新型MEMS壓電微能源驅動的乳化液泵站ZigBee振動監測系統研究

燕　樂，陳東紅，孔齡婕，張　鵬，王二偉，丑修建*

新型MEMS壓電微能源驅動的乳化液泵站ZigBee振動監測系統研究

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.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051；2.電子測試技術重點實驗室，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監測系統。器件為8懸臂梁-中心質量塊結構，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為核心設計，可穩定輸出3.3 V直流電壓；無線傳感網絡基于ZigBee技術構建，終端節點的振動加速度采樣率控制在10 Hz。經振動臺系統測試表明，微能源陣列輸出電壓最大可達1.47 V，系統供電穩定性較好；在30 m內節點具有良好的傳輸可靠性和實時性。

MEMS；監測系統；振動臺系統測試；乳化液泵站；ZigBee

綜合機械化采煤工藝是實現礦山高效生產的重要方式，乳化液泵站為綜采工作面支護設備提供液壓動力源，是實現采煤工作面高產高效的關鍵設備。然而，泵體長時間運行時伴隨強烈振動，可能導致內部機械部件受損［1-2］。因此，有必要設計出一種對乳化液泵振動狀態在線監測的系統，以便及時發現故障，避免安全隱患。本文提出了一種利用ZigBee技術構建的振動信號監測系統，可實現數據準確采集，穩定通信，實時監控功能。創新性地引入了一種新型無源式設計：采用新型MEMS壓電振動微能源與單懸臂梁結構振動能量收集器復合，通過拾取乳化液泵的振動機械能為傳感節點提供電能。該設計可以解決節點電池續航問題，降低維護人員工作量。

1　系統總體框架設計

考慮到采煤工作面環境較為復雜、射頻信號傳輸能力較為有限等原因，選擇網狀拓撲結構構建Zig-Bee無線傳感網絡，網絡包含3種邏輯節點：終端傳感器節點、路由器節點、協調器節點［3］。終端傳感器節點固定在乳化液泵體，由主控單元MSP430F5438控制采集加速度計ADXL345信號并向協調器傳遞數據；路由器節點可避開礦井障礙物安置，具有數據轉發功能；協調器作為網絡核心，負責組建網絡供路由、終端節點加入，同時接收各節點信息，通過串口將信息實時地傳輸給監控中心，上位機界面顯示數據波形圖。系統結構原理圖如圖1所示。

收稿日期：2015-07-28修改日期：2015-09-03

圖1　系統結構圖

2　新型MEMS壓電振動微能源結構及工作原理

本文采用的振動微能量收集單元采用MEMS加工工藝技術制造［4-5］。該微能源芯片設計為8懸臂梁-中心質量塊結構，如圖2所示。器件通過壓電材料的正壓電效應實現環境振動能量向電能轉換：環境振動驅使中心質量塊帶動8根懸臂梁一起沿著芯片平面垂直方向諧振，導致每根懸臂梁表面PZT壓電膜結構發生形變，薄膜內部產生電極化現象，在其上下電極表面會產生等量異號束縛電荷，從而產生電勢差。

圖2　MEMS微能源結構示意圖

該新型MEMS壓電振動能量收集器具有低頻響應、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備。微結構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，結合光刻、濕法/干法刻蝕、磁控濺射等MEMS加工工藝技術實現微能源芯片結構的制造。芯片結構尺寸非常小，易于應用中的陣列化集成。壓電振動微能源結構尺寸見表1。

表1　MEMS微能源結構尺寸　單位：μm

由瑞利定律（Rayleigh's Method）推導可得8懸臂梁-中心質量塊結構固有頻率為：

式（1）中，l、w、h分別為懸臂梁的長度、寬度、厚度，m為中心質量塊的質量，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式為：

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

3　終端節點硬件電路設計

本系統終端節點的硬件電路由自供電能源管理模塊、加速度數據采集處理模塊、ZigBee無線通信模塊等電路構成［7］。終端節點電路原理圖如圖3所示。

圖3　終端節點電路原理圖

3.1自供電能源管理模塊

為增大發電單元輸出功率，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構振動能量收集器Volture V21B復合形成壓電單元陣列。

根據終端傳感器節點的3.3 V供電需求，本文設計了基于LTC3331能源管理芯片的能源管理電路［8］。LTC3331內部集成了降壓轉換器與降壓-升壓轉換器，具有微毫級能量采集器與并聯電池充電器兩種功能。芯片可通過內部輸入優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，壓電單元陣列轉換泵體振動機械能為電能，當累積的電壓達到欠壓閉鎖上升閾值時，降壓轉換器啟動將采集能量直接轉換為3.3 V直流電輸出，同時向鋰電池中充電；當電壓損耗直至低于欠壓閉鎖下降閾值時，降壓-升壓轉換器激活電池供電模式。

3.2加速度數據采集處理模塊

終端節點數據采集處理模塊由MCU單元和加速度計及其外圍電路構成。MSP430F5438型單片機是一款16 bit超低功耗的MCU，具有256 kbyte閃存、16 kbyte RAM、12 bit ADC、4個USCI，片內外設資源豐富。傳感器采用ADXL345低功耗三軸數字式加速度計，最大量程可達±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兼容設備提供了一個互聯接口，系統數據采集處理模塊采用I2C通信方式。傳感器SCL、SDA引腳配置為數據信號端口、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，單片機可定時采集振動加速度數據，并通過I2C總線傳遞至MSP430F5438數據緩存區。

3.3ZigBee無線通信模塊

ZigBee技術復雜度低、抗干擾能力強、功耗低，適用于礦井無線傳感網絡系統。本文ZigBee無線通信模塊基于射頻收發芯片CC2520進行設計［9-10］。CC2520工作頻段在2.4 GHz的ISM頻段，射頻性能優秀，功耗低，具有高達250 kbit/s的無線數據傳輸速度。

單片機與CC2520利用四線式SPI方式實現數據通信。可實現采集數據從MSP430單片機數據緩沖區向CC2520數據發送緩沖區的傳輸。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P1端口相應引腳，對GPIOCTRLn、GPIOPOLARITYn等寄存器配置可實現數據傳輸模式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入不同級別低功耗模式。

4　系統軟件設計

本監測系統軟件設計規范基于TI公司推出的ZigBee PRO/2007協議棧Z-Stack-EXP5438，該規范以分層思想為基礎，為MSP430F5438系列芯片提供ZigBee無線方案設計平臺［11］。本文針對無線傳感網絡終端節點與協調器分別進行了軟件設計。

4.1終端節點軟件設計

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

圖4　終端節點程序流程圖

當終端節點設備加入網絡后，加速度計開始工作狀態檢測。如果檢測到振動，單片機內部定時器每隔100 ms產生一次中斷，以10 Hz的采樣率采集振動加速度。三軸加速度數據經ZigBee協議棧調用數據包處理函數后放入發送數據緩沖區，然后調用數據發送函數再發送數據至協調器或路由器。如果設備振動停止，ADXL345進入自動休眠模式，直到有振動響應自動喚醒。

4.2協調器軟件設計

協調器節點是ZigBee網絡的核心，負責組建網絡，協調器為申請加入網絡的節點分配網絡號，建立連接。若有數據發送到協調器時，協調器即調用數據接收函數周期性接收傳感器數據，然后將數據經串口上傳至監控平臺。協調器程序流程如圖5所示。

圖5　協調器程序流程圖

5　系統監測中心平臺設計

本系統監控中心平臺上位機程序使用Visual Basic語言編寫。通過調用串口控件，可以接收協調器節點串口上傳的傳感器數據。上位機程序為3個軸向分別設置報警加速度值，該報警值可以根據乳化液泵的具體需求而在界面中進行配置。監控中心上位機界面如圖6所示。

圖6　監測中心上位機界面

6　振動臺系統模擬測試

搭建基于環境模擬振動臺的測試系統對終端傳感器節點進行測試，振動臺測試系統主要由振動臺、信號發生器、功率放大器、標準加速度傳感器、待測終端節點、示波器等組成，如圖7所示為該振動臺測試系統圖。該系統可驗證待測節點的自供電能力、數據傳輸可靠性和實時性。

圖7　振動臺測試系統

本文對新型MEMS結構發電單元開路輸出電壓進行了掃頻測試，為模擬乳化液泵真實工作環境，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系

測試結果可得：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）經測試最大輸出電壓可達1.47 V。由于前期測得單懸臂梁結構微能量收集器的在8 Hz～300 kHz的振動頻率范圍內，微能源的開路輸出電壓范圍為0.124 V～13.204 V，所以復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行振動臺模擬測試：發送節點位于振動臺上，測試不同距離的接收節點收到信號的平均響應時間；使用網絡數據分析工具Packet Sniffer監測實際接收數據包數進而統計無線數據傳輸成功率［12］。測試結果如圖9所示。

圖9　通信平均響應時間與節點距離關系

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

7　總結

經振動臺系統模擬乳化液泵站工作環境測試表明：基于新型結構MEMS壓電微能源驅動的乳化液泵站振動監測系統能穩定收集環境振動能量為終端節點提供電能，在有效傳輸距離內實現在線監測功能。本文為MEMS微能源技術在ZigBee無線傳感網絡中的應用提供了可行方案，然而為了增強發電能力，供電單元采用體積較大的單懸臂梁PZT壓電片與MEMS微能源進行復合。為提升MEMS微能源的單獨供電能力，優化器件基礎結構，提高能量轉化效率是下一步研究的關鍵。

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

丑修建（1979-），男，漢族，湖北咸寧人，中北大學，教授，同濟大學博士，研究方向為智能微納器件與系統領域基礎科學問題和關鍵技術研究，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