振动能量的矿用无线监测节点总体设计及性能测试

王九怀， 宋江涛， 郭庆丰， 段洋洋， 靳毅军， 王学敏

（1.山西中阳华润联盛南山煤业有限公司， 山西 吕梁 033000； 2.潞安集团慈林山煤业有限公司慈林山煤矿， 山西 长治 046000）

引言

随着井下监测网络的发展，节点供电成为无线传感器网络应用的主要问题。对于无线传感器网络的研究，李雄飞等论述了系统的工作原理和构成，介绍了硬件平台的构成以及硬件平台核心部件设计的一些关键问题，并提出设计构想[1]；张文栋等根据信号采集时煤机设备是否需要停机以及故障诊断的时效性，总结了机械故障诊断的方法及其特点，分析了不同类型无线网络传输技术、不同种类微能源技术的特点及其在煤矿中应用的可行性[2]；王飞、杜岩等针对煤矿井下矿用无线传感器的电池使用寿命有限、更换困难的问题，提出了一种基于能量自给的煤矿无线监测网络的设计方案，该网络组网络灵活、安装快捷、维护方便，对煤矿安全监测网络及系统的应用起到重要作用[3-4]。

本文在已有研究的基础上，提出了振动能量的矿用无线监测节点设计方案并进行了性能测试，供后续研究参考。

1 振动能量的矿用无线监测节点的总体设计

目前，有线监测煤矿机械设备因为其复杂的电线通道和防爆装置逐渐被淘汰，为此，无线监测节点逐渐取代已有的有线监测节点，无线监测节点需布置大量的传感器节点，而监测能量的供应是目前的瓶颈。为此提出振动能量的矿用无线监测节点方法，实现对煤矿机械设备监测的同时，将机械振动产生的能量用以监测节点的控制，减少了有线电路的铺设同时实现了高进度的检测目的。

本文以采煤机为研究对象，充分结合井下工作环境，借助无线传感技术、信号处理技术以及压电俘能技术，提出振动能量的矿用无线监测节点的设计方案，为此方面的研究奠定基础。

振动能量的矿用无线监测节点的设计包括压电俘能器性能分析与优化、无线监测节点硬件设计、无线监测节点无线监测节点软件设计和无线监测节点封装及性能测试四部分。

压电俘能器是无线监测节点能量的主要来源，其工作原理是通过压电材料的正压电效应检测机身的振动，同时将振动信号转化为电能的形式储存，压电俘能器有改进全方向击打式自俘能装置、全方向击打式自俘能装置、新型组合悬臂梁式双稳态压电振动能量收集装置和多场耦合振动能量收集装置四种。在压电俘能器的选择上应该考虑其结构优化，根据采煤机不同部位的振动频率的不同，调节压电俘能单元尺寸和磁铁的距离以适应机身的谐振频率，高匹配的振动频率可以有效提高压电俘能器俘能效率。

无线监测节点的硬件设计包含有无线传感器、监测节点电路以及振动传感器三部分。无线传感器的选择应该结合井下工作环境和通信性能节点选择，选用CC2530 片上8051 作为控制核心，实现整个节点信息的采集、传送、处理以及存储等功能；监测节点电路可以实现单元节点的储电、传感器线路的稳流以及持续供电；振动传感器是采煤机工作状态的直接监测点，其主要监测采煤机截割部和牵引部以及齿轮的运动状态，在振动传感器的选择上，应该充分从机械设备的功率、灵敏度、动态响应以及频率响应考虑采煤机摇臂的转动和振动频率。。

无线监测节点软件包括无线通信、显示以及技能优化三部分。无线传感可以实现数据的转化、发送以及存储等功能，适当延长节点储能单元的周期可以实现节能的目的，显示则是通过监测界面实现，在Microsoft Visual Studio 软件平台中实现。

振动能量供电的无线监测节点的封装需根据采煤机的结构特点以及工作环境，因为压电俘能器是整个系统的能量供应来源且工作空间最大，因此节点部件的设计应该以压电俘能器为基础。监测节点的性能测试需在测试平台上，测试监测节点的能量俘获效率以及能量传送状况。

2 无线监测节点封装及性能测试

振动能量的矿用无线监测节点性能的优劣需在检测平台测试后才能整体评价节点的好坏，在对无线监测节点的总体设计方案上，根据实际矿井工作环境，实现对节点俘能效率、传输距离和整体性能的测试。

节点的设计以压电俘能器为基础，并装有一定的防爆装置。节点的材料对性能有重要影响，压电俘能器作为重要设计依据，选择6063-t5 铝合金为材料，该材料可以有效消除支架材料磁场的影响，且强度高。压电俘能器组合梁材料为铍青铜，压电材料为压电薄膜PVDF。

因为井下特殊的工作环境，无线监测节点在封装时应考虑以下因素：

1）出于安全采煤的考虑，无线节点的控制仪表以及仪器都需要采用防爆型；

2）因为采煤机在工作过程中机身以及摇臂产生较大幅度的振动，将节点天线封装在防爆壳内可有效地降低节点的损失，提高节点的稳定性，防爆壳对信号有一定的屏蔽作用，因此在设计过程中应该考虑防爆壳对节点信号的屏蔽作用。

振动能量供电的无线监测节点封装模型图如图1 所示，此封装模型充分考虑了无线监测节点元件尺寸，传感器的安装方式以及安全性能，最终完成振动能量供电的矿用无线监测节点的模型封装工作。

图1 振动能量供电的无线监测节点封装模型图

以采煤机为例，采集采煤机的振动数据，将振动数据导入到亿恒振动控制器，模拟采煤机真实的工作环境，采煤机采掘激励振动数据如图2 所示，从图中可以看出，振动能量收集俘能时间为10 s，充电电池的电流呈现先减小后稳定的趋势，电池充电量为35 nAh，计算得到平均充电电流为12.7 μA。

图2 采煤机采掘激励振动数据

对于压电俘能器的测试，其节点功耗测试就显得尤为重要。测试过程中，将节点工作过程按休眠、数据采集和无线传输三个阶段表示节点完整工作过程，通过程序中设置断点判断程序分别进入三个工作阶段，同时通过示波器测试晶振是否间歇性工作，确保程序的正确性。不同阶段内节点的电流有差异，因此电阻也有差别，10 kΩ、1 kΩ 和100 Ω 分别为休眠、数据采集以及无线传送三个阶段的电阻，在7.4 V 稳定电流的供电状况下，对整个节点进行能耗测试计算，测试结果如表1 所示。

表1 节点整个工作过程能耗测试

根据表中数据，可得到节点在工作过程中的平均电流的计算公式为：

式中：t1、t2、t3分别为休眠状态、数据采集状态以及无线传输状态下的工作时间；T为节点整个工作时间周 期，600+4+1.5=605.5 s；A1、A2、A3分 别 为 休 眠 状态、数据采集状态以及无线传输状态下的工作电流。代入表1 所列数据计算得A=34.932×10-3mA。

俘能效率η 为：

式中：ω1为压电俘能器单位时间内俘获的能量；ω2为无线监测节点单位时间内消耗的能量；T1为压电俘能器充电时间，为0.267×103h；T2为压电俘能器续航时间，为7.117×103h。代入数据计算得η=26.66%。

3 结论

从矿井采煤机的实际工作状况出发，从硬件、软件、压电俘能器以及无线监测节点出发设计了振动能量供电的矿用无线监测节点总体方案，并对无线监测节点进行了封装以及性能测试，得到电俘能器单位时间内能量俘获效率为26.66%，延长了节点的更换周期，实现了外部监测高精度、实时性的目的。