王九懷， 宋江濤， 郭慶豐， 段洋洋， 靳毅軍， 王學(xué)敏

（1.山西中陽華潤聯(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 長治 046000）

引言

隨著井下監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，節(jié)點(diǎn)供電成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的主要問題。對于無線傳感器網(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，介紹了硬件平臺的構(gòu)成以及硬件平臺核心部件設(shè)計的一些關(guān)鍵問題，并提出設(shè)計構(gòu)想[1]；張文棟等根據(jù)信號采集時煤機(jī)設(shè)備是否需要停機(jī)以及故障診斷的時效性，總結(jié)了機(jī)械故障診斷的方法及其特點(diǎn)，分析了不同類型無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、不同種類微能源技術(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(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方案，該網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)絡(luò)靈活、安裝快捷、維護(hù)方便，對煤礦安全監(jiān)測網(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，提出了振動能量的礦用無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)計方案并進(jìn)行了性能測試，供后續(xù)研究參考。

1 振動能量的礦用無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的總體設(shè)計

目前，有線監(jiān)測煤礦機(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，無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)逐漸取代已有的有線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)需布置大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，而監(jiān)測能量的供應(yīng)是目前的瓶頸。為此提出振動能量的礦用無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)方法，實(shí)現(xiàn)對煤礦機(jī)械設(shè)備監(jiān)測的同時，將機(jī)械振動產(chǎn)生的能量用以監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的控制，減少了有線電路的鋪設(shè)同時實(shí)現(xiàn)了高進(jìn)度的檢測目的。

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

振動能量的礦用無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的設(shè)計包括壓電俘能器性能分析與優(yōu)化、無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計、無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計和無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)封裝及性能測試四部分。

壓電俘能器是無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)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(yīng)檢測機(jī)身的振動，同時將振動信號轉(zhuǎn)化為電能的形式儲存，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(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，高匹配的振動頻率可以有效提高壓電俘能器俘能效率。

無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計包含有無線傳感器、監(jiān)測節(jié)點(diǎn)電路以及振動傳感器三部分。無線傳感器的選擇應(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)整個節(jié)點(diǎn)信息的采集、傳送、處理以及存儲等功能；監(jiān)測節(jié)點(diǎn)電路可以實(shí)現(xiàn)單元節(jié)點(diǎn)的儲電、傳感器線路的穩(wěn)流以及持續(xù)供電；振動傳感器是采煤機(jī)工作狀態(tài)的直接監(jiān)測點(diǎn)，其主要監(jiān)測采煤機(jī)截割部和牽引部以及齒輪的運(yùn)動狀態(tài)，在振動傳感器的選擇上，應(yīng)該充分從機(jī)械設(shè)備的功率、靈敏度、動態(tài)響應(yīng)以及頻率響應(yīng)考慮采煤機(jī)搖臂的轉(zhuǎn)動和振動頻率。。

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

振動能量供電的無線監(jiān)測節(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€系統(tǒng)的能量供應(yīng)來源且工作空間最大，因此節(jié)點(diǎn)部件的設(shè)計應(yīng)該以壓電俘能器為基礎(chǔ)。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的性能測試需在測試平臺上，測試監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的能量俘獲效率以及能量傳送狀況。

2 無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)封裝及性能測試

振動能量的礦用無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)性能的優(yōu)劣需在檢測平臺測試后才能整體評價節(jié)點(diǎn)的好壞，在對無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的總體設(shè)計方案上，根據(jù)實(shí)際礦井工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)俘能效率、傳輸距離和整體性能的測試。

節(jié)點(diǎn)的設(shè)計以壓電俘能器為基礎(chǔ)，并裝有一定的防爆裝置。節(jié)點(diǎn)的材料對性能有重要影響，壓電俘能器作為重要設(shè)計依據(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，無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)在封裝時應(yīng)考慮以下因素：

1）出于安全采煤的考慮，無線節(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)在工作過程中機(jī)身以及搖臂產(chǎn)生較大幅度的振動，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，防爆殼對信號有一定的屏蔽作用，因此在設(shè)計過程中應(yīng)該考慮防爆殼對節(jié)點(diǎn)信號的屏蔽作用。

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

圖1 振動能量供電的無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)封裝模型圖

以采煤機(jī)為例，采集采煤機(jī)的振動數(shù)據(jù)，將振動數(shù)據(jù)導(dǎo)入到億恒振動控制器，模擬采煤機(jī)真實(shí)的工作環(huán)境，采煤機(jī)采掘激勵振動數(shù)據(jù)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(xiàn)先減小后穩(wěn)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(jī)采掘激勵振動數(shù)據(jù)

對于壓電俘能器的測試，其節(jié)點(diǎn)功耗測試就顯得尤為重要。測試過程中，將節(jié)點(diǎn)工作過程按休眠、數(shù)據(jù)采集和無線傳輸三個階段表示節(jié)點(diǎn)完整工作過程，通過程序中設(shè)置斷點(diǎn)判斷程序分別進(jìn)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(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)采集以及無線傳送三個階段的電阻，在7.4 V 穩(wěn)定電流的供電狀況下，對整個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能耗測試計算，測試結(jié)果如表1 所示。

表1 節(jié)點(diǎn)整個工作過程能耗測試

根據(jù)表中數(shù)據(jù)，可得到節(jié)點(diǎn)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(tài)、數(shù)據(jù)采集狀態(tài)以及無線傳輸狀態(tài)下的工作時間；T為節(jié)點(diǎn)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(tài)、數(shù)據(jù)采集狀態(tài)以及無線傳輸狀態(tài)下的工作電流。代入表1 所列數(shù)據(jù)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(nèi)俘獲的能量；ω2為無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)單位時間內(nèi)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(xù)航時間，為7.117×103h。代入數(shù)據(jù)計算得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、壓電俘能器以及無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)出發(fā)設(shè)計了振動能量供電的礦用無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)總體方案，并對無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了封裝以及性能測試，得到電俘能器單位時間內(nèi)能量俘獲效率為26.66%，延長了節(jié)點(diǎn)的更換周期，實(shí)現(xiàn)了外部監(jiān)測高精度、實(shí)時性的目的。