燕　樂，陳東紅，孔齡婕，張　鵬，王二偉，丑修建*

新型MEMS壓電微能源驅(qū)動的乳化液泵站ZigBee振動監(jiān)測系統(tǒng)研究

燕樂1，2，陳東紅1，2，孔齡婕1，2，張鵬1，2，王二偉1，2，丑修建1，2*

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051；2.電子測試技術(shù)重點實驗室，太原030051）

為確保礦用乳化液泵站安全運行，提出一種基于新型MEMS壓電能量收集器的振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。器件為8懸臂梁-中心質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，利用MEMS加工工藝制造，總體尺寸為7 000 μm×7 000 μm×400 μm；能源管理模塊以LTC3331為核心設(shè)計，可穩(wěn)定輸出3.3 V直流電壓；無線傳感網(wǎng)絡(luò)基于ZigBee技術(shù)構(gòu)建，終端節(jié)點的振動加速度采樣率控制在10 Hz。經(jīng)振動臺系統(tǒng)測試表明，微能源陣列輸出電壓最大可達(dá)1.47 V，系統(tǒng)供電穩(wěn)定性較好；在30 m內(nèi)節(jié)點具有良好的傳輸可靠性和實時性。

MEMS；監(jiān)測系統(tǒng)；振動臺系統(tǒng)測試；乳化液泵站；ZigBee

綜合機(jī)械化采煤工藝是實現(xiàn)礦山高效生產(chǎn)的重要方式，乳化液泵站為綜采工作面支護(hù)設(shè)備提供液壓動力源，是實現(xiàn)采煤工作面高產(chǎn)高效的關(guān)鍵設(shè)備。然而，泵體長時間運行時伴隨強(qiáng)烈振動，可能導(dǎo)致內(nèi)部機(jī)械部件受損［1-2］。因此，有必要設(shè)計出一種對乳化液泵振動狀態(tài)在線監(jiān)測的系統(tǒng)，以便及時發(fā)現(xiàn)故障，避免安全隱患。本文提出了一種利用ZigBee技術(shù)構(gòu)建的振動信號監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確采集，穩(wěn)定通信，實時監(jiān)控功能。創(chuàng)新性地引入了一種新型無源式設(shè)計：采用新型MEMS壓電振動微能源與單懸臂梁結(jié)構(gòu)振動能量收集器復(fù)合，通過拾取乳化液泵的振動機(jī)械能為傳感節(jié)點提供電能。該設(shè)計可以解決節(jié)點電池續(xù)航問題，降低維護(hù)人員工作量。

1　系統(tǒng)總體框架設(shè)計

考慮到采煤工作面環(huán)境較為復(fù)雜、射頻信號傳輸能力較為有限等原因，選擇網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建Zig-Bee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)包含3種邏輯節(jié)點：終端傳感器節(jié)點、路由器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點［3］。終端傳感器節(jié)點固定在乳化液泵體，由主控單元MSP430F5438控制采集加速度計ADXL345信號并向協(xié)調(diào)器傳遞數(shù)據(jù)；路由器節(jié)點可避開礦井障礙物安置，具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能；協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡(luò)核心，負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)供路由、終端節(jié)點加入，同時接收各節(jié)點信息，通過串口將信息實時地傳輸給監(jiān)控中心，上位機(jī)界面顯示數(shù)據(jù)波形圖。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

收稿日期：2015-07-28修改日期：2015-09-03

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　新型MEMS壓電振動微能源結(jié)構(gòu)及工作原理

本文采用的振動微能量收集單元采用MEMS加工工藝技術(shù)制造［4-5］。該微能源芯片設(shè)計為8懸臂梁-中心質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，如圖2所示。器件通過壓電材料的正壓電效應(yīng)實現(xiàn)環(huán)境振動能量向電能轉(zhuǎn)換：環(huán)境振動驅(qū)使中心質(zhì)量塊帶動8根懸臂梁一起沿著芯片平面垂直方向諧振，導(dǎo)致每根懸臂梁表面PZT壓電膜結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，薄膜內(nèi)部產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，在其上下電極表面會產(chǎn)生等量異號束縛電荷，從而產(chǎn)生電勢差。

圖2　MEMS微能源結(jié)構(gòu)示意圖

該新型MEMS壓電振動能量收集器具有低頻響應(yīng)、高能量密度輸出等特性，適用于低頻段振動的礦用乳化液泵站設(shè)備。微結(jié)構(gòu)工藝加工以硅材料作為襯底，使用Sol-Gel法［6］制備PZT壓電薄膜層，結(jié)合光刻、濕法/干法刻蝕、磁控濺射等MEMS加工工藝技術(shù)實現(xiàn)微能源芯片結(jié)構(gòu)的制造。芯片結(jié)構(gòu)尺寸非常小，易于應(yīng)用中的陣列化集成。壓電振動微能源結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

表1　MEMS微能源結(jié)構(gòu)尺寸　單位：μm

由瑞利定律（Rayleigh's Method）推導(dǎo)可得8懸臂梁-中心質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)固有頻率為：

式（1）中，l、w、h分別為懸臂梁的長度、寬度、厚度，m為中心質(zhì)量塊的質(zhì)量，d為PZT壓電厚膜層的厚度，E為彈性模量。

MEMS壓電式振動微能源的輸出功率表達(dá)式為：

式（2）中，ω為環(huán)境振動頻率，ωn為無阻尼振動時的固有頻率，ζm、ζe分別為結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻尼比和電致阻尼比。

3　終端節(jié)點硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)終端節(jié)點的硬件電路由自供電能源管理模塊、加速度數(shù)據(jù)采集處理模塊、ZigBee無線通信模塊等電路構(gòu)成［7］。終端節(jié)點電路原理圖如圖3所示。

圖3　終端節(jié)點電路原理圖

3.1自供電能源管理模塊

為增大發(fā)電單元輸出功率，自供電能源管理電路壓電輸入源由新型MEMS壓電微能源芯片與單懸臂梁結(jié)構(gòu)振動能量收集器Volture V21B復(fù)合形成壓電單元陣列。

根據(jù)終端傳感器節(jié)點的3.3 V供電需求，本文設(shè)計了基于LTC3331能源管理芯片的能源管理電路［8］。LTC3331內(nèi)部集成了降壓轉(zhuǎn)換器與降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，具有微毫級能量采集器與并聯(lián)電池充電器兩種功能。芯片可通過內(nèi)部輸入優(yōu)先級控制器對兩種能量輸入方式切換，電路模塊工作原理為：乳化液泵運行時，壓電單元陣列轉(zhuǎn)換泵體振動機(jī)械能為電能，當(dāng)累積的電壓達(dá)到欠壓閉鎖上升閾值時，降壓轉(zhuǎn)換器啟動將采集能量直接轉(zhuǎn)換為3.3 V直流電輸出，同時向鋰電池中充電；當(dāng)電壓損耗直至低于欠壓閉鎖下降閾值時，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器激活電池供電模式。

3.2加速度數(shù)據(jù)采集處理模塊

終端節(jié)點數(shù)據(jù)采集處理模塊由MCU單元和加速度計及其外圍電路構(gòu)成。MSP430F5438型單片機(jī)是一款16 bit超低功耗的MCU，具有256 kbyte閃存、16 kbyte RAM、12 bit ADC、4個USCI，片內(nèi)外設(shè)資源豐富。傳感器采用ADXL345低功耗三軸數(shù)字式加速度計，最大量程可達(dá)±16 gn，其4 mg/LSB高精度，能夠測量僅為0.25°的傾角變化。

MSP430F5438的通用串行接口（USCI）模塊利用兩線式I2C串行總線為MSP430和I2C兼容設(shè)備提供了一個互聯(lián)接口，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理模塊采用I2C通信方式。傳感器SCL、SDA引腳配置為數(shù)據(jù)信號端口、時鐘信號端口，并接上拉電阻RP1、RP2拉高至VDD I/O。通過軟件控制，單片機(jī)可定時采集振動加速度數(shù)據(jù)，并通過I2C總線傳遞至MSP430F5438數(shù)據(jù)緩存區(qū)。

3.3ZigBee無線通信模塊

ZigBee技術(shù)復(fù)雜度低、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低，適用于礦井無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。本文ZigBee無線通信模塊基于射頻收發(fā)芯片CC2520進(jìn)行設(shè)計［9-10］。CC2520工作頻段在2.4 GHz的ISM頻段，射頻性能優(yōu)秀，功耗低，具有高達(dá)250 kbit/s的無線數(shù)據(jù)傳輸速度。

單片機(jī)與CC2520利用四線式SPI方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信?？蓪崿F(xiàn)采集數(shù)據(jù)從MSP430單片機(jī)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)向CC2520數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)的傳輸。除了配置4路SPI信號端口，CC2520 I/O引腳GPIO［0-5］連接MSP430單片機(jī)P1端口相應(yīng)引腳，對GPIOCTRLn、GPIOPOLARITYn等寄存器配置可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模式TX FIFO、RX FIFO控制、幀處理控制等功能。除此之外，軟件對RESETn、VREG_EN兩路信號配置可使射頻電路進(jìn)入不同級別低功耗模式。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計

本監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計規(guī)范基于TI公司推出的ZigBee PRO/2007協(xié)議棧Z-Stack-EXP5438，該規(guī)范以分層思想為基礎(chǔ)，為MSP430F5438系列芯片提供ZigBee無線方案設(shè)計平臺［11］。本文針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器分別進(jìn)行了軟件設(shè)計。

4.1終端節(jié)點軟件設(shè)計

終端節(jié)點軟件以低功耗設(shè)計為主線，加速度計采集過程采用外部定時器中斷進(jìn)行控制，乳化液泵靜止時加速度計進(jìn)入休眠模式。終端節(jié)點程序流程如圖4所示。

圖4　終端節(jié)點程序流程圖

當(dāng)終端節(jié)點設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后，加速度計開始工作狀態(tài)檢測。如果檢測到振動，單片機(jī)內(nèi)部定時器每隔100 ms產(chǎn)生一次中斷，以10 Hz的采樣率采集振動加速度。三軸加速度數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee協(xié)議棧調(diào)用數(shù)據(jù)包處理函數(shù)后放入發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)再發(fā)送數(shù)據(jù)至協(xié)調(diào)器或路由器。如果設(shè)備振動停止，ADXL345進(jìn)入自動休眠模式，直到有振動響應(yīng)自動喚醒。

4.2協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器為申請加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)號，建立連接。若有數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器時，協(xié)調(diào)器即調(diào)用數(shù)據(jù)接收函數(shù)周期性接收傳感器數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)經(jīng)串口上傳至監(jiān)控平臺。協(xié)調(diào)器程序流程如圖5所示。

圖5　協(xié)調(diào)器程序流程圖

5　系統(tǒng)監(jiān)測中心平臺設(shè)計

本系統(tǒng)監(jiān)控中心平臺上位機(jī)程序使用Visual Basic語言編寫。通過調(diào)用串口控件，可以接收協(xié)調(diào)器節(jié)點串口上傳的傳感器數(shù)據(jù)。上位機(jī)程序為3個軸向分別設(shè)置報警加速度值，該報警值可以根據(jù)乳化液泵的具體需求而在界面中進(jìn)行配置。監(jiān)控中心上位機(jī)界面如圖6所示。

圖6　監(jiān)測中心上位機(jī)界面

6　振動臺系統(tǒng)模擬測試

搭建基于環(huán)境模擬振動臺的測試系統(tǒng)對終端傳感器節(jié)點進(jìn)行測試，振動臺測試系統(tǒng)主要由振動臺、信號發(fā)生器、功率放大器、標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器、待測終端節(jié)點、示波器等組成，如圖7所示為該振動臺測試系統(tǒng)圖。該系統(tǒng)可驗證待測節(jié)點的自供電能力、數(shù)據(jù)傳輸可靠性和實時性。

圖7　振動臺測試系統(tǒng)

本文對新型MEMS結(jié)構(gòu)發(fā)電單元開路輸出電壓進(jìn)行了掃頻測試，為模擬乳化液泵真實工作環(huán)境，為振動臺加載1 gn（1 gn=9.8 m/s2）加速度，測得在10 Hz～100 Hz掃頻過程中發(fā)電單元輸出電壓與振動頻率變化如圖8所示。

圖8　MEMS微能源輸出電壓與振動頻率關(guān)系

測試結(jié)果可得：MEMS微能源諧振頻率為41 Hz，該頻率下輸出的開路交流電壓峰峰值最大，為86.94 mV。MEMS微能源陣列（4×4）經(jīng)測試最大輸出電壓可達(dá)1.47 V。由于前期測得單懸臂梁結(jié)構(gòu)微能量收集器的在8 Hz～300 kHz的振動頻率范圍內(nèi)，微能源的開路輸出電壓范圍為0.124 V～13.204 V，所以復(fù)合壓電單元振動輸出電壓值滿足自供電能源管理模塊的輸入要求（3 V～19 V）。

利用點對點通信方式對ZigBee無線傳輸可靠性與實時性進(jìn)行振動臺模擬測試：發(fā)送節(jié)點位于振動臺上，測試不同距離的接收節(jié)點收到信號的平均響應(yīng)時間；使用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析工具Packet Sniffer監(jiān)測實際接收數(shù)據(jù)包數(shù)進(jìn)而統(tǒng)計無線數(shù)據(jù)傳輸成功率［12］。測試結(jié)果如圖9所示。

圖9　通信平均響應(yīng)時間與節(jié)點距離關(guān)系

從圖中曲線可以看出，隨著ZigBee節(jié)點間距離的增大，接收節(jié)點的平均響應(yīng)時間將逐漸增加，數(shù)據(jù)傳輸成功率將逐漸降低。通信距離＜30 m時，平均響應(yīng)時間＜2 s，無線傳輸成功率接近100%，此距離范圍內(nèi)節(jié)點之間能夠可靠傳輸數(shù)據(jù)，并具備良好的實時監(jiān)測性能。

7　總結(jié)

經(jīng)振動臺系統(tǒng)模擬乳化液泵站工作環(huán)境測試表明：基于新型結(jié)構(gòu)MEMS壓電微能源驅(qū)動的乳化液泵站振動監(jiān)測系統(tǒng)能穩(wěn)定收集環(huán)境振動能量為終端節(jié)點提供電能，在有效傳輸距離內(nèi)實現(xiàn)在線監(jiān)測功能。本文為MEMS微能源技術(shù)在ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用提供了可行方案，然而為了增強(qiáng)發(fā)電能力，供電單元采用體積較大的單懸臂梁PZT壓電片與MEMS微能源進(jìn)行復(fù)合。為提升MEMS微能源的單獨供電能力，優(yōu)化器件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，提高能量轉(zhuǎn)化效率是下一步研究的關(guān)鍵。

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燕樂（1991-），男，漢族，山西運城人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院，研究方向為智能微納器件應(yīng)用，986217986@qq.com；

丑修建（1979-），男，漢族，湖北咸寧人，中北大學(xué)，教授，同濟(jì)大學(xué)博士，研究方向為智能微納器件與系統(tǒng)領(lǐng)域基礎(chǔ)科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)研究，chouxiujian@nuc.edu.cn。

Study on ZigBee Vibration Monitoring System for Emulsion Pump Station Driven by a Novel MEMS Piezoelectric Micro-Energy

YAN Le1，2，CHEN Donghong1，2，KONG Lingjie1，2，ZHANG Peng1，2，WANG Erwei1，2，CHOU Xiujian1，2*
（1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement（North University of China），Ministry of Education，Taiyuan 030051，China）

To ensure the safe operation of mine emulsion pump station，a vibration monitoring system based on novel MEMS piezoelectric energy harvester is proposed.The device is fabricated by using the MEMS micromachining process，which has the structure of eight cantilever beams-center mass block and the overall dimension of 7 000 μm×7 000 μm×400 μm；the energy management model with the core of LTC3331 is designed，which could stably output DC voltage；the wireless sensor network is constructed by using ZigBee technology，and the end-device operates with a sampling rate of vibration acceleration at 10 Hz.The shaking table system test shows that micro-energy arrays could output a maximum value of voltage at 1.47 V，power supply for the system presents good stability；the communication between two nodes shows great reliability and real-time performance within 30 m.

MEMS；monitoring system；shaking table system test；emulsion pump station；ZigBee

TP274

A

1005-9490（2016）03-0692-06

EEACC：2575；286010.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.037