振動能量的礦用無線監測節點總體設計及性能測試

王九懷， 宋江濤， 郭慶豐， 段洋洋， 靳毅軍， 王學敏

（1.山西中陽華潤聯盛南山煤業有限公司， 山西 呂梁 033000； 2.潞安集團慈林山煤業有限公司慈林山煤礦， 山西 長治 046000）

引言

隨著井下監測網絡的發展，節點供電成為無線傳感器網絡應用的主要問題。對于無線傳感器網絡的研究，李雄飛等論述了系統的工作原理和構成，介紹了硬件平臺的構成以及硬件平臺核心部件設計的一些關鍵問題，并提出設計構想[1]；張文棟等根據信號采集時煤機設備是否需要停機以及故障診斷的時效性，總結了機械故障診斷的方法及其特點，分析了不同類型無線網絡傳輸技術、不同種類微能源技術的特點及其在煤礦中應用的可行性[2]；王飛、杜巖等針對煤礦井下礦用無線傳感器的電池使用壽命有限、更換困難的問題，提出了一種基于能量自給的煤礦無線監測網絡的設計方案，該網絡組網絡靈活、安裝快捷、維護方便，對煤礦安全監測網絡及系統的應用起到重要作用[3-4]。

本文在已有研究的基礎上，提出了振動能量的礦用無線監測節點設計方案并進行了性能測試，供后續研究參考。

1 振動能量的礦用無線監測節點的總體設計

目前，有線監測煤礦機械設備因為其復雜的電線通道和防爆裝置逐漸被淘汰，為此，無線監測節點逐漸取代已有的有線監測節點，無線監測節點需布置大量的傳感器節點，而監測能量的供應是目前的瓶頸。為此提出振動能量的礦用無線監測節點方法，實現對煤礦機械設備監測的同時，將機械振動產生的能量用以監測節點的控制，減少了有線電路的鋪設同時實現了高進度的檢測目的。

本文以采煤機為研究對象，充分結合井下工作環境，借助無線傳感技術、信號處理技術以及壓電俘能技術，提出振動能量的礦用無線監測節點的設計方案，為此方面的研究奠定基礎。

振動能量的礦用無線監測節點的設計包括壓電俘能器性能分析與優化、無線監測節點硬件設計、無線監測節點無線監測節點軟件設計和無線監測節點封裝及性能測試四部分。

壓電俘能器是無線監測節點能量的主要來源，其工作原理是通過壓電材料的正壓電效應檢測機身的振動，同時將振動信號轉化為電能的形式儲存，壓電俘能器有改進全方向擊打式自俘能裝置、全方向擊打式自俘能裝置、新型組合懸臂梁式雙穩態壓電振動能量收集裝置和多場耦合振動能量收集裝置四種。在壓電俘能器的選擇上應該考慮其結構優化，根據采煤機不同部位的振動頻率的不同，調節壓電俘能單元尺寸和磁鐵的距離以適應機身的諧振頻率，高匹配的振動頻率可以有效提高壓電俘能器俘能效率。

無線監測節點的硬件設計包含有無線傳感器、監測節點電路以及振動傳感器三部分。無線傳感器的選擇應該結合井下工作環境和通信性能節點選擇，選用CC2530 片上8051 作為控制核心，實現整個節點信息的采集、傳送、處理以及存儲等功能；監測節點電路可以實現單元節點的儲電、傳感器線路的穩流以及持續供電；振動傳感器是采煤機工作狀態的直接監測點，其主要監測采煤機截割部和牽引部以及齒輪的運動狀態，在振動傳感器的選擇上，應該充分從機械設備的功率、靈敏度、動態響應以及頻率響應考慮采煤機搖臂的轉動和振動頻率。。

無線監測節點軟件包括無線通信、顯示以及技能優化三部分。無線傳感可以實現數據的轉化、發送以及存儲等功能，適當延長節點儲能單元的周期可以實現節能的目的，顯示則是通過監測界面實現，在Microsoft Visual Studio 軟件平臺中實現。

振動能量供電的無線監測節點的封裝需根據采煤機的結構特點以及工作環境，因為壓電俘能器是整個系統的能量供應來源且工作空間最大，因此節點部件的設計應該以壓電俘能器為基礎。監測節點的性能測試需在測試平臺上，測試監測節點的能量俘獲效率以及能量傳送狀況。

2 無線監測節點封裝及性能測試

振動能量的礦用無線監測節點性能的優劣需在檢測平臺測試后才能整體評價節點的好壞，在對無線監測節點的總體設計方案上，根據實際礦井工作環境，實現對節點俘能效率、傳輸距離和整體性能的測試。

節點的設計以壓電俘能器為基礎，并裝有一定的防爆裝置。節點的材料對性能有重要影響，壓電俘能器作為重要設計依據，選擇6063-t5 鋁合金為材料，該材料可以有效消除支架材料磁場的影響，且強度高。壓電俘能器組合梁材料為鈹青銅，壓電材料為壓電薄膜PVDF。

因為井下特殊的工作環境，無線監測節點在封裝時應考慮以下因素：

1）出于安全采煤的考慮，無線節點的控制儀表以及儀器都需要采用防爆型；

2）因為采煤機在工作過程中機身以及搖臂產生較大幅度的振動，將節點天線封裝在防爆殼內可有效地降低節點的損失，提高節點的穩定性，防爆殼對信號有一定的屏蔽作用，因此在設計過程中應該考慮防爆殼對節點信號的屏蔽作用。

振動能量供電的無線監測節點封裝模型圖如圖1 所示，此封裝模型充分考慮了無線監測節點元件尺寸，傳感器的安裝方式以及安全性能，最終完成振動能量供電的礦用無線監測節點的模型封裝工作。

圖1 振動能量供電的無線監測節點封裝模型圖

以采煤機為例，采集采煤機的振動數據，將振動數據導入到億恒振動控制器，模擬采煤機真實的工作環境，采煤機采掘激勵振動數據如圖2 所示，從圖中可以看出，振動能量收集俘能時間為10 s，充電電池的電流呈現先減小后穩定的趨勢，電池充電量為35 nAh，計算得到平均充電電流為12.7 μA。

圖2 采煤機采掘激勵振動數據

對于壓電俘能器的測試，其節點功耗測試就顯得尤為重要。測試過程中，將節點工作過程按休眠、數據采集和無線傳輸三個階段表示節點完整工作過程，通過程序中設置斷點判斷程序分別進入三個工作階段，同時通過示波器測試晶振是否間歇性工作，確保程序的正確性。不同階段內節點的電流有差異，因此電阻也有差別，10 kΩ、1 kΩ 和100 Ω 分別為休眠、數據采集以及無線傳送三個階段的電阻，在7.4 V 穩定電流的供電狀況下，對整個節點進行能耗測試計算，測試結果如表1 所示。

表1 節點整個工作過程能耗測試

根據表中數據，可得到節點在工作過程中的平均電流的計算公式為：

式中：t1、t2、t3分別為休眠狀態、數據采集狀態以及無線傳輸狀態下的工作時間；T為節點整個工作時間周 期，600+4+1.5=605.5 s；A1、A2、A3分 別 為 休 眠 狀態、數據采集狀態以及無線傳輸狀態下的工作電流。代入表1 所列數據計算得A=34.932×10-3mA。

俘能效率η 為：

式中：ω1為壓電俘能器單位時間內俘獲的能量；ω2為無線監測節點單位時間內消耗的能量；T1為壓電俘能器充電時間，為0.267×103h；T2為壓電俘能器續航時間，為7.117×103h。代入數據計算得η=26.66%。

3 結論

從礦井采煤機的實際工作狀況出發，從硬件、軟件、壓電俘能器以及無線監測節點出發設計了振動能量供電的礦用無線監測節點總體方案，并對無線監測節點進行了封裝以及性能測試，得到電俘能器單位時間內能量俘獲效率為26.66%，延長了節點的更換周期，實現了外部監測高精度、實時性的目的。