振動(dòng)能量的礦用無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)總體設(shè)計(jì)及性能測(cè)試

王九懷， 宋江濤， 郭慶豐， 段洋洋， 靳毅軍， 王學(xué)敏

（1.山西中陽(yáng)華潤(rùn)聯(lián)盛南山煤業(yè)有限公司， 山西 呂梁 033000； 2.潞安集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司慈林山煤礦， 山西 長(zhǎng)治 046000）

引言

隨著井下監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，節(jié)點(diǎn)供電成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的主要問(wèn)題。對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，李雄飛等論述了系統(tǒng)的工作原理和構(gòu)成，介紹了硬件平臺(tái)的構(gòu)成以及硬件平臺(tái)核心部件設(shè)計(jì)的一些關(guān)鍵問(wèn)題，并提出設(shè)計(jì)構(gòu)想[1]；張文棟等根據(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)，分析了不同類(lèi)型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、不同種類(lèi)微能源技術(shù)的特點(diǎn)及其在煤礦中應(yīng)用的可行性[2]；王飛、杜巖等針對(duì)煤礦井下礦用無(wú)線傳感器的電池使用壽命有限、更換困難的問(wèn)題，提出了一種基于能量自給的煤礦無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案，該網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)絡(luò)靈活、安裝快捷、維護(hù)方便，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[3-4]。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，提出了振動(dòng)能量的礦用無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行了性能測(cè)試，供后續(xù)研究參考。

1 振動(dòng)能量的礦用無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的總體設(shè)計(jì)

目前，有線監(jiān)測(cè)煤礦機(jī)械設(shè)備因?yàn)槠鋸?fù)雜的電線通道和防爆裝置逐漸被淘汰，為此，無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)逐漸取代已有的有線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)需布置大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，而監(jiān)測(cè)能量的供應(yīng)是目前的瓶頸。為此提出振動(dòng)能量的礦用無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦機(jī)械設(shè)備監(jiān)測(cè)的同時(shí)，將機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的能量用以監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的控制，減少了有線電路的鋪設(shè)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高進(jìn)度的檢測(cè)目的。

本文以采煤機(jī)為研究對(duì)象，充分結(jié)合井下工作環(huán)境，借助無(wú)線傳感技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)以及壓電俘能技術(shù)，提出振動(dòng)能量的礦用無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案，為此方面的研究奠定基礎(chǔ)。

振動(dòng)能量的礦用無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)包括壓電俘能器性能分析與優(yōu)化、無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)、無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)封裝及性能測(cè)試四部分。

壓電俘能器是無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)能量的主要來(lái)源，其工作原理是通過(guò)壓電材料的正壓電效應(yīng)檢測(cè)機(jī)身的振動(dòng)，同時(shí)將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電能的形式儲(chǔ)存，壓電俘能器有改進(jìn)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(wěn)態(tài)壓電振動(dòng)能量收集裝置和多場(chǎng)耦合振動(dòng)能量收集裝置四種。在壓電俘能器的選擇上應(yīng)該考慮其結(jié)構(gòu)優(yōu)化，根據(jù)采煤機(jī)不同部位的振動(dòng)頻率的不同，調(diào)節(jié)壓電俘能單元尺寸和磁鐵的距離以適應(yīng)機(jī)身的諧振頻率，高匹配的振動(dòng)頻率可以有效提高壓電俘能器俘能效率。

無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)包含有無(wú)線傳感器、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電路以及振動(dòng)傳感器三部分。無(wú)線傳感器的選擇應(yīng)該結(jié)合井下工作環(huán)境和通信性能節(jié)點(diǎn)選擇，選用CC2530 片上8051 作為控制核心，實(shí)現(xiàn)整個(gè)節(jié)點(diǎn)信息的采集、傳送、處理以及存儲(chǔ)等功能；監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電路可以實(shí)現(xiàn)單元節(jié)點(diǎn)的儲(chǔ)電、傳感器線路的穩(wěn)流以及持續(xù)供電；振動(dòng)傳感器是采煤機(jī)工作狀態(tài)的直接監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其主要監(jiān)測(cè)采煤機(jī)截割部和牽引部以及齒輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在振動(dòng)傳感器的選擇上，應(yīng)該充分從機(jī)械設(shè)備的功率、靈敏度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及頻率響應(yīng)考慮采煤機(jī)搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)頻率。。

無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件包括無(wú)線通信、顯示以及技能優(yōu)化三部分。無(wú)線傳感可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化、發(fā)送以及存儲(chǔ)等功能，適當(dāng)延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)能單元的周期可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，顯示則是通過(guò)監(jiān)測(cè)界面實(shí)現(xiàn)，在Microsoft Visual Studio 軟件平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)。

振動(dòng)能量供電的無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的封裝需根據(jù)采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及工作環(huán)境，因?yàn)閴弘姺芷魇钦麄€(gè)系統(tǒng)的能量供應(yīng)來(lái)源且工作空間最大，因此節(jié)點(diǎn)部件的設(shè)計(jì)應(yīng)該以壓電俘能器為基礎(chǔ)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的性能測(cè)試需在測(cè)試平臺(tái)上，測(cè)試監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的能量俘獲效率以及能量傳送狀況。

2 無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)封裝及性能測(cè)試

振動(dòng)能量的礦用無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)性能的優(yōu)劣需在檢測(cè)平臺(tái)測(cè)試后才能整體評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)的好壞，在對(duì)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的總體設(shè)計(jì)方案上，根據(jù)實(shí)際礦井工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)俘能效率、傳輸距離和整體性能的測(cè)試。

節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)以壓電俘能器為基礎(chǔ)，并裝有一定的防爆裝置。節(jié)點(diǎn)的材料對(duì)性能有重要影響，壓電俘能器作為重要設(shè)計(jì)依據(jù)，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(chǎng)的影響，且強(qiáng)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?yàn)榫绿厥獾墓ぷ鳝h(huán)境，無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)在封裝時(shí)應(yīng)考慮以下因素：

1）出于安全采煤的考慮，無(wú)線節(jié)點(diǎn)的控制儀表以及儀器都需要采用防爆型；

2）因?yàn)椴擅簷C(jī)在工作過(guò)程中機(jī)身以及搖臂產(chǎn)生較大幅度的振動(dòng)，將節(jié)點(diǎn)天線封裝在防爆殼內(nèi)可有效地降低節(jié)點(diǎn)的損失，提高節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性，防爆殼對(duì)信號(hào)有一定的屏蔽作用，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該考慮防爆殼對(duì)節(jié)點(diǎn)信號(hào)的屏蔽作用。

振動(dòng)能量供電的無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)封裝模型圖如圖1 所示，此封裝模型充分考慮了無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)元件尺寸，傳感器的安裝方式以及安全性能，最終完成振動(dòng)能量供電的礦用無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的模型封裝工作。

圖1 振動(dòng)能量供電的無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)封裝模型圖

以采煤機(jī)為例，采集采煤機(jī)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，將振動(dòng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到億恒振動(dòng)控制器，模擬采煤機(jī)真實(shí)的工作環(huán)境，采煤機(jī)采掘激勵(lì)振動(dòng)數(shù)據(jù)如圖2 所示，從圖中可以看出，振動(dòng)能量收集俘能時(shí)間為10 s，充電電池的電流呈現(xiàn)先減小后穩(wěn)定的趨勢(shì)，電池充電量為35 nAh，計(jì)算得到平均充電電流為12.7 μA。

圖2 采煤機(jī)采掘激勵(lì)振動(dòng)數(shù)據(jù)

對(duì)于壓電俘能器的測(cè)試，其節(jié)點(diǎn)功耗測(cè)試就顯得尤為重要。測(cè)試過(guò)程中，將節(jié)點(diǎn)工作過(guò)程按休眠、數(shù)據(jù)采集和無(wú)線傳輸三個(gè)階段表示節(jié)點(diǎn)完整工作過(guò)程，通過(guò)程序中設(shè)置斷點(diǎn)判斷程序分別進(jìn)入三個(gè)工作階段，同時(shí)通過(guò)示波器測(cè)試晶振是否間歇性工作，確保程序的正確性。不同階段內(nèi)節(jié)點(diǎn)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(shù)據(jù)采集以及無(wú)線傳送三個(gè)階段的電阻，在7.4 V 穩(wěn)定電流的供電狀況下，對(duì)整個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能耗測(cè)試計(jì)算，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 節(jié)點(diǎn)整個(gè)工作過(guò)程能耗測(cè)試

根據(jù)表中數(shù)據(jù)，可得到節(jié)點(diǎn)在工作過(guò)程中的平均電流的計(jì)算公式為：

式中：t1、t2、t3分別為休眠狀態(tài)、數(shù)據(jù)采集狀態(tài)以及無(wú)線傳輸狀態(tài)下的工作時(shí)間；T為節(jié)點(diǎn)整個(gè)工作時(shí)間周 期，600+4+1.5=605.5 s；A1、A2、A3分 別 為 休 眠 狀態(tài)、數(shù)據(jù)采集狀態(tài)以及無(wú)線傳輸狀態(tài)下的工作電流。代入表1 所列數(shù)據(jù)計(jì)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(shí)間內(nèi)俘獲的能量；ω2為無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)消耗的能量；T1為壓電俘能器充電時(shí)間，為0.267×103h；T2為壓電俘能器續(xù)航時(shí)間，為7.117×103h。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得η=26.66%。

3 結(jié)論

從礦井采煤機(jī)的實(shí)際工作狀況出發(fā)，從硬件、軟件、壓電俘能器以及無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)出發(fā)設(shè)計(jì)了振動(dòng)能量供電的礦用無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)總體方案，并對(duì)無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了封裝以及性能測(cè)試，得到電俘能器單位時(shí)間內(nèi)能量俘獲效率為26.66%，延長(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)的更換周期，實(shí)現(xiàn)了外部監(jiān)測(cè)高精度、實(shí)時(shí)性的目的。