專利名稱：一種自主能源供給的無線發射的熱電傳感器及火災報警系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及熱電傳感無線發射火災遠程傳輸報警領域，特別涉及一種自主能源供給的無線發射的熱電傳感器以及在火災報警系統中的應用。
背景技術：
目前，野外環境下存在著電源難題，不適應常規火災報警系統的應用，傳統有源型傳感器存在需外接電源或電池、使用壽命短等問題，在不適宜布線的場所或者在不適宜人員達到的地方都無法使用，因此不利于大規模聯網應用。此外，若報警器在安裝后未被使用時間過長時，線路的老化會造成報警失效。若采用干電池供電時，也會存在因使用時間過長電池能量耗盡，無法給報警器正常工作供電，從而造成報警失效。因此火災報警器有效性的一個關鍵制約因素就是系統的供電問題。
發明內容
本發明針對現有技術中的不足之處，提供了一種自主能源供給的無線發射熱電傳感器以及在無線發射火災報警系統中的應用，實現了自主能源供給，并通過無線發射方式進行遠程報警。該系統在正常情況下不需內部或外部的電源供電，只有在當溫度達到警戒值時，才由熱電傳感器發出觸發信號，同時將此觸發信號作為整個系統的電源供給，系統開始工作并報警，這樣保證了在引入報警裝置時完全不引入不安全因素。該系統在空曠地的傳輸范圍可以達到100到150米，最大發送速率可達501ibpS，接收靈敏度可達-lOOdbm。本發明所采用的技術方案是一種自主能源供給的無線發射的熱電傳感器，該熱電傳感器包括散熱片、外殼封裝、銅箔、熱電發電模塊、泡沫保溫膠帶和吸熱介質；其中，所述的熱電發電模塊型號采用的是TEC1-12706，熱電發電模塊以狄2片的形式用導熱硅膠貼于散熱片上，并置于高熱容的吸熱介質中，散熱片四周用泡沫保溫膠帶封裝，防止熱流從周圍散失；熱電傳感器上表面貼有一層銅箔，用于均熱；四片熱電發電模塊以串聯形式連接，最后進行封裝；經測試熱電傳感器產生的電壓與溫差具有定量關系U = 0. 15ΔΤ，其中電壓單位為伏特，溫差單位為攝氏度；利用熱電發電模塊在被觸發時產生的電信號作為電源供給和探測信號，在自組網技術中，實現熱電感應以及信號的遠程傳輸和接收。一種自主能源供給的無線發射火災報警系統，該系統包括多套發射端和一個接收端，所述的發射端包含上述的熱電傳感器，電源轉換模塊，發射端智能微處理器，溫度傳感器和無線發射模塊；其中，熱電傳感器被觸發后所得到的電能傳給電源轉換模塊，電源轉換模塊將該電能傳遞給后續電路，即為發射端智能微處理器，溫度傳感器以及無線發射模塊提供電源；所述的接收端包含無線接收模塊，接收端智能微處理器，執行機構和顯示模塊，其中無線接收模塊接收由無線發射模塊發射的信號后傳給接收端智能微處理器，接收端智能
3微處理器處理該信號后由執行機構執行預定的操作，并在顯示模塊上顯示。進一步的，所述的發射端智能微處理器以及所述的接收端智能微處理器均采用 STC公司生產的89LE52低功耗單片機。進一步的，所述的無線發射模塊以及所述的無線接收模塊均由NRF905射頻芯片構成。進一步的，所述的溫度傳感器采用DALLAS公司生產的DS18B20數字溫度計，該 DS18B20數字溫度計是Ι-Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點。進一步的，所述的顯示模塊采用4位7段共陽數碼管掃描顯示。本發明所采用的技術方案的原理在于利用溫差發電組件制成溫差傳感器，利用其在被觸發時產生的電信號作為電源供給和探測信號，通過電源轉換模塊和智能微處理器連接到無線發射模塊。根據無線發射模塊工作所需的觸發電壓以及熱電傳感器的溫差電壓關系，可以調節系統工作的靈敏度。針對傳感器技術集成化、傳感器自組網的供電發展需求，利用溫差發電技術，為硬件提供電源，實現發射端的自供電運行和長時間免維護運行； 同時采用射頻技術和移動通信技術將眾多的發射端設備聯系起來，組成龐大的自組網式智能傳感網，實現信息在傳感器網絡中的遠程傳輸。最終實現一種不用布置電源線，無需換電池的高效、穩定、安全的無線發射火災報警系統。本發明相對于現有技術的有益效果為針對易燃場所或者野外環境下對火災的監控報警應用需求，解決供電不便的實際問題，通過新型熱電能源材料在傳感器中的應用，開發出具有組網功能的自供電新型無線發射熱電傳感器與火災報警系統，系統具有5-8年的設計壽命，可實現對傳感器周圍環境10米距離的溫度變化的信息收集，信息傳輸距離半徑可達150米。該系統不用布置電源線，可實現通過傳感器組網技術對大范圍區域的溫度進行實時多點監控。(1)采用溫差發電技術，利用熱電傳感器產生的電信號作為電源供給，從而避免了使用外接或內部電源。(2)熱電傳感器直接把火災的火場產生的熱轉換為電信號，智能微處理器對信號進行分析，并觸發無線發射模塊工作，實現了設備的自主能源供給。發射端傳感網絡自身組網，實現信號遠程傳輸和接收，同時將部分終端作為信號中繼，以達到減少專用基站的投入，降低成本。(3)可以在無外接電源下，該系統可應用于森林防火、危險源防護等多領域的火災遠程報警監測。提高戶外火災報警的能力，減少人員與財產的損失。在傳感系統休眠時，也可實現對備用電池的充電。
圖1是本發明一種自主能源供給的無線發射火災報警系統框圖；圖2是熱電傳感器截面圖；圖3是電源轉換模塊電路原理圖；圖4是發射端智能微處理器原理圖；圖5是接收端智能微處理器原理圖；圖6是無線發射模塊電路原理圖7是無線接收模塊電路原理圖；圖8是溫度傳感器電路原理圖；圖9是顯示模塊電路原理圖；其中，1為熱電傳感器；2為電源轉換模塊；3為發射端智能微處理器；4為溫度傳感器；5為無線發射模塊；6為無線接收模塊；7為接收端智能微處理器；8為執行機構；9為顯示模塊；10為散熱片；11為外殼封裝；12為銅箔；13為熱電發電模塊；14為泡沫保溫膠帶；15為吸熱介質。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
進行描述，以便更好地理解本發明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當采用已知功能和設計的詳細描述也許會淡化本發明的主要內容時，這些描述在這里將被忽略。圖1所示為一種自主能源供給的無線發射火災報警系統框圖，該系統包括多套發射端和一個接收端，發射端包含熱電傳感器1，電源轉換模塊2，發射端智能微處理器3，溫度傳感器4和無線發射模塊5 ；其中，熱電傳感器1被觸發后所得到的電能傳給電源轉換模塊2，電源轉換模塊2將該電能傳遞給后續電路，即為發射端智能微處理器3，溫度傳感器 4以及發射模塊5提供電源；接收端包含無線接收模塊6，接收端智能微處理器7，執行機構8和顯示模塊9，其中無線接收模塊6接收由無線發射模塊5發射的信號后傳給接收端智能微處理器7，接收端智能微處理器7處理該信號后由執行機構8執行預定的操作，并在顯示模塊9上顯示。利用自主能源供給的熱電傳感器技術，將熱電傳感器1被觸發后所得到的電信號作為電源，根據熱電傳感器1的輸入、輸出阻抗，以及所產生的電信號的峰值電流，峰值電壓，紋波電壓等，設計適合該系統的供電系統。同時可使用集成智能充電管理芯片和充電保護模塊以及高性能的磷酸鐵鋰電池，設計出可實現穩壓、充電、過充過放保護功能的電路系統，以進一步完善該系統的供電系統。在實施例中熱電發電模塊型號采用的是 TEC1-12706，中國電子科技集團公司第十八研究所于俊鵬、張建中等人研究了商用溫差電致冷組件用于發電的可行性，得出了 TEC1-12706標準溫差電致冷組件在低溫發電模式下的輸出具有可行性和經濟性。圖2所示為熱電傳感器1的截面結構圖熱電傳感器1包括散熱片10、外殼封裝 11、銅箔12、熱電發電模塊13、泡沫保溫膠帶14和吸熱介質15 ；其中，熱電發電模塊13以 2 片的形式用導熱硅膠貼于散熱片10上，并置于高熱容的吸熱介質15中。散熱片10四周用泡沫保溫膠帶封裝，防止熱流從周圍散失；熱電傳感器1上表面貼有一層銅箔12，用于均熱；四片熱電發電模塊13以串聯形式連接，最后進行封裝。經測試熱電傳感器產生的電壓與溫差具有定量關系U = O. 15 Δ T，其中電壓單位為伏特，溫差單位為攝氏度。圖3所示為電源轉換模塊的電路原理圖該部分將熱電傳感器1產生的電能傳遞給后續電路，即為發射端智能微處理器3，溫度傳感器4以及無線發射模塊5提供電源；利用Cl、C2濾除交流電量，同時選用3. 6V穩壓管1Ν47^穩定供電電壓。通過DRl和發光二極管監測系統是否上電。 圖4所示為發射端智能微處理器3的電路原理圖，發射端智能微處理器3采用STC 公司生產的89LE52低功耗單片機作為主控芯片，在內部分別存儲有信號發射的程序。發射端智能微處理器3使用11. 0592M晶振以及C31和C32電容為單片機提供時鐘信號；C13、 RlU R12以及按鍵開關共同構成復位電路。發射端智能微處理器3的單片機的Pl 口以及 P3. 2和P3. 3分配給無線發射模塊5 ；單片機的P3. 5分配給溫度傳感器模塊；單片機的FA/ VP接高電平，其余引腳置空置。圖5所示為接收端智能微處理器7的電路原理圖，接收端智能微處理器7采用STC 公司生產的89LE52低功耗單片機作為主控芯片，在內部分別存儲有信號接收的程序。接收端智能微處理器7使用11. 0592M晶振以及C31和C32電容為單片機提供時鐘信號；C13、 RlU R12以及按鍵開關共同構成復位電路。接收端智能微處理器7的單片機的Pl 口以及 P3. 2和P3. 3分配給無線接收模塊6 ；單片機的P3. 4連接蜂鳴器；單片機的P2. 0至P2. 3做數碼管的段碼，P3 口作為數碼管的位碼，段碼與位碼均為低電平有效；單片機的FA/VP接高電平，其余引腳置空。圖6所示為無線發射模塊5采用NRF905射頻芯片構成。工作于ISM(工業、醫療和科學)的433、868、915MHz三個頻段，其中的433M頻段在國內可以免許可使用。其發射端的發射功率為lOcffim。無線發射模塊5的NRF905射頻芯片接口為2. 54mm DIP-14插針。 NRF905與發射端智能微處理器3的單片機89LE52之間采用SPI總線協議進行通信，由于 89LE52內部無SPI功能，SPI時序通過單片機內部軟件模擬獲得。發射端的NRF905射頻芯片的2腳TX_EN接發射端智能微處理器3的Pl. 0，3腳TRX_CE接發射端智能微處理器3的 P3. 2，4腳PWR_UP接發射端智能微處理器3的Pl. 1，5腳CLK置空，6腳⑶接發射端智能微處理器3的Pl. 2，7腳AM接發射端智能微處理器3的Pl. 4，8腳DR接發射端智能微處理器 3的P3. 3，9腳MISO接發射端智能微處理器3的Pl. 6，10腳MOSI接發射端智能微處理器3 的Pl. 5，11腳SCK接發射端智能微處理器3的Pl. 7，12腳CSN接發射端智能微處理器3的 Pl. 3。無線發射模塊51腳置空，13、14腳接地。圖7所示為無線接收模塊6采用NRF905射頻芯片構成。工作于ISM(工業、醫療和科學)的433、868、915MHz三個頻段，其中的433M頻段在國內可以免許可使用。其接收端的接收靈敏度為-lOOdBm。無線接收模塊6NRF905射頻芯片接口為2. 54mm DIP-14插針。 NRF905與接收端智能微處理器7的單片機89LE52之間采用SPI總線協議進行通信，由于 89LE52內部無SPI功能，SPI時序通過單片機內部軟件模擬獲得。接收端的NRF905射頻芯片的2腳TX_EN接接收端智能微處理器7的Pl. 0，3腳TRX_CE接接收端智能微處理器7的 P3. 2，4腳PWR_UP接接收端智能微處理器7的Pl. 1，5腳CLK置空，6腳⑶接接收端智能微處理器7的Pl. 2，7腳AM接接收端智能微處理器7的Pl. 4，8腳DR接接收端智能微處理器 7的P3. 3，9腳MISO接接收端智能微處理器7的Pl. 6，10腳MOSI接接收端智能微處理器7 的Pl. 5，11腳SCK接接收端智能微處理器7的Pl. 7，12腳CSN接接收端智能微處理器7的 Pl. 3。無線接收模塊6的1腳置空，13、14腳接地。圖8所示為溫度傳感器4的在系統中連接的電路原理圖溫度傳感器4采用 DALLAS公司生產的DS18B20數字溫度計，該芯片是Ι-Wire，即單總線器件，具有線路簡單， 體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統，具有線路簡單，可以最大限度的節約單片機引腳。芯片數據線與發射端智能微處理器3的P3. 5相連。圖9所示為顯示模塊9的電路原理圖顯示模塊9采用4位7段共陽數碼管掃描顯示。位選線連接至Ql至Q4的9012集電極，并由9012基極控制，基極通過限流電阻R51到R54由低到高分別接到接收端智能微處理器7的P2. 0至P2. 3。位碼由低到高接到接收端智能微處理器7的P0. 0至P0. 7引腳。 盡管上面對本發明說明性的具體實施方式
進行了描述，以便于本技術領的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限于具體實施方式
的范圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所述的權利要求限定和確定的本發明的范圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。
權利要求
1.一種自主能源供給的無線發射的熱電傳感器，其特征在于所述的熱電傳感器包括散熱片(10)、外殼封裝(11)、銅箔(12)、熱電發電模塊(13)、泡沫保溫膠帶(14)和吸熱介質(15)；其中，所述的熱電發電模塊型號采用的是TEC1-12706，熱電發電模塊(13)以2 片的形式用導熱硅膠貼于散熱片(10)上，并置于高熱容的吸熱介質(15)中，散熱片(10) 四周用泡沫保溫膠帶封裝，防止熱流從周圍散失；熱電傳感器上表面貼有一層銅箔(12)， 用于均熱；四片熱電發電模塊(1 以串聯形式連接，最后進行封裝；經測試熱電傳感器產生的電壓與溫差具有定量關系U = 0. 15ΔΤ，其中電壓單位為伏特，溫差單位為攝氏度；利用熱電發電模塊在被觸發時產生的電信號作為電源供給和探測信號，在自組網技術中，實現熱電感應以及信號的遠程傳輸和接收。
2.一種自主能源供給的無線發射的火災報警系統，該系統包括多套發射端和一個接收端，其特征在于所述的發射端包含權利要求1所述的熱電傳感器(1)，電源轉換模塊(2)， 發射端智能微處理器(3)，溫度傳感器(4)和無線發射模塊(5)；其中，熱電傳感器(1)被觸發后所得到的電能傳給電源轉換模塊O)，電源轉換模塊( 將該電能傳遞給后續電路，即為發射端智能微處理器(3)，溫度傳感器以及無線發射模塊( 提供電源；所述的接收端包含無線接收模塊(6)，接收端智能微處理器(7)，執行機構(8)和顯示模塊(9)，其中無線接收模塊(6)接收由無線發射模塊( 發射的信號后傳給接收端智能微處理器(7)，接收端智能微處理器(7)處理該信號后由執行機構(8)執行預定的操作，并在顯示模塊(9)上顯示。
3.根據權利要求2所述的一種自主能源供給的無線發射的火災報警系統，其特征在于所述的發射端智能微處理器(3)以及所述的接收端智能微處理器(7)均采用STC公司生產的89LE52低功耗單片機。
4.根據權利要求2所述的一種自主能源供給的無線發射的火災報警系統，其特征在于所述的無線發射模塊(5)以及所述的無線接收模塊(6)均由NRF905射頻芯片構成。
5.根據權利要求2所述的一種自主能源供給的無線發射的火災報警系統，其特征在于所述的溫度傳感器⑷采用DALLAS公司生產的DS18B20數字溫度計，該DS18B20數字溫度計是Ι-Wire，即單總線器件。
6.根據權利要求2所述的一種自主能源供給的無線發射的火災報警系統，其特征在于所述的顯示模塊(9)采用4位7段共陽數碼管掃描顯示。
全文摘要
本發明提供一種自主能源供給的無線發射的熱電傳感器及火災報警系統，針對目前火災報警器都需采用外接電源或內部電池供電的現況，開發出基于新型熱電材料的自主能源供給的無線發射的熱電傳感器，利用熱電發電模塊在被觸發時產生的電信號作為電源供給和探測信號，從而避免了事先布線和經常更換電池的繁瑣。整個火災報警系統在無外接電源下，傳感器自身組網，實現信號遠程傳輸和接收。火災報警系統的接收端的智能微處理器通過對多個信號進行綜合分析處理，最終確定險情的位置，實現多點火災的實時監測。采用自主能源供給的自組網無線發射火災報警系統，將會擺脫電源的束縛，實現無源火災報警的功能。
文檔編號H02N11/00GK102435323SQ20111028084
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月21日 優先權日2011年9月21日
發明者史永明, 葉慧紅, 王瑤, 祝薇, 鄧元 申請人:北京航億佳鑫科技開發有限公司, 北京航空航天大學