入廠方 自動(dòng)化系統(tǒng)，而在信號(hào)的長距離傳輸、變送等環(huán)節(jié)中，不可避免地引入了各種誤差與干擾， 并且在現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中很繁瑣，特別是對(duì)于一些不方便布線的場(chǎng)合，不能安裝溫度測(cè)點(diǎn)，造 成測(cè)量盲區(qū)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)是綜合了傳感器、低功耗、 通信以及微機(jī)電等技術(shù)，由許多集傳感與驅(qū)動(dòng)控制能力、計(jì)算能力、通信能力于一身的資源 受限的嵌入式節(jié)點(diǎn)互連起來的網(wǎng)絡(luò)，目前已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)測(cè)、智能電網(wǎng)、智能家 居、智能交通、公共安全、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)等社會(huì)各行各業(yè)中，相對(duì)于有線通信網(wǎng)絡(luò)而 言，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般采用電池供電系統(tǒng)，免于布線，安裝維護(hù)方便。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)上述的問題，本實(shí)用新型提供了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高精度一體化熱 電偶無線溫度傳感器。本實(shí)用新型的高精度熱電偶無線溫度傳感器由高精度熱電阻溫度檢測(cè)單元、高精 度溫度傳感單元、高精度熱電偶溫度檢測(cè)單元、微弱信號(hào)檢測(cè)電路、微控制器電路、射頻收 發(fā)電路、電源電路組成，上述各主要組成電路部分被封裝在一個(gè)一體化的密閉殼體內(nèi)，以適 應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的防水、防塵、抗干擾要求，系統(tǒng)通過高精度熱電偶溫度檢測(cè)單元感知介質(zhì)工作 溫度信號(hào)，通過高精度熱電阻溫度檢測(cè)單元或高精度溫度傳感單元感知環(huán)境溫度信號(hào)以實(shí) 現(xiàn)熱電偶冷端溫度補(bǔ)償，通過射頻收發(fā)電路以無線方式實(shí)現(xiàn)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)或其它自動(dòng) 化系統(tǒng)的通信功能。上述的高精度熱電阻溫度檢測(cè)單元由高精度鉬薄膜溫度傳感器或高精度熱敏電 阻溫度傳感器構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的高精度測(cè)量。上述的高精度溫度傳感單元由高精度溫度傳感器集成芯片構(gòu)成，它在內(nèi)部集成了 溫度檢測(cè)單元、微弱信號(hào)處理單元、可選的A/D轉(zhuǎn)換單元，一般可以直接輸出溫度的數(shù)字信 號(hào)，出廠時(shí)經(jīng)過標(biāo)定，并且測(cè)溫精度高。高精度溫度傳感單元與高精度熱電阻溫度檢測(cè)單元 都用來實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的測(cè)量功能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶信號(hào)的冷端補(bǔ)償，一般情況下，高精度 熱電阻溫度檢測(cè)單元的測(cè)溫精度更高一些，在實(shí)際應(yīng)用過程中，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇一 種測(cè)溫單元作為環(huán)境溫度測(cè)量單元。上述的高精度熱電偶溫度檢測(cè)單元由高精度熱電偶溫度傳感器構(gòu)成，直接輸出隨溫度變化的毫伏電壓信號(hào)。上述的微弱信號(hào)檢測(cè)電路由具有關(guān)斷功能的可控激勵(lì)源與電壓基準(zhǔn)源、高精密電 阻、濾波電路、精密運(yùn)放、高精度A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。高精度熱電阻溫度檢測(cè)單元實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境 溫度信號(hào)的檢測(cè)功能，高精度熱電阻溫度檢測(cè)單元與高精密電阻構(gòu)成由可控激勵(lì)源供電的 半橋或全橋檢測(cè)電路，上述檢測(cè)電路產(chǎn)生的差分電壓信號(hào)經(jīng)濾波電路與精密運(yùn)放處理后進(jìn) 入高精度A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)采集，然后輸出給微控制器；高精度熱電偶溫度檢測(cè)單元實(shí) 現(xiàn)對(duì)介質(zhì)工作溫度信號(hào)的檢測(cè)功能，熱電偶產(chǎn)生的差分電壓信號(hào)經(jīng)濾波電路與精密運(yùn)放處 理后進(jìn)入高精度A/D轉(zhuǎn)換器以電壓基準(zhǔn)源作為參考進(jìn)行信號(hào)采集，然后輸出給微控制器。上述的微控制器電路由集成大容量FLASH與SRAM的低功耗微控制器、晶體諧振器 或晶體振蕩器構(gòu)成。微控制器內(nèi)集成的大容量FLASH存儲(chǔ)主控程序與無線傳感網(wǎng)協(xié)議程 序，主控程序完成溫度信號(hào)的采集與處理，無線傳感網(wǎng)協(xié)議程序完成與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)或 其它自動(dòng)化系統(tǒng)的通信功能，通過射頻收發(fā)電路的射頻載體，將溫度信號(hào)以無線的方式傳 送出去，無線傳感網(wǎng)協(xié)議程序可支持ZigBee協(xié)議、WirelessHART協(xié)議、ISA100. Ila協(xié)議或 其它無線傳感網(wǎng)協(xié)議。微控制器電路包括支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步的時(shí)鐘晶振，微控制器 采用同步算法，定時(shí)被從低功耗模式喚醒，與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)鐘同步，以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù) 據(jù)的同步收發(fā)功能，通過無線傳感網(wǎng)通信的同步收發(fā)功能，系統(tǒng)得以在支持無線溫度傳感 器低功耗特性的同時(shí)，也支持多個(gè)或多種無線溫度傳感器的組網(wǎng)應(yīng)用與無線溫度傳感器業(yè) 務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸功能。上述的射頻收發(fā)電路由無線射頻收發(fā)集成電路、晶體諧振器或晶體振蕩器、天線 構(gòu)成，微控制器與射頻收發(fā)電路典型通過串行總線的方式進(jìn)行連接。上述的電源電路由一次性鋰亞電池構(gòu)成，提供整個(gè)傳感器產(chǎn)品在至少5年以上全 生命周期內(nèi)的能量來源。上述各組成電路部分都支持低功耗特性，具有可關(guān)斷功能，只在工作狀態(tài)時(shí)消耗 較多能量，其它時(shí)候則進(jìn)入極低功耗休眠狀態(tài)。微控制器與高精度A/D轉(zhuǎn)換器典型通過串 行總線的方式進(jìn)行連接。在進(jìn)行環(huán)境溫度信號(hào)采集時(shí)，微控制器被從低功耗模式喚醒，控 制可控激勵(lì)源進(jìn)入工作狀態(tài)，以給由高精度熱電阻溫度檢測(cè)單元與高精密電阻構(gòu)成的半橋 或全橋檢測(cè)電路提供參考工作電壓，同時(shí)控制精密運(yùn)放與高精度A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入工作狀 態(tài)，進(jìn)行環(huán)境溫度信號(hào)采集，在環(huán)境溫度信號(hào)采集完成后，微控制器從高精度A/D轉(zhuǎn)換器讀 取轉(zhuǎn)換后的環(huán)境溫度信號(hào)，并經(jīng)過一定的軟件濾波等處理后，將環(huán)境溫度信號(hào)數(shù)據(jù)緩存在 SRAM中，然后系統(tǒng)進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)；作為另外一種優(yōu)選方式，在進(jìn)行環(huán)境溫度信號(hào)采 集時(shí)，微控制器被從低功耗模式喚醒，控制高精度溫度傳感單元進(jìn)入工作狀態(tài)，直接采集并 讀取環(huán)境溫度信號(hào)，將環(huán)境溫度信號(hào)數(shù)據(jù)緩存在SRAM中，然后系統(tǒng)進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)； 在進(jìn)行介質(zhì)工作溫度信號(hào)采集時(shí)，微控制器被從低功耗模式喚醒，控制電壓基準(zhǔn)源進(jìn)入工 作狀態(tài)，以提供信號(hào)采集的基準(zhǔn)電壓，同時(shí)控制精密運(yùn)放與高精度A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入工作狀 態(tài)，進(jìn)行介質(zhì)工作溫度信號(hào)采集，在介質(zhì)工作溫度信號(hào)采集完成后，微控制器從高精度A/D 轉(zhuǎn)換器讀取轉(zhuǎn)換后的介質(zhì)工作溫度信號(hào)，并經(jīng)過一定的軟件濾波等處理后，將介質(zhì)工作溫 度信號(hào)數(shù)據(jù)緩存在SRAM中，然后系統(tǒng)進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)；當(dāng)需要進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的無線通 信時(shí)，微控制器被從低功耗模式喚醒，從SRAM中讀取準(zhǔn)備好的溫度信號(hào)數(shù)據(jù)，控制射頻收 發(fā)電路進(jìn)入工作狀態(tài)，通過射頻收發(fā)電路將溫度信號(hào)傳送到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)或其它自動(dòng)化
4系統(tǒng)，然后系統(tǒng)進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本實(shí)用新型的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高精度一體化熱電偶無 線溫度傳感器具有防水、防塵、抗干擾特性，由于不需要布線，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)便于安裝；更進(jìn)一 步地，由于系統(tǒng)所有主要組成部分被封裝在一個(gè)密閉殼體內(nèi)，免去了因采用有線信號(hào)而引 入的在長距離傳輸、變送等環(huán)節(jié)中存在的各種誤差與干擾問題，可以有效地提高系統(tǒng)的測(cè) 溫精度；同時(shí)，由于采用了一體化集成處理方式，系統(tǒng)的整個(gè)電路部分得以簡化，有效提高 了系統(tǒng)的可靠性與一致性，并且便于批量生產(chǎn)。

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例中高精度熱電偶無線溫度傳感器的組成原理框圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明，但不限于此。圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例中高精度熱電偶無線溫度傳感器的組成原理框圖。按照 圖1所示，本實(shí)用新型的高精度熱電偶無線溫度傳感器由高精度熱電阻溫度檢測(cè)單元(1)、 高精度溫度傳感單元(2)、高精度熱電偶溫度檢測(cè)單元(3)、微弱信號(hào)檢測(cè)電路(4)、微控制 器電路(5)、射頻收發(fā)電路(6)、電源電路(7)組成。上述的高精度熱電阻溫度檢測(cè)單元(1)典型可選用1/3DIN B精度等級(jí)的鉬薄膜 溫度傳感器或0. 精度等級(jí)的熱敏電阻溫度傳感器，其具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、可靠 性強(qiáng)、產(chǎn)品壽命長等優(yōu)點(diǎn)，廣泛適用于工業(yè)自動(dòng)化測(cè)量廠商OEM的應(yīng)用情況。上述的高精度溫度傳感單元(2)典型可選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20集成芯片， 其具有測(cè)溫精度高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，大量應(yīng)用于各種溫度監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合。高精度溫度傳感單 元(2)與高精度熱電阻溫度檢測(cè)單元(1)都用來實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的測(cè)量功能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱 電偶信號(hào)的冷端補(bǔ)償，一般情況下，高精度熱電阻溫度檢測(cè)單元(1)的測(cè)溫精度更高一些， 在實(shí)際應(yīng)用過程中，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇一種測(cè)溫單元作為環(huán)境溫度測(cè)量單元。上述的高精度熱電偶溫度檢測(cè)單元(3)典型可選用工業(yè)測(cè)溫中大量使用的鎧裝K 型熱電偶溫度傳感器。上述的微弱信號(hào)檢測(cè)電路(4)由可控激勵(lì)源、電壓基準(zhǔn)源、高精密電阻、濾波電 路、精密運(yùn)放、高精度A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。高精度熱電阻溫度檢測(cè)單元(1)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度信 號(hào)的檢測(cè)功能，高精度熱電阻溫度檢測(cè)單元(1)與高精密電阻構(gòu)成由可控激勵(lì)源供電的半 橋或全橋檢測(cè)電路，上述檢測(cè)電路產(chǎn)生的差分電壓信號(hào)經(jīng)濾波電路與精密運(yùn)放處理后進(jìn)入 高精度A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)采集，然后輸出給微控制器；高精度熱電偶溫度檢測(cè)單元(3)實(shí) 現(xiàn)對(duì)介質(zhì)工作溫度信號(hào)的檢測(cè)功能，熱電偶產(chǎn)生的差分電壓信號(hào)經(jīng)濾波電路與精密運(yùn)放處 理后進(jìn)入高精度A/D轉(zhuǎn)換器以電壓基準(zhǔn)源作為參考進(jìn)行信號(hào)采集，然后輸出給微控制器。 高精密電阻典型情況可選用2顆0.01%精度、5ppm/°C的IOK阻值精密電阻組成半橋分壓電 路；可控激勵(lì)源、電壓基準(zhǔn)源、濾波電路、精密運(yùn)放、24位高精度A/D轉(zhuǎn)換器典型情況可選用 一體化的集成器件ADS1248/7，它可以提供針對(duì)熱電偶傳感器完整的端到端解決方案。上述的微控制器電路(5)由集成大容量FLASH與SRAM的低功耗微控制器、晶 體諧振器或晶體振蕩器構(gòu)成，微控制器典型情況可選用TI公司的超低功耗16位單片機(jī)MSP430F1232,晶振典型情況可選用32. 768K時(shí)鐘晶振作為溫度信號(hào)采集時(shí)鐘與無線傳感 網(wǎng)同步時(shí)鐘，溫度信號(hào)采集時(shí)鐘用來完成溫度信號(hào)的定時(shí)采集功能，無線傳感網(wǎng)同步時(shí)鐘 用來完成系統(tǒng)的定時(shí)同步功能，也可以選擇高頻時(shí)鐘晶振來實(shí)現(xiàn)更精確的全網(wǎng)同步功能。上述的射頻收發(fā)電路(6)由無線射頻收發(fā)集成電路、晶體諧振器或晶體振蕩器、 天線構(gòu)成，無線射頻收發(fā)集成電路可以選用433M、470M、780M、2. 4G頻段的ISM無線射頻收 發(fā)芯片，典型情況可選用TI公司的CCllOl無線射頻收發(fā)芯片，工作在433M頻段。上述的電源電路(7)由一次性鋰亞電池構(gòu)成，典型情況可選用ER26500鋰亞電池， 提供整個(gè)傳感器產(chǎn)品在至少5年以上全生命周期內(nèi)的能量來源。
權(quán)利要求一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高精度一體化熱電偶無線溫度傳感器，其特征在于所述無線溫度傳感器是由高精度熱電阻溫度檢測(cè)單元、高精度溫度傳感單元、高精度熱電偶溫度檢測(cè)單元、微弱信號(hào)檢測(cè)電路、微控制器電路、射頻收發(fā)電路、電源電路組成，上述各主要組成電路部分被封裝在一個(gè)一體化的密閉殼體內(nèi)，以適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的防水、防塵、抗干擾要求，系統(tǒng)通過高精度熱電偶溫度檢測(cè)單元感知介質(zhì)工作溫度信號(hào)，通過高精度熱電阻溫度檢測(cè)單元或高精度溫度傳感單元感知環(huán)境溫度信號(hào)以實(shí)現(xiàn)熱電偶冷端溫度補(bǔ)償，通過射頻收發(fā)電路以無線方式實(shí)現(xiàn)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)或其它自動(dòng)化系統(tǒng)的通信功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高精度一體化熱電偶無線溫度 傳感器，其特征在于所述無線溫度傳感器的微弱信號(hào)檢測(cè)電路是由具有關(guān)斷功能的可控激 勵(lì)源與電壓基準(zhǔn)源、高精密電阻、濾波電路、精密運(yùn)放、高精度A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，高精度熱電 阻溫度檢測(cè)單元實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度信號(hào)的檢測(cè)功能，高精度熱電阻溫度檢測(cè)單元與高精密電 阻構(gòu)成由可控激勵(lì)源供電的半橋或全橋檢測(cè)電路，上述檢測(cè)電路產(chǎn)生的差分電壓信號(hào)經(jīng)濾 波電路與精密運(yùn)放處理后進(jìn)入高精度A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)采集；高精度熱電偶溫度檢測(cè)單 元實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)工作溫度信號(hào)的檢測(cè)功能，熱電偶產(chǎn)生的差分電壓信號(hào)經(jīng)濾波電路與精密運(yùn) 放處理后進(jìn)入高精度A/D轉(zhuǎn)換器以電壓基準(zhǔn)源作為參考進(jìn)行信號(hào)采集。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高精度一體化熱電偶無線溫度 傳感器，其特征在于所述無線溫度傳感器的微控制器電路包括支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步的 時(shí)鐘晶振，微控制器采用同步算法，定時(shí)被從低功耗模式喚醒，與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)鐘 同步，以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的同步收發(fā)功能，通過無線傳感網(wǎng)通信的同步收發(fā)功能，系統(tǒng)得以在 支持無線溫度傳感器低功耗特性的同時(shí)，也支持多個(gè)或多種無線溫度傳感器的組網(wǎng)應(yīng)用與 無線溫度傳感器業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸功能。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高精度一體化熱電偶無線溫度 傳感器，其特征在于所述無線溫度傳感器的各組成電路部分都支持低功耗特性，只在工作 狀態(tài)時(shí)消耗較多能量，其它時(shí)候則進(jìn)入極低功耗休眠狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高精度一體化熱電偶無線溫度 傳感器，其特征在于所述無線溫度傳感器電源由一次性鋰亞電池構(gòu)成，提供整個(gè)無線溫度 傳感器產(chǎn)品在至少5年以上全生命周期內(nèi)的能量來源。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高精度一體化熱電偶無線溫度傳感器，所述無線溫度傳感器是由高精度熱電阻溫度檢測(cè)單元、高精度溫度傳感單元、高精度熱電偶溫度檢測(cè)單元、微弱信號(hào)檢測(cè)電路、微控制器電路、射頻收發(fā)電路、電源電路組成，上述各主要組成電路部分被封裝在一個(gè)一體化的密閉殼體內(nèi)，以適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的防水、防塵、抗干擾要求，系統(tǒng)通過高精度熱電偶溫度檢測(cè)單元感知介質(zhì)工作溫度信號(hào)，通過高精度熱電阻溫度檢測(cè)單元或高精度溫度傳感單元感知環(huán)境溫度信號(hào)以實(shí)現(xiàn)熱電偶冷端溫度補(bǔ)償，通過射頻收發(fā)電路以無線方式實(shí)現(xiàn)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)或其它自動(dòng)化系統(tǒng)的通信功能。
文檔編號(hào)G01K7/22GK201707145SQ20102023149
公開日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2010年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月18日
發(fā)明者陳瑞杰 申請(qǐng)人:陳瑞杰