振動(dòng)能量供電的礦用無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)用

郭文彥

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司，山西 興縣 033600)

0 引 言

隨著采煤機(jī)械化水平的提高，煤礦開(kāi)采逐漸向可智能化、自動(dòng)化和信息化方向發(fā)展，少人或無(wú)人綜采工作面發(fā)展趨勢(shì)對(duì)井下設(shè)備監(jiān)測(cè)提出了更高的要求。為此，已有不少研究者進(jìn)行過(guò)相關(guān)方面的研究，張文棟、申湛仙等綜述了煤礦機(jī)械設(shè)備的主要故障類(lèi)型、產(chǎn)生的原因以及故障的表現(xiàn)形式,根據(jù)信號(hào)采集時(shí)煤機(jī)設(shè)備是否需要停機(jī)以及故障診斷的時(shí)效性,總結(jié)了機(jī)械故障診斷的方法及其特點(diǎn);針對(duì)當(dāng)前煤礦機(jī)械工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足,提出了基于微能源技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤礦機(jī)械設(shè)備工作狀態(tài)信息采集與發(fā)送系統(tǒng)自供電,結(jié)合Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸和通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)技術(shù)通信方式實(shí)現(xiàn)煤礦機(jī)械設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向[1-2]。王飛針對(duì)煤礦井下礦用無(wú)線(xiàn)傳感器的電池使用壽命有限、更換困難的問(wèn)題,提出一種基于能量自給的煤礦無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案, 對(duì)煤礦安全監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)的應(yīng)用起到重要作用[3]。筆者針對(duì)煤礦井下傳統(tǒng)有線(xiàn)監(jiān)測(cè)布線(xiàn)難、供電難等問(wèn)題，基于振動(dòng)在采煤機(jī)工作時(shí)普遍存在的特點(diǎn)，借助振動(dòng)能量收集技術(shù)和無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)礦用無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)以及硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)相關(guān)研究，為后續(xù)相關(guān)研究提供參考。

1 振動(dòng)能量供電的礦用無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)總體設(shè)計(jì)

1.1 工作原理及功能

以采煤機(jī)應(yīng)用為例，根據(jù)井下實(shí)際工作環(huán)境以及機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)狀況自主研制了振動(dòng)能量供電的礦用無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，將無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)布置于采煤機(jī)上，通過(guò)采煤機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，振動(dòng)能量以電能的方式儲(chǔ)存在單元中為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)供電，軟件以及硬件通過(guò)傳感器采集信號(hào)、發(fā)送以及處理顯示，達(dá)到實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)振動(dòng)狀態(tài)的檢測(cè)。通過(guò)大量的實(shí)踐以及試驗(yàn)證明，振動(dòng)能量供電的礦用無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)具備以下功能：①無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的核心是芯片，為了適應(yīng)礦區(qū)實(shí)際惡劣的工作環(huán)境，芯片性能應(yīng)足夠好，振動(dòng)能量的供電的礦用無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的芯片應(yīng)該以CC2530為主，采煤機(jī)振動(dòng)信號(hào)通過(guò)壓電式加速度傳感器采集，傳感器采集的信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)器處理，主芯片上的8051MCU將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)傳動(dòng)至協(xié)調(diào)器，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)器處理，最后顯示；②在信號(hào)采集的過(guò)程中，涉及到能量的轉(zhuǎn)化以及存儲(chǔ)，這一功能的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于壓電俘能器，壓電俘能器將信號(hào)進(jìn)行采集以及轉(zhuǎn)化，最后以電能的形式存儲(chǔ)在單元格中，以供無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的供電；③在實(shí)際采煤機(jī)工作中，因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境以及設(shè)備本身的差異等，使得其具有極大的隨機(jī)性，又因?yàn)閴弘姺芷鞴ぷ黝l率有限，因此節(jié)點(diǎn)在采集處理信號(hào)時(shí)，應(yīng)該適當(dāng)?shù)慕档托盘?hào)采集頻率，以便后期數(shù)據(jù)傳送以及處理，適當(dāng)增加睡眠時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的節(jié)能優(yōu)化；④出于采煤的安全性，無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)必須安裝防爆裝置，以便節(jié)點(diǎn)通信以及電路的安全性，礦井應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)制定合理的節(jié)點(diǎn)封裝工藝，最大化實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)在煤礦開(kāi)采中的應(yīng)用價(jià)值。

1.2 無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)組成

礦用振動(dòng)能量供電的無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)由仿真接口、硬件平臺(tái)以及軟件平臺(tái)三部分組成，不同部分之間通過(guò)數(shù)據(jù)通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送以及處理。硬件平臺(tái)主要有無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)傳感器、加速度傳感器以及壓電俘能器等模塊組成；軟件平臺(tái)主要有監(jiān)測(cè)顯示界面和串口助手平臺(tái)。

在采煤機(jī)工作時(shí)，安裝在采煤機(jī)上的無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)將采煤機(jī)的振動(dòng)信號(hào)通過(guò)內(nèi)部壓電俘能器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并以電能的方式存儲(chǔ)，收集的電能經(jīng)過(guò)能量收集電路整流、穩(wěn)壓之后存儲(chǔ)于各個(gè)單元中，最后經(jīng)過(guò)DC-DC穩(wěn)壓電源電路實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)能量供電的無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的供電。而對(duì)采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的功能則是將振動(dòng)傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)采集處理等手段，通過(guò)調(diào)理電路的電路調(diào)理功能經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，后經(jīng) ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感模塊將轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)發(fā)送到節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器；節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)振動(dòng)狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的功能。圖1為振動(dòng)能量供電的礦用無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的示意簡(jiǎn)圖。

圖1 振動(dòng)能量供電的礦用無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的示意圖

2 無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

振動(dòng)能量供電的礦用無(wú)線(xiàn)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)，硬件部分包含有傳感器模塊的設(shè)計(jì)、無(wú)線(xiàn)通信模塊的設(shè)計(jì)和能量管理電路的設(shè)計(jì)。本文以傳感器模塊的設(shè)計(jì)為主，其作為無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的重要組成，傳感器的選擇設(shè)計(jì)對(duì)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性以及檢測(cè)精度有著重要影響。傳感器的選擇應(yīng)遵循以下特征：①考慮礦用采煤機(jī)振動(dòng)頻率以及幅度大等原因，傳感器應(yīng)選擇振動(dòng)傳感器，而壓電式傳感器因其動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍大以及可靠性高等原因更適合復(fù)雜環(huán)境的檢測(cè)；②傳感器線(xiàn)性范圍應(yīng)盡可能的大，線(xiàn)性范圍越大，檢測(cè)精度越高，因此在實(shí)際傳感器的選擇時(shí)，應(yīng)該滿(mǎn)足振動(dòng)加速度幅值在-20～20 g 范圍之內(nèi)；③采煤機(jī)在工作狀態(tài)下振動(dòng)加速度幅值范圍為-20～20 g，而A/D轉(zhuǎn)換的電壓為2.5 V，傳感器的靈敏度精度應(yīng)該滿(mǎn)足采煤機(jī)的工作狀態(tài)；④對(duì)于礦用無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)而言，其能量俘獲裝置中壓電材料阻抗較高，且外界振動(dòng)環(huán)境復(fù)雜多變，振動(dòng)能量收集裝置俘獲的能量有限，為了延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)能單元工作壽命，需要傳感器具有較低的功耗。

壓電加速度傳感器是一個(gè)弱阻尼的器件，因此在其幅頻特性的較高頻率段會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很高的共振峰，此峰值會(huì)在傳感器信號(hào)中引起高頻噪聲，會(huì)使輸入信號(hào)發(fā)生失真并產(chǎn)生一定程度的干擾。而對(duì)于振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷而言，采煤機(jī)搖臂中各部件故障頻率在 0～1 000 Hz范圍內(nèi)[4]，在低頻范圍內(nèi)，為了消除頻率較高的噪音，需在放大器中采用低通濾波器。因?yàn)榈V用振動(dòng)能量的無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)頻率不高，選擇用二階 RC 有源濾波器，其原理示意圖如圖2所示，二階 RC 有源濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于調(diào)節(jié)。

圖2 低通濾波電路示意圖

通過(guò)上述電路原件參數(shù)值得到二階低通濾波電路的頻率特性為：

其中，放大倍數(shù)取2，因此，截止頻率fn為：

上述已經(jīng)說(shuō)明振動(dòng)傳感器的振動(dòng)頻率為0～1 000 Hz，二階有源低通濾波電路可消除高頻振動(dòng)對(duì)于傳感器數(shù)據(jù)采集造成的干擾。

根據(jù)電壓傳感器的工作原理，傳感器通過(guò)壓電材料進(jìn)行工作，輸出的電荷最終轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并進(jìn)行放大，最后才可以進(jìn)行信號(hào)的采集和處理。電荷放大電路如圖3所示，由運(yùn)算放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成，電荷放大電路集成在CA-YD-168TE 傳感器中。

圖3 傳感器電荷放大電路

通過(guò)以上無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，對(duì)其進(jìn)行能量俘獲效率試驗(yàn)，得到無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)外部環(huán)境振動(dòng)監(jiān)測(cè)，壓電俘能器的能量俘獲效率有明顯的提升，可有效滿(mǎn)足煤礦井下采掘設(shè)備無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)的要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

振動(dòng)能量供電的礦用無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)是采煤機(jī)等礦用機(jī)械設(shè)備檢測(cè)的重要基礎(chǔ),針對(duì)煤礦井下傳統(tǒng)有線(xiàn)監(jiān)測(cè)布線(xiàn)難、能量供給難等問(wèn)題，研制了振動(dòng)能量供電的礦用無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，并對(duì)硬件設(shè)計(jì)思路和功能做了詳細(xì)的分析，理論上實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)抗干擾，高精度監(jiān)測(cè)的目的，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，得到在采掘機(jī)械設(shè)備的激勵(lì)下，壓電俘能器能有效延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)能單元更換周期，同時(shí)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，且運(yùn)行效果良好。