基于壓電效應的礦洞內(nèi)自供電無線通信和環(huán)境監(jiān)測裝置研究

黃宇捷 王猛

摘 要：在礦洞內(nèi)作業(yè)時，與外界的聯(lián)系是必不可少的，但礦洞內(nèi)環(huán)境復雜，布線極為不易。同時礦洞內(nèi)環(huán)境惡劣，如果能夠?qū)颅h(huán)境實時監(jiān)測，必然會大大減少事故發(fā)生率。本文設計出一種基于壓電能量收集技術(shù)的井下無線通信和環(huán)境監(jiān)測設備，無需布線就可使用，有效的提高了井下作業(yè)的便利性和安全性。

關(guān)鍵詞：壓電能量收集;井下通信;環(huán)境監(jiān)測

1 前言

現(xiàn)階段，礦洞內(nèi)的通信和環(huán)境監(jiān)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(huán)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(nèi)的通信中斷，還會失去對井下環(huán)境的實時監(jiān)測。目前只有少數(shù)的礦洞可以采取有線電源的方式供電，但是井下環(huán)境復雜，布線成本極高。本裝置利用壓電能量收集技術(shù)把礦洞內(nèi)的風能捕獲，轉(zhuǎn)化為電能存儲起來，用于通信和環(huán)境監(jiān)測設備的供電，無需往復更換電池且無需布線，相對于傳統(tǒng)的供電方式來說，本裝置有很大的應用前景。

2 主體結(jié)構(gòu)設計

本文設計的一種基于壓電能量收集技術(shù)的礦洞內(nèi)自供電無線通信和環(huán)境監(jiān)測裝置主要由壓電俘能模塊，無線AP模塊和環(huán)境監(jiān)測模塊組成，壓電俘能模塊將收集的風能轉(zhuǎn)化為電能供給后兩個模塊使用，裝置的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，殼體采用圓柱筒形結(jié)構(gòu)，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(nèi)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(nèi)表面，壓電瓷片位于凸輪的回轉(zhuǎn)面內(nèi)，通過凸輪的轉(zhuǎn)動由擠壓輪對壓電瓷片進行擠壓發(fā)電;儲能器安裝在風輪對側(cè)的殼體軸向端蓋外部，壓電瓷片受擠壓所產(chǎn)生的電能由儲能器進行存儲;無線通信模塊和環(huán)境監(jiān)測模塊均安裝在儲能器上，無線AP和環(huán)境監(jiān)測模塊均由儲能器進行供電。

其中凸輪數(shù)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(nèi)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)緊湊、成本低、制作簡單等優(yōu)點，為戶外通信設備和基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的傳感器監(jiān)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(zhuǎn)化為機械能帶動主軸轉(zhuǎn)動，進一步帶動凸輪上的擠壓輪不斷擠壓壓電磁片。根據(jù)壓電效應，當壓電磁片受到壓力而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，兩個相對表面就會產(chǎn)生相反的電荷，將此電荷收集起來存儲在儲能器里，便實現(xiàn)了能量俘獲的功能。

3.2無線通信系統(tǒng)

井下作業(yè)具有一定的危險性，建立實時性強、穩(wěn)定的井下通信系統(tǒng)顯得尤為重要。WiFi因其覆蓋范圍廣、傳輸速度快、布網(wǎng)成本低、支持脫網(wǎng)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(wǎng)絡標準以IEEE 802.11系列為主，其中802.11n網(wǎng)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(shù)量還可以滿足大量用戶的接入。

無線通信系統(tǒng)由地面控制臺和井下通信網(wǎng)絡組成，整體架構(gòu)為TCP/IP，系統(tǒng)使用WiFi網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，無線網(wǎng)橋用于連接井下各個無線AP實現(xiàn)井下無線網(wǎng)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(shù)的作用，實現(xiàn)井下與地面的信息交流。無線通信網(wǎng)絡主要由無線AP、無線網(wǎng)橋、交換機、語音網(wǎng)關(guān)等組成，如下系統(tǒng)框圖2所示。

地面控制臺通過操作以太網(wǎng)交換機，分配IP給移動設備，運用語音網(wǎng)關(guān)將PSTN（公用電話交換網(wǎng)）與IP網(wǎng)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(shù)據(jù)按TCP/IP 標準進行打包，IP 網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)包送至接收地，數(shù)據(jù)在移動終端重新組裝[2]。信號覆蓋內(nèi)的移動設備即可在礦洞內(nèi)通信，只要配置AP，就可以通過互聯(lián)網(wǎng)相互通話，實現(xiàn)地面與井下的通信。

3.3環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

氣體監(jiān)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(jiān)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(shù)據(jù)通過無線通信系統(tǒng)，上傳到地面控制臺以及井下的監(jiān)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(jiān)測站會收報警報，井下監(jiān)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(shù)據(jù)和參數(shù)分析，指揮工作并判斷是否需要派遣人員增援。

礦壓監(jiān)測：在關(guān)鍵性的結(jié)構(gòu)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(tǒng)將數(shù)據(jù)傳到地面控制臺和井下的監(jiān)測站，當壓力傳感器的數(shù)據(jù)超過設定值一定數(shù)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(jié)束語

本文在傳統(tǒng)的井下供電方式的基礎(chǔ)上，綜合運用機械原理的相關(guān)知識設計出一種自供電的井下通信與環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，打破了傳統(tǒng)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(jié)約了井下作業(yè)的成本，提高了作業(yè)環(huán)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(yè)中。

參考文獻：

[1]張春強. 無線局域網(wǎng)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(guān)鍵技術(shù)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(chuàng)業(yè)訓練項目“一種井下無線通信與環(huán)境監(jiān)測設備的研發(fā)與推廣”項目（項目編號：202010595265）。