礦用自供電多節(jié)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

劉建政， 王澤坤， 郝聰聰

(1. 忻州市能源發(fā)展中心， 山西 忻州 034000； 2. 中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院， 山西 太原 030051； 3. 中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院， 山西 太原 030051)

0 引 言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展， 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在能源、 生物、 光學(xué)等領(lǐng)域蓬勃發(fā)展， 萬(wàn)物互聯(lián)使世界進(jìn)入數(shù)字化的時(shí)代[1-3]. 在工業(yè)生產(chǎn)中， 能源采集的環(huán)境和機(jī)器供電都可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)[4-6]， 但無(wú)線(xiàn)傳感監(jiān)測(cè)的方法存在設(shè)備體積大、 功耗高等缺點(diǎn)[7]， 傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段采用電池供電或有線(xiàn)供電， 然而電池的使用有嚴(yán)格限制， 且在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)禁止更換， 有線(xiàn)供電線(xiàn)纜笨重， 難以大面積使用. 因此， 自供電且低功耗的傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是目前的研究熱點(diǎn)[8-9]. 將環(huán)境中的能量轉(zhuǎn)換為無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的供電能量， 不但可以有效利用環(huán)境中的多余能量， 還可以支撐無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)工作， 減少能量的損耗.

機(jī)械能普遍存在于工業(yè)生產(chǎn)中， 大型設(shè)備在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量且十分規(guī)律的振動(dòng)機(jī)械能. 將設(shè)備振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為監(jiān)測(cè)設(shè)備工作的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的供電能量， 是十分便捷有效的一種方法[10-11].

機(jī)械能的采集方法主要有3種： 壓電式、 電磁式和靜電式. 壓電式適用于高頻振動(dòng)模式， 電磁式適用于低頻振動(dòng)模式， 靜電式有著高電壓信號(hào)的輸出. 三種方法各有利弊， 但將三種方法集成可以制成性能優(yōu)于其單獨(dú)供電時(shí)的集成器件[12-14].

本文研究了一種基于壓電-電磁-摩擦的復(fù)合型能量采集器件， 用于給無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)供電， 從而監(jiān)測(cè)選煤設(shè)備工作環(huán)境. 利用能源管理電路使采集到的機(jī)械能可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)并且為無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行供電. 利用后端的信號(hào)處理與無(wú)線(xiàn)傳輸模塊， 對(duì)選煤設(shè)備工作環(huán)境中的振動(dòng)、 溫度、 濕度等進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè).

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

振動(dòng)俘能器是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電耦合系統(tǒng)， 要想從振動(dòng)俘能器中提取最大能量， 能源管理電路的輸入阻抗要與復(fù)合能量收集器的輸出阻抗匹配. 同時(shí)， 基于系統(tǒng)中各個(gè)部件的相互作用及能量流動(dòng)規(guī)律的復(fù)雜性， 從系統(tǒng)角度研究各部分的耦合特點(diǎn)及電能的流動(dòng)及耗散規(guī)律， 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體優(yōu)化以達(dá)到最優(yōu)性能.

對(duì)能源管理電路來(lái)說(shuō)， 為跟蹤最大功率工作點(diǎn)， 采用負(fù)載平衡電路， 通過(guò)控制負(fù)載開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)占空比， 提高接口電路的轉(zhuǎn)換效率. 通過(guò)研究基于能量聚集釋放的自適應(yīng)開(kāi)關(guān)電路， 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)根據(jù)外部負(fù)載的變化調(diào)整聚集釋放電荷， 在復(fù)合能量收集器達(dá)到最大輸出功率時(shí)導(dǎo)通能量采集電路， 從而達(dá)到性能提升的效果. 在整個(gè)系統(tǒng)工作中， 有些器件并不需要一直處于工作狀態(tài)， 所以， 可以通過(guò)反饋動(dòng)態(tài)的配置系統(tǒng)使其能通過(guò)減少活動(dòng)器件來(lái)減少能量的損失. 整個(gè)電路的供電模塊采用雙路徑儲(chǔ)能單元選擇算法， 利用兩塊鋰電池作為儲(chǔ)能器件， 通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)電池的剩余電量， 當(dāng)其中一塊電池達(dá)到滿(mǎn)電量時(shí)， 通過(guò)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)控制開(kāi)關(guān)關(guān)閉， 給另一個(gè)電池充電； 并且當(dāng)電池處于低電量時(shí)， 換另一個(gè)電池為用電器供電， 來(lái)增加整體系統(tǒng)的續(xù)航能力.

能源管理電路輸出的能量可以為傳感器系統(tǒng)、 控制系統(tǒng)和無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)行供電， 傳感器系統(tǒng)可以將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)， 控制系統(tǒng)通過(guò)分析數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)節(jié)傳感器的工作狀態(tài)， 同時(shí)， 將傳感器采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊傳輸給遠(yuǎn)端的無(wú)線(xiàn)接收器， 然后在計(jì)算機(jī)上位機(jī)界面進(jìn)行展示， 可以實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)到各個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)， 進(jìn)而讓工作人員調(diào)整機(jī)器的工作狀態(tài)， 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)安全最大化. 系統(tǒng)流程圖如圖 1 所示.

圖 1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 System scheme design flow chart

一個(gè)無(wú)線(xiàn)接收器可以同時(shí)接收6個(gè)節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的數(shù)據(jù)， 可實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)面板同時(shí)顯示， 即“多對(duì)一”的結(jié)果. 通過(guò)計(jì)算機(jī)上位機(jī)展示的參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、 關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控， 能有效地揭示設(shè)備潛在故障的發(fā)生， 為應(yīng)急控制和維修管理提供準(zhǔn)確、 可靠的依據(jù)， 為制定維修策略提供技術(shù)支持， 提高煤礦關(guān)鍵裝備整體運(yùn)行安全性和可靠性， 實(shí)現(xiàn)由“事后維修”到“預(yù)知維修”的轉(zhuǎn)變， 避免意外停機(jī)及惡性事故發(fā)生. 應(yīng)用方案設(shè)計(jì)如圖 2 所示.

圖 2 應(yīng)用方案設(shè)計(jì)圖Fig.2 Application scheme design diagram

2 自供電無(wú)線(xiàn)傳感監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 復(fù)合能量自拾取器件設(shè)計(jì)

在選煤設(shè)備工作過(guò)程中， 伴隨著大量的隨機(jī)振動(dòng)， 將這些振動(dòng)能量收集起來(lái)給無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)供電， 便滿(mǎn)足了無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器工作狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的自供電需求. 煤機(jī)裝備的振動(dòng)屬于典型的隨機(jī)振動(dòng)， 具有振動(dòng)頻帶寬、 振動(dòng)能量大等特點(diǎn)， 因此， 本文選用摩擦-電磁-壓電三種能量采集方式耦合的方法， 最大限度地將寬頻域內(nèi)的能量全部轉(zhuǎn)化成電能. 圖 3 所示為能量采集器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖， 該結(jié)構(gòu)由不銹鋼外筒和上蓋作為最外層封裝， 滿(mǎn)足煤安認(rèn)證的防爆、 抗沖擊等需求. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)自上而下依次為能源管理與無(wú)線(xiàn)發(fā)射電路、 懸臂梁壓電發(fā)電單元和內(nèi)筒. 內(nèi)筒中采用立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 將線(xiàn)圈和摩擦層連接后安裝在立柱上， 內(nèi)筒底部安裝永磁體， 線(xiàn)圈封裝底部安裝若干小磁柱， 在磁柱和永磁體排斥力的作用下， 線(xiàn)圈懸浮在內(nèi)筒中. 在受到外部振動(dòng)激勵(lì)后， 懸浮在內(nèi)筒中的線(xiàn)圈在立柱上往復(fù)振蕩， 線(xiàn)圈與永磁體的相對(duì)位移不斷變化， 線(xiàn)圈內(nèi)的磁通量隨即改變， 故而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì). 在振蕩過(guò)程中， 線(xiàn)圈底部的銅電極與永磁體頂部的PTFE材料不斷發(fā)生接觸分離， 導(dǎo)致銅電極材料的電子數(shù)發(fā)生改變， 從而形成單電極摩擦納米發(fā)電機(jī). 此外， 選煤設(shè)備的高頻段振動(dòng)傳遞到十字懸臂梁， 振蕩引發(fā)懸臂梁變形， 從而使連接在懸臂梁表面的壓電材料產(chǎn)生電信號(hào)輸出.

圖 3 振動(dòng)能量采集器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure schematic diagram of vibration energy harvester

2.2 工作原理

目前， 對(duì)機(jī)器工作的機(jī)械能量最為有效的采集方式主要有壓電發(fā)電、 摩擦發(fā)電和電磁發(fā)電. 其中， 采用壓電效應(yīng)的振動(dòng)能量采集器絕大多數(shù)都是基于懸臂梁結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 通過(guò)懸梁帶動(dòng)壓電材料的形變實(shí)現(xiàn)將動(dòng)能向電能的轉(zhuǎn)化， 在懸梁諧波處會(huì)產(chǎn)生較大的變形振蕩， 隨之壓電材料輸出較大的功率. 但這也會(huì)造成器件響應(yīng)頻帶較窄、 可靠性較差等問(wèn)題， 為此， 本文通過(guò)采用十字結(jié)構(gòu)的懸臂梁設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)節(jié)器件響應(yīng)頻率， 引入多模態(tài)和非線(xiàn)性等方法對(duì)壓電能量采集器做出優(yōu)化， 拓寬工作頻帶， 增大輸出性能. 摩擦發(fā)電作為一項(xiàng)新型的能量轉(zhuǎn)換方式， 近年來(lái)受到廣泛關(guān)注和研究. 摩擦發(fā)電技術(shù)是一種基于摩擦起電效應(yīng)的新技術(shù)， 利用不同材料之間得失電子能力的差異形成電勢(shì)差， 從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電過(guò)程， 其由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 摩擦材料易得等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在能量采集系統(tǒng)中. 本文選用PTFE和銅電極作為摩擦發(fā)電的材料， 通過(guò)兩種材料在振動(dòng)環(huán)境中的接觸分離過(guò)程， 實(shí)現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移并形成電流； 通過(guò)在摩擦材料表面采用刻蝕工藝， 增大摩擦層的粗糙程度和電子轉(zhuǎn)移效率， 不斷提升摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出特性. 電磁發(fā)電技術(shù)是一種傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)理， 利用法拉第電磁感應(yīng)原理， 通過(guò)磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電流， 經(jīng)歷一百多年的發(fā)展變化， 應(yīng)用到人類(lèi)社會(huì)的方方面面， 發(fā)揮著巨大作用. 由于電磁發(fā)電自身極高的能量轉(zhuǎn)化效率， 近年來(lái)研究人員致力于電磁發(fā)電技術(shù)小型化、 高靈敏度、 廣泛適用性的研究， 出現(xiàn)了較多MEMS電磁發(fā)電裝置. 本文依靠磁懸浮技術(shù)， 將高密度線(xiàn)圈懸浮在永磁體的上方， 通過(guò)線(xiàn)圈在振蕩過(guò)程中磁通量的變化， 實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的輸出. 在本文集成的壓電-摩擦-電磁復(fù)合型能量采集器中， 摩擦和電磁機(jī)構(gòu)可以采集大量的低頻大振幅振動(dòng)能量， 壓電結(jié)構(gòu)采集大量的高頻振動(dòng)能量， 極大得增強(qiáng)了器件對(duì)振動(dòng)環(huán)境的能量采集效率， 可觀(guān)的輸出功率為實(shí)現(xiàn)后端無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)模塊的自供電需求提供可靠的支撐.

3 組網(wǎng)設(shè)計(jì)方案

3.1 無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件電路

無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以MSP430F5438A微控制器為核心， 結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)、 電源電路和無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和無(wú)線(xiàn)傳輸， 其硬件結(jié)構(gòu)如圖 4 所示.

圖 4 無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件電路Fig.4 Wireless monitoring system hardware circuit

電源電路作為系統(tǒng)的供電端， 由振動(dòng)能量采集器、 整流電路和鋰電池充放電切換電路組成. 整流電路將振動(dòng)能量采集器產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成直流電為鋰電池充電. 鋰電池充放電切換電路實(shí)現(xiàn)了兩節(jié)鋰電池充放電的切換， 延長(zhǎng)系統(tǒng)的工作時(shí)間和鋰電池的使用壽命.

傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集功能， 由電池電量監(jiān)測(cè)電路、 溫度監(jiān)測(cè)電路和加速度監(jiān)測(cè)電路組成. 采集到的電池電量數(shù)據(jù)、 外界溫度和加速度數(shù)據(jù)通過(guò)IIC接口傳輸?shù)組SP430F5438A微處理器中.

LoRa無(wú)線(xiàn)模塊E330-400T13S由成都億百特電子科技有限公司生產(chǎn)， 是一款小體積、 低功耗、 低成本的超高性?xún)r(jià)比LoRa串口模塊， 收發(fā)一體， 覆蓋433 MHz、 470 MHz頻段. 模塊支持透?jìng)鳌?定點(diǎn)傳輸模式， 支持LDC單點(diǎn)喚醒， 軟件多級(jí)空速可調(diào)， 可適用于多種無(wú)線(xiàn)傳輸應(yīng)用. E330-400T13S與微處理器進(jìn)行串口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互， 并結(jié)合LoRa接收模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸.

3.2 無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件流程

無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)軟件流程如圖 5 所示， 設(shè)計(jì)了MSP430F5438A工作模式切換和雙節(jié)鋰電池充放電智能切換算法. 具體描述如下：

圖 5 無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件流程圖Fig.5 Wireless monitoring system software flow chart

當(dāng)振動(dòng)能量采集器產(chǎn)生足夠的開(kāi)啟電壓后， 系統(tǒng)初始化且處于A(yíng)ctive模式， 充放電選路開(kāi)關(guān)默認(rèn)都接入電池A， 系統(tǒng)正常工作. 電壓監(jiān)測(cè)電路開(kāi)始工作， 讀取電池A和電池B的電壓數(shù)值后. 當(dāng)電池A電壓值大于電池B電壓值時(shí)， 將電池A的電壓值與設(shè)定的閾值電壓3.0 V進(jìn)行比較： 若低于閾值電壓3.0 V時(shí)， 充電電路為電池A充電， MSP430F5438A微處理器進(jìn)入LPM3低功耗模式休眠60 min后進(jìn)入Active工作模式， 重新進(jìn)入循環(huán)中； 若高于閾值電壓3.0 V時(shí)， 電池A供電， 電池B放電， 傳感器網(wǎng)絡(luò)工作并由LoRa模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸， 無(wú)線(xiàn)模塊工作結(jié)束后， MSP430F5438A微處理器進(jìn)入LPM3低功耗模式休眠5 min 后進(jìn)入Active工作模式， 進(jìn)行下一次循環(huán). 當(dāng)電池B電壓值大于電池A時(shí)， 將電池B的電壓值與設(shè)定的閾值電壓3.0 V進(jìn)行比較： 若低于閾值電壓3.0 V時(shí)， 充電電路為電池B充電， MSP430F5438A微處理器進(jìn)入LPM3低功耗模式休眠60 min后進(jìn)入Active工作模式， 重新進(jìn)入循環(huán)中； 若高于閾值電壓3.0 V時(shí)， 電池B供電， 電池A放電， 傳感器網(wǎng)絡(luò)工作并由LoRa模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸， 無(wú)線(xiàn)模塊工作結(jié)束后， MSP430F5438A微處理器進(jìn)入LPM3低功耗模式休眠5 min后進(jìn)入Active工作模式， 進(jìn)行下一次循環(huán). 設(shè)計(jì)的MSP430F5438A工作模式切換和雙節(jié)鋰電池充放電智能切換算法， 降低了系統(tǒng)的功耗， 解決了單節(jié)鋰電池持續(xù)充放電壽命減少的問(wèn)題， 大大延長(zhǎng)了系統(tǒng)的使用壽命.

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)功能外場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案

將5個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝在末煤脫泥篩和煤泥離心機(jī)的不同位置上. 安裝示意圖如圖 6 所示， 其中， 節(jié)點(diǎn)分別安裝在煤泥離心機(jī)的電機(jī)上方， 傳送部分外殼上方， 末煤脫泥篩的電機(jī)上， 篩箱側(cè)壁等位置， 用來(lái)監(jiān)測(cè)選煤設(shè)備各部分的振動(dòng)及溫度狀態(tài). 連接無(wú)線(xiàn)接收模塊， 打開(kāi)上位機(jī)， 在機(jī)械設(shè)備停機(jī)時(shí)， 觀(guān)察上位機(jī)界面， 記錄各節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài).

圖 6 各節(jié)點(diǎn)安裝位置Fig.6 Installation location of each node

啟動(dòng)機(jī)器， 使多節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)高功率密度微納振動(dòng)能量收集系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間， 觀(guān)察上位機(jī)界面， 記錄各節(jié)點(diǎn)返回?cái)?shù)據(jù). 上位機(jī)可顯示各節(jié)點(diǎn)的溫度、 加速度、 電量信息， 接收到的數(shù)據(jù)如圖 7 所示.

圖 7 上位機(jī)接收數(shù)據(jù)結(jié)果Fig.7 The data result received by host computer

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

電壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)如圖 8 所示. 從圖8中可以看出， 在工作狀態(tài)中， 系統(tǒng)會(huì)根據(jù)電池電壓情況自動(dòng)選擇工作的電池， 并對(duì)非工作狀態(tài)電池進(jìn)行充電.溫度采集曲線(xiàn)如圖 9 所示， 由圖可以看出， 機(jī)器在運(yùn)行過(guò)程中溫度基本穩(wěn)定， 節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的度數(shù)據(jù)符合實(shí)際情況.三軸加速度曲線(xiàn)如圖 10 所示， 由圖可以看出， 末煤脫泥篩和煤泥離心機(jī)的振動(dòng)方向主要集中在z軸方向(豎直方向)， 并且在該頻率下各節(jié)點(diǎn)能正常啟動(dòng)， 符合設(shè)計(jì)要求.

(a) 電池1

圖 9 各節(jié)點(diǎn)溫度曲線(xiàn)Fig.9 Temperature curve of each node

圖 10 節(jié)點(diǎn)1各軸加速度曲線(xiàn)Fig.10 The acceleration curve of each axis of node 1

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種摩擦-電磁-壓電復(fù)合振動(dòng)能量收集器， 可收集工業(yè)機(jī)械振動(dòng)能量， 并以此為核心構(gòu)建了無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)從而監(jiān)測(cè)選煤設(shè)備工作環(huán)境. 構(gòu)建了傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)， 采用雙節(jié)鋰電池充放電智能切換算法增加系統(tǒng)的續(xù)航能力， 并在選煤廠(chǎng)進(jìn)行了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試， 實(shí)驗(yàn)表明， 該系統(tǒng)可收集各類(lèi)選煤設(shè)備的機(jī)械能并實(shí)現(xiàn)對(duì)選煤設(shè)備工作環(huán)境中的振動(dòng)、 溫度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè). 如果選煤設(shè)備出現(xiàn)振動(dòng)或溫度信號(hào)異常， 上位機(jī)可以及時(shí)監(jiān)測(cè)， 從而預(yù)防事故的發(fā)生， 這對(duì)煤機(jī)裝備工況的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及煤炭工業(yè)智能化的實(shí)現(xiàn)具有重要意義.