以振动能量转化为供电策略的无线矿山粉尘监测系统

葛占岭， 安然然， 李 莉

(沈阳化工大学 计算机科学与技术学院， 辽宁 沈阳 110142)

矿石从开采到生成成品过程中会产生大量的粉尘，粉尘中含有多种有毒成分，如铬、锰等[1]，既污染环境，又极易危害工人健康，因此对矿区粉尘监测治理工作变得十分重要.国内外学者对此做了大量研究工作.Valdo Henriques[2]等人建立了完整的模块化矿山安全系统，使用组合的机械硬件、电子硬件和具体软件.该系统使用ZigBee通信协议在矿山环境中相互传输两个节点之间的数据.实验表明：温度、湿度、气流和噪音传感器测量精度分别为89.01 %、98.55 %、90.5 %和89.53 %；分辨率分别为0.105 ℃、0.12 %RH、0.05 m/s和0.23 dB SPL.Xu[3]等人提出制造业工人健康监测和管理五层架构，并实现了环境数据处理，物理状况监控及系统服务和管理功能，最后，从不利工作条件下对制造业工人的保险和赔偿角度进行评估和分析.王娇[4]以无线传感器网络为信息通信基础，构建一个粉尘浓度测试系统，该系统能实时准确地测定封闭空间内粉尘浓度信息.文章还进行了粉尘浓度分布的数值模拟和系统测试.

由于实际监测工作中各个监测点的位置不同，且监测点之间距离差异明显.在传统的有线传输方式中，虽然技术上简易方便但布线繁琐，成本昂贵.采用无线方式传输数据时，可以省去电缆线，降低成本，而且传输距离长，范围广.但是每个节点都要有供电系统，常用方法是使用电池供电，虽然使用方便但生命周期短，在一些特殊地点，如矿粉管道会贯通大型的构筑物，使无线粉尘监测传感器的电池更换十分困难.为解决这一问题，本文提出一种利用压电梁收集振动能量进行自供电的电源系统，为无线矿山粉尘监测系统提供电源保障.

1 矿山粉尘监测系统的构成

矿山粉尘监测系统的构成如图1所示.系统由子节点、主机、上位机和下位机构成.子节点由粉尘检测传感器、微控制器、电源系统和无线通信模块组成.子节点负责粉尘浓度监测并把监测数据通过无线方式传送给相应的主机.主机包括微控制器和无线通信模块两部分，负责汇总并传输各子节点的粉尘浓度信息.上位机接收主机的汇总信息，对数据处理后以实时数据和地图报警模式显示，并对显示报警的子节点进行控制，将控制信息发送给对应的下位机，下位机实现相应的降尘措施.简言之，矿山粉尘检测系统是通过上位机显示由各个节点采集到的粉尘浓度信息，分析数据得到控制信息，输送相应的控制信息给下位机.

图1 矿山粉尘监测系统的构成Fig.1 The composition of mine dust monitoring system

2 矿山粉尘监测系统硬件设计

2.1 主控单片机

主机使用高性能MCU(Microcontroller Unit微控制单元)STM32F103R6.STM32F103R6芯片的最高频率是72 MHz，6个定时器可以满足主机定时收发数据的要求，32 kB的闪存可以满足转发数据的缓存.主机的MCU对各个子节点的信息进行汇总并传送给上位机处理.子节点使用低功耗MCU(STM8S).STM8S芯片的最高频率是16 MHz，8 kB的闪存存储采集到的浓度信息，低功耗的模式使能量收集电路产生的电能可以满足芯片需求.STM8S采集粉尘浓度信息，然后利用无线通信模块将粉尘浓度信息发给主机.

2.2 粉尘传感器的监测电路

无线粉尘监测传感器使用DSM501A灰尘传感器产生脉冲信号.DSM501A灰尘传感器是韩国SYHITECH专利产品，采用离子计数原理，可灵敏监测到直径1μm以上的粒子，内置加热器可实现自动吸入空气，且其尺寸小质量轻且易于安装使用.

DSM501A共有5个引脚，其中3脚接5 V电源，5脚接地，输出脚为2脚和4脚，区别在于2脚的粒子监测最小值为1 μm，而4脚的监测最小值为2.5 μm，1脚作为控制脚，外接电阻调节4脚的灵敏度. DSM501A的工作电压(5±0.5) V，最大工作电流90 mA.当监测到1 μm以上粒子时，会输出0.7 V左右的低电平；没有粒子时，输出4.5 V左右的高电平.通过低脉冲率可计算出当前空气中的粒子数目[5]，输出波形如图2所示.从图2可以看出：DSM501A输出PWM波的最高电压为4.5 V，而STM32微控制器的最大输入电压为3.6 V，因此PWM波不能直接输入到STM32微控制器，必须经过降压电路处理，这里使用如图3所示的经典运放降压电路进行降压处理.

图2 DSM501A输出波形Fig.2 Output waveform of DSM501A

图3 运放降压电路Fig.3 Operational amplifier step-down circuit

如图3所示：OP77AP为运算放大器；输入信号是指DSM501A输出的信号，将滑动变阻器处的电压调整为4.5V.当DSM501A信号为4.5 V时信号输出端输出3.6 V；当DSM501A信号为0.7 V时信号输出端输出0 V，完成了对DSM501A信号的降压处理.

2.3 粉尘传感器的无线通信模块

YL-800T是一款体积小、高性能、通信距离远的小功率(100 mW )串口无线数据传输模块.其基于SX1278无线方案，LoRa 扩频跳频技术，采用DSSS 调制方式.且其内部有自动扩频计算和前导CRC纠错处理功能.模块的射频芯片基于扩频跳频技术，在稳定性、抗干扰能力以及接收灵敏度上都超越现有的GFSK模块.配置低功耗高速处理器，数据处理能力、运算速度均有所提高[6].主机使用STM32，连接YL-800T传感器，完成粉尘数据的收发过程.连接电路如图4所示.

图4 YL-800T与单片机接口连接电路Fig.4 Interface diagram between YL-800T and singlechip micro computer

YL-800T传感器的SET引脚连接STM32单片机的PC5引脚，在中心模式和节点模式下，通过STM32单片机设置其为低电平，此时单片机可以快速处理传感器信息.YL-800T传感器的AUX引脚连接STM32单片机的PC4，主要功能是用于唤醒粉尘传感器设备.YL-800T传感器的EN引脚连接STM32单处机的PA4，单片机设置其为低电平时YL-800T传感器开始工作，为高电平时YL-800T传感器进行休眠.YL-800T传感器的RXD引脚连接STM32单片机的PA9(USART1_TX)，可以让YL-800T接受STM32单片机发送来的信息.YL-800T传感器的TXD引脚连接STM32单片机的PA10(USART1_RX)，可以实现YL-800T向STM32单片机发送信息的功能，VCC和GND分别连接电源正极和负极.发射模式下在开阔地可视直线距离达3～5 km，在接收模式下待机功耗最低平均可以做到20 μA.使用星形结构传输方式，主机节点负责对子节点传感器监测的粉尘浓度信息进行接收，将粉尘浓度信息传送给上位机.YL-800T发射数据格式为：设备号+起始位+传输信息+校验位+结束位.主机传送信息的格式为：设备号+起始位+各个子节点浓度信息+校验位+结束位.设备号中包含各个子节点的位置信息，方便上位机绘制各个节点的数据总分布图；起始位、校验位和结束位使数据传输更加准确；传输信息中包含粉尘浓度信息.

3 矿山粉尘监测系统软件设计

系统软件使用VB进行上位机设计，通过VB对数据汇总处理、数据库存储和显示，完成上位机与下位机数据的通讯以及控制指令的下发.流程如图5所示.

图5 上位机数据处理流程Fig.5 Data processing flow chart of upper computer

通过检测界面可看到采集到的粉尘浓度在检测过程中有一定的波动，系统对其取平均值后将数据存入数据库.VB上位机的显示有两种模式：实时曲线模式和地图报警模式.实时曲线模式是指每一个子节点的浓度数值都由实时曲线形式显示；地图报警模式是指各个子节点在地图上以空心点的形式显示，当浓度超过一定值时，这个空心点会实时地被填充成红色.与此同时上位机传输控制信息给下位机，在警报的子节点位置进行一些降尘措施.VB运行时的界面如图6所示.

图6中对矿区的3个监控点进行了粉尘浓度采样，分别命名为监控点1、监控点2和监控点3.此3点在地图报警模式中分别用圆形、正方形和椭圆表示；在实时曲线模式中分别用黑色实线、蓝色实线和粉色实线表示.在实时曲线模式图可以发现监控点3的粉尘浓度值超过了8.75 g/m3的标准，于此同时在地图报警模式中监控点3被填充为红色达到报警的目的.

图6 VB运行界面Fig.6 Operation interface diagram of VB

4 矿山粉尘监测系统的供电策略

4.1 能量收集系统设计

矿区的工业管道在工作时都会有很大的机械振动，可以收集这些振动能为无线粉尘监测系统传输数据模块供电.能量收集系统的物理结构如图7所示.能量收集系统的物理结构使用压电悬臂梁结构，当工业管道振动时带动悬臂梁振动，悬臂梁的上下两个截面贴有压电陶瓷片，在悬臂梁的末端有一个质量块，可利用其本身的重力势能增加悬臂梁的变形.悬臂梁的变形激发压电陶瓷片的变形，由压电效应可产生交流电压.但这些电能不能直接使用，压电能量收集器产生的电能要进行整流、DC-DC变换、充电控制，然后将变换后的电能存储到电池[7].回收能量的电路有ESSH和SSDV技术[8].但这些技术存在一定的缺点，而且整个电路所占空间较大，与无线传感器的小体积相互矛盾，所以本文选用LTC3588作为主要芯片构建电路. LTC3588小体积的优点充分发挥，且其高度集成的构造结构使无线传感器在恶劣环境中使电路的稳定性更高.

LTC3588包括集成化低损耗全波整流器和高效率集成迟滞降压型DC/DC转换器.具有一个宽迟滞窗口的超低静态电流欠压闭锁模式(UVLO)，UVLO是指当Vin的电压增至高于降压锁定状态的上升极限时，降压转换器可用而且从输入电容充电转化为输出电容，一个宽的UVLO迟滞窗口被用，一个更低的极限电压，大约高于选择输出电压的300 mV，用来去阻止小回路在降压转化器的加电行为.当输入电容电压耗尽低于UVLO下降极限时，降压转换器不可用，此时产生十分低的休眠电流[7].根据实际要求，设计电路如图8所示.

图7 能量收集系统物理结构Fig.7 Physical structure of energy collection system

图8 无线传感器供电系统能量收集电路Fig.8 Energy collection circuit of wireless sensor power supply system

图8中PZ1和PZ2分别接压电片的正负两极，压电片振动产生的电能经过LTC3588储存到电容C1中.当C1的电压高于极限电压时，C1由储能电容变成放电电容，向电容C4充电，同时Pgood端变为高电平，表示能量收集电路已经准备好为传输模块供电.当C1的电压低于极限电压时，C1由放电电容转换成充电电容，Pgood端变为低电平，此时无线传感器也完成了一次的收发信息包的操作.

4.2 能量收集电路的仿真

LTC3588是由美国凌力尔特公司设计推出，同时提供了一个用于仿真的软件LTspice Ⅳ，它是根据公司的实际设计将各个芯片的参数封装在软件里，能比较真实地仿真出电路的性能.由图8所示的电路图可以得到仿真图形，如图9所示.

图9 无线传感器供电系统能量收集电路仿真Fig.9 Power gathering circuit simulation of wireless sensor power supply system

图9中V(n002)所表示的绿色线条是输入交变电压，它从0 V开始增长；V(n007)所表示的红色线条为Pgood端由低电平变为高电平；V(out)所表示的蓝色线条为输出端电压，Pgood为高电平时输出十分平稳.当放电电容的电压达到它的最低电压极限时，Pgood端由高电平变为低电平，对应图中1.45 s的红色线条，此时整个能量收集电路处于休眠状态，蓄能电容开始储存电荷，等待电压达到要求进行下一次放电[9].输出电压端稳定的高电平持续时间大约是1 s，电压是3.6 V左右.控制芯片使用Stop模式，3.6 V的电压足够唤醒它，1 s的时间对于发送数据有点紧张，但是经过多次对电池充电可以解决这个问题.

能量收集系统使用LTC3588对矿山除尘管道振动能量进行收集，然后为可充电电池充电.由于能量收集所得的能量不足以持续完成数据的收发工作，所以加一块普通的电池配合它为无线粉尘传感器供电完成无线粉尘监测传感器的数据传输.能量收集电源和备用电池的切换依据为子节点能量收集系统的可充电电池是否满足需求，在能量收集电源不能满足需要时，使用VBAT引脚将电源切换到备用电池上.这样通过两种电池的配合完成系统无线传感器模块的供电任务，延长了普通电池的使用寿命.

5 结 论

在硬件和软件两个方面设计了以振动能量转化为供电策略的矿山粉尘监测系统.硬件方面实现了粉尘监测电路、无线通信电路和能量收集电路.软件方面主要包含粉尘浓度的数据处理模块、可视化显示模块和控制模块.通过仿真证明了能量收集的电能可以满足芯片工作需求.这种振动能源绿色环保，在现实应用中大大减少了电池的更换次数.无线的数据传输形式提高了系统的实用性，各个高性能芯片配合稳定高效的通信协议使系统的可靠度提高，系统的综合性能大大提高.