基于壓電效應的礦洞內自供電無線通信和環境監測裝置研究

黃宇捷 王猛

摘 要：在礦洞內作業時，與外界的聯系是必不可少的，但礦洞內環境復雜，布線極為不易。同時礦洞內環境惡劣，如果能夠對井下環境實時監測，必然會大大減少事故發生率。本文設計出一種基于壓電能量收集技術的井下無線通信和環境監測設備，無需布線就可使用，有效的提高了井下作業的便利性和安全性。

關鍵詞：壓電能量收集;井下通信;環境監測

1 前言

現階段，礦洞內的通信和環境監測設備大多都是通過電池供電的，但是電池供電的缺點就是需要不定期的更換電池，在造成資源浪費和環境污染的同時，如果因為疏忽而沒有定期更換電池，那么不僅會導致礦洞內的通信中斷，還會失去對井下環境的實時監測。目前只有少數的礦洞可以采取有線電源的方式供電，但是井下環境復雜，布線成本極高。本裝置利用壓電能量收集技術把礦洞內的風能捕獲，轉化為電能存儲起來，用于通信和環境監測設備的供電，無需往復更換電池且無需布線，相對于傳統的供電方式來說，本裝置有很大的應用前景。

2 主體結構設計

本文設計的一種基于壓電能量收集技術的礦洞內自供電無線通信和環境監測裝置主要由壓電俘能模塊，無線AP模塊和環境監測模塊組成，壓電俘能模塊將收集的風能轉化為電能供給后兩個模塊使用，裝置的主要結構如圖1所示。

圖1中，殼體采用圓柱筒形結構，主軸兩端通過軸承與殼體軸向端蓋相連， 主軸與殼體的中軸線相重合，主軸一端延伸至殼體外部，風輪固裝在位于殼體外部的主軸端部;凸輪固裝在位于殼體內部的主軸上，擠壓輪安裝在凸輪的凸點頂端;壓電瓷片固裝在殼體內表面，壓電瓷片位于凸輪的回轉面內，通過凸輪的轉動由擠壓輪對壓電瓷片進行擠壓發電;儲能器安裝在風輪對側的殼體軸向端蓋外部，壓電瓷片受擠壓所產生的電能由儲能器進行存儲;無線通信模塊和環境監測模塊均安裝在儲能器上，無線AP和環境監測模塊均由儲能器進行供電。

其中凸輪數量若干，若干凸輪在主軸上均勻布置，若干凸輪的相位角各不相同，每個凸輪對應的殼體內表面上均安裝有若干個壓電瓷片。若干壓電瓷片沿殼體圓周方向均勻布置，這樣就最大程度上保證的電能的收集效率。

3 工作原理介紹

3.1壓電俘能模塊

自然界中的機械振動有三種能量轉化方式，包括電磁式、壓電式和靜電式[2]。其中壓電式能量收集裝置具有能量利用率高、結構緊湊、成本低、制作簡單等優點，為戶外通信設備和基于物聯網技術的傳感器監測裝置的能量來源提供了可靠的解決方案。

本裝置中的壓電俘能模塊，利用裝置前端的風輪捕獲風能并轉化為機械能帶動主軸轉動，進一步帶動凸輪上的擠壓輪不斷擠壓壓電磁片。根據壓電效應，當壓電磁片受到壓力而變形時，其內部會產生極化現象，兩個相對表面就會產生相反的電荷，將此電荷收集起來存儲在儲能器里，便實現了能量俘獲的功能。

3.2無線通信系統

井下作業具有一定的危險性，建立實時性強、穩定的井下通信系統顯得尤為重要。WiFi因其覆蓋范圍廣、傳輸速度快、布網成本低、支持脫網通信等特點，非常適合用于井下的無線通信。WiFi的工作頻段一般在2.4GHz以及5GHz，目前常見的無線網絡標準以IEEE 802.11系列為主，其中802.11n網絡標準最大凈傳輸速度達到600Mbit/s 。使用多核心、多頻段的WiFi既可以做信號覆蓋，又可以用于遠距離傳輸，增加WiFi的AP數量還可以滿足大量用戶的接入。

無線通信系統由地面控制臺和井下通信網絡組成，整體架構為TCP/IP，系統使用WiFi網絡進行數據傳輸，無線網橋用于連接井下各個無線AP實現井下無線網絡的信息傳遞，多個無線AP起到擴大WiFi覆蓋范圍和增加用戶連接數的作用，實現井下與地面的信息交流。無線通信網絡主要由無線AP、無線網橋、交換機、語音網關等組成，如下系統框圖2所示。

地面控制臺通過操作以太網交換機，分配IP給移動設備，運用語音網關將PSTN（公用電話交換網）與IP網絡連接起來。利用VoIP（基于IP的語音傳輸）將語音進行算法的壓縮，語音數據按TCP/IP 標準進行打包，IP 網絡把數據包送至接收地，數據在移動終端重新組裝[2]。信號覆蓋內的移動設備即可在礦洞內通信，只要配置AP，就可以通過互聯網相互通話，實現地面與井下的通信。

3.3環境監測系統

氣體監測：通過瓦斯探測器、CO濃度傳感器、O2濃度傳感器等各種傳感器時時監測有害氣體（瓦斯、CO、H2S、NO2、SO2、NH3、H2等）濃度及氧氣濃度，并將測得數據通過無線通信系統，上傳到地面控制臺以及井下的監測站。當某一種有害氣體的濃度超過設置的閾值時，地面控制臺和井下監測站會收報警報，井下監測站人員會第一時間處理，確保井下工作人員的生命安全。地面控制臺則通過井下的數據和參數分析，指揮工作并判斷是否需要派遣人員增援。

礦壓監測：在關鍵性的結構上安裝壓力傳感器，通過壓力傳感器檢測該處礦壓大小，無線通信系統將數據傳到地面控制臺和井下的監測站，當壓力傳感器的數據超過設定值一定數量時會報警，通知所在位置的人員撤離，防止礦洞坍塌造成不可挽回的損失。

4、結束語

本文在傳統的井下供電方式的基礎上，綜合運用機械原理的相關知識設計出一種自供電的井下通信與環境監測系統，打破了傳統供電方式的局限，對井下無線通信設備的提供了一種可行的無源供電的方案。一定程度上節約了井下作業的成本，提高了作業環境的安全性，相信在不久的將來，本裝置可以廣泛的應用于井下作業中。

參考文獻：

[1]張春強. 無線局域網組建與應用[J]. 信息與電腦（理論版）， 2014（08）： 189-190.

[2]方立杰， 劉毓. VOIP中關鍵技術的研究[J]. 科技廣場， 2010（03）： 42-45.

*基金項目：

桂林電子科技大學2020年國家級大學生創業訓練項目“一種井下無線通信與環境監測設備的研發與推廣”項目（項目編號：202010595265）。