基于無線傳感器的采礦機械自供電監測系統設計

肖 軍，張倩昀

（西安航空學院電子工程學院，陜西西安710077）

基于無線傳感器的采礦機械自供電監測系統設計

肖 軍，張倩昀

（西安航空學院電子工程學院，陜西西安710077）

在人類不斷進步、經濟不斷發展過程中，礦產資源一直是支持人們生存和發展的重要物質基礎。在對礦產資源進行開采的過程中，則需要利用相應的機械設備來進行實際操作，其機械化水平直接影響了礦產資源的開采進度。對于目前的礦產開采設備來說，普遍屬于旋轉類設備，在實際工作的過程中，非常容易受到礦產開采環境的影響，導致機械設備出現不同程度的故障，其主要故障類型為溫度異常和震動狀態變化。在這樣的情況下，需要對采礦機械自供電監測系統進行無線終端設計，以此來提高采礦設備的整體機械化水平。

采礦機械；無線傳感器；無線通信技術

1 前言

在實際的礦產資源開采過程中，其工作環境較為惡劣，采礦機械設備在煤塵水霧和巖石的雙重環境影響下，設備中的軸承和液壓系統非常容易出現相應的故障，這些故障主要出現在掘進機和提升機等旋轉類機械設備當中，故障的主要表現為軸向對位不準、摩擦環境變化和機械構件磨損嚴重，在設備的旋轉部件出現故障的情況下，礦井的生產系統將會在一定程度上受到影響，并且這樣的故障還會引發二次損傷和工傷事故等安全問題，對企業的經濟效益造成巨大影響。針對此種情況，需要結合采礦機械在線狀態監測系統的實際技術要求，對采礦機械的在線狀態進行實時監測，該監測系統的設計能夠使無線傳感器網絡終端設備對采礦機械監測部位的溫度信息和振動情況進行采集、分析和傳輸［1］。

2 自供電技術的研究現狀

自供電系統就是將傳感器節點中所接觸的實際工作環境中其他形式的能量進行采集并將其轉化為電能的系統，一般情況下，其他形式的能量包括風能、光能、熱能和機械能，將它們轉化為電能，就能夠為整個系統進行供電，在整個自供電系統當中，必須包括能量采集單元和能量管理單元。

振動能量采集主要涉及到機械、電氣和材料等領域多方面的研究，目前我國也開始對環境中所存在的各種能量的采集技術開展了研究，這樣的研究還處于初級階段，較為成熟的能量采集器為納米發電機研究領域的不同結構的新型摩擦發電的納米能量采集器，這種新型采集器的輸出功率較高，一般情況下可以達到54mW／cm［3］。

2.2 能源管理方面的研究

在對能量進行采集之后，需要對其進行儲存和管理，以此來保證能量能夠被有效利用，在此過程中，能量的儲存元件根據儲存方式的不同，也會發生不同的變化。針對能源管理方面的研究，主要體現在這樣幾個方面：首先是2009年設計的一種結合光伏和溫差電池的混合式能量采集裝置，其中的能量儲存元件為鋰電池和超級電容，并且在實際應用的過程中具有較低的能耗。其次是在2010年的時候，我國開始對基于傳感器系統的能量收集和管理技術進行研究，這樣的能量收集管理技術被應用到各種不同的領域和范圍中。目前，美國開始對高性能的LTC系列新型壓電式能量管理芯片進行研究，針對其中的LTC3331來說，這種能量管理芯片的內部集成中有一個高壓能量收集器來對能量采集模塊所收集的能量進行轉化，再通過電池充電器將能量儲存到可充電電池當中，再采用DC轉換器來在電池供電的過程中對電量進行調節，這種芯片能夠對傳感器和相關設備提供穩定的電量［2］。

3 采礦機械監測系統整體設計方案和關鍵技術

3.1 監測系統的設計方案

此監測系統主要是對采礦機械的在線狀態進行實時監測，一般情況下，對于采礦機械來說，其中最容易損壞的部位為軸承和風扇等旋轉設備，如果這些設備發生故障，往往會造成安全事故和生產問題的出現，造成巨大的經濟損失。針對這樣的實際情況，需要重點對機械構件的溫度和振動狀態進行在線狀態監測，以此來發現其中所存在的安全隱患，結合井下作業的的實際環節和采礦機械的實際工作特點，需要此監測系統滿足以下幾種功能：①需要具有短距離和高性能的無線監測功能，來穩定地對采礦機械進行實時監測。②能夠對采礦機械關鍵部位的溫度和振動信息數據進行收集。③結合井下工作的實際環境特點，需要此監測系統具有體積小、能耗低的特點。④監測系統中的終端節點能夠對機械振動進行采集，并且轉化為穩定的電能來供節點使用。采礦機械在線檢測系統的主要構成為終端節點、路由節點、協調器和監控中心，其主要工作模式是在采礦機械的關鍵位置安裝無線傳感器網絡終端節點，對采礦機械的實時狀態信息進行收集，然后通過無線短距離通信的方式將所收集到的信息傳遞到協調器網絡節點，節點與監控中心的上位機進行連接，這樣管理人員就能夠及時地對采礦機械的實時狀態進行掌握［3］。

3.2 自供電系統的設計

自供電系統是將采礦機械工作時產生的振動能量進行收集，并且將其轉化為電能，以此來解決對WSN中終端節點的供電問題，在對此系統進行設計的過程中，需要解決振動能量的采集和對采集能量的管理和轉化，具體技術方案體現在以下幾個方面。

3.2.1 振動能量采集技術

基層醫療機構因發展空間、薪酬待遇、地理環境等特點難以吸引醫學畢業生從事基層醫療工作，相關研究表明，只有五分之一的醫學生愿意從事基層醫療[22]。關于免費醫學生職業發展、專業認同影響因素也逐漸被研究者重視。有研究表明，生命意義感對免費醫學生專業承諾存在影響[23]，也有觀點認為“從事基層醫療工作者工資高”、“不履約者記錄誠信檔案”對免費醫學生留任基層醫療工作存在影響[24]，也有教育者通過開設職業生涯規劃課程，幫助免費醫學生設計適宜的職業發展目標，對提升免費醫學生專業認同取得較好的干預效果[25]。但目前這方面的研究還較為匱乏，未來還需進一步加強。

對于振動能量采集技術來說，目前具有多種形式的方法，并且這些方法在實際應用中都取得了較好的成效，其主要工作原理有下面三種。一是壓電式振動能量采集，這種電能采集方法主要是通過壓電材料的正壓電效應將采礦機械工作中所產生的振動能理轉換為電能，其工作原理是當壓電材料受到強烈振動的情況下，其內部會發生極化現象，相對的兩塊壓電材料上會出現兩種相反的電荷，這種形式的電荷會成為電源的正負極，以此形成電流，來對設備進行供電，目前，壓電式振動能量采集技術的發展前景較為廣闊。二是電磁式振動能量采集，這種技術的主要工作原理是建立在電磁感應定律上來實現的，在振動的環境當中，閉合回路能夠連續做出切割磁感線的運動，在此過程中，線圈的磁通量大小會改變，從而產生感應電動勢，以此來獲得電能，這種形式的能量采集發電方式較為成熟，其主要特點是輸出電壓較高，電能的應用較為穩定。三是靜電式振動能量采集，這種能量采集發電方式所采用的結構較為簡單，一般是由兩塊大小不同的電容而組成，在振動的環境當中，兩塊電容能夠在振動的情況下做功，使電容之間的間距相對面積發生變化，這樣兩塊電容板上就會出現正負極的電荷變化，當電容中所儲存的電荷量發生變化的情況下，電壓就會由此產生，在對這些電壓進行管理調整之后就能夠對其進行實際應用了。

3.2.2 能源管理方法

由于采礦機械的實際工作情況較為復雜，所要采集的機械振動也較為微弱，這種無規律的能量不能為相應的模塊或者器件進行穩定的充電，這就需要與相應的電源管理和具有儲存功能的電路進行相互結合，來實現穩定的能量供給，一般情況下，這種電源管理電路包括能量轉換、能量儲存和實時監測等功能。

3.2.2.1 首先是能量轉換

能量轉換主要是將能量采集器中采集到的無規律和較為微弱的能量進行轉換，使其主要形態更加穩定和規律，滿足實際供電的要求。

3.2.2.2 能量儲存

一般情況下可以選擇電容器或者充電電池來對能量進行儲存，儲存器件視供電對象的實際需求來確定，就目前的情況來看，應用較為廣泛的儲能元件為超級電容器。

3.2.2.3 路徑管理

路徑管理主要是對系統能量的存儲和供應進行管理，根據電能供應元件的實際特點和需求，對所供給能量的大小進行調節，以此來減少其中能量的損耗和浪費。

3.2.2.4 電池監測

如果能量儲存模塊為可充電電池，就需要對電池的充放電過程進行實時監測，以確保其過程的穩定程度，預防由于電池的充放電過度而產生相應的故障，這樣能夠有效提高充電電池和終端節點的實際使用壽命。

3.3 短距離無線通信技術

為了確保所采集到的信息數據能夠及時準確的傳達到監控中心，需要結合實際的工作環節特點，來選擇合適的無線傳輸方法和通信協議，一般情況下，短距離無線通信技術的有效范圍需要保持在10m以內，并且需要保證信號傳輸的穩定性和可靠性。針對無線通信技術來說，目前應用較為廣泛的有Zig－Bee、WiFi、寬帶和藍牙，這些無線通信技術都有各自的特點，在對其通信半徑、功耗、頻段、安全性、傳輸速率和應用領域進行了解和比較，發現ZigBee技術具有較大的應用優勢，其主要優勢體現在這幾個方面：首先是功耗較低，根據采礦機械的實際工作環節特點，可以確定其實際通信距離較近，傳輸的數據較少，并且根據所供電設備的實際供電情況，可以對設備進行相應的控制，這樣能夠有效減少電池的更換頻率。其次是成本較低，ZigBee技術的結構設計較為簡單，用戶在使用的過程中不需要支付額外的專利使用費，并且這種技術對實際的儲存能力和計算能力要求較低，整體成本較低。在網絡容量較大時，理論上來說，一個ZigBee設備能夠連接255個子節點，并且在一個區域當中能夠保證一定數量的網絡保持良好的通信質量，具有較高的可靠程度，如果處于協調器相互連接的情況，這樣的網絡將具有非常可觀的子節點數量。從這樣的情況來看，ZigBee技術屬于一種低功耗、近距離、低成本的無線雙向通信技術，適用于采礦機械的實際工作環境，而其中的數據傳輸類型主要包括周期性數據、間歇性數據和重復反應時間數據，另外在調頻技術的支持下，能夠實現對設備的自動化控制，所以說這樣的技術在工業監測當中具有較為廣泛的應用［4］。

在將這三種技術應用到設計當中之后，需要對其終端節點設備進行設計，一般情況下，其終端節點設備應該具有小型化、低功率、可靠性高和擴展性強的特點，其主要結構示意圖如圖1所示。

圖1 采礦機械自供電無線監測系統終端框圖

4 結束語

結合采礦機械的實際工作環節，對采礦機械監測系統、自供電系統和無線信息傳輸系統進行了相應的設計，并且根據實際情況選擇了更加適用的無線網絡傳輸技術，以此來保證無線終端設計的有效性和可靠性。

［1］魏明明.面向采煤機械自供電監測系統的無線終端設計［D］.中北大學，2016.

［2］程偉臻.輸電線路大型機械入侵視頻監測報警系統的設計與實現［D］.上海機電學院，2015.

［3］燕樂.煤機裝備診斷自供電無線傳感器網絡系統的設計與研究［D］.中北大學，2016.

［4］陸建國.凡口鉛鋅礦采礦供電系統諧波分析及治理［J］.礦山機械，2008（20）：22－25.

Design of self－powered monitoring system for mining machinery based on wireless sensor

XIAO Jun，ZHANG Qian－yun
（School of Electronic Engineering，Xi＇an Aeronautical University，Xi＇an 710077，China）

In the development process of human progress and economy，the mineral resources are the material basis of people＇s survival and development.In the exploitation process of the mineral resources，it is needed to use the actual operation of the machinery equipment，and the mechanization level directly affects the exploitation progress of the mineral resources.For the current mining equipments in the actual working process，most of them are easily influenced by the environment of the mineral exploitation which result the occurring of the failure of the mechanical equipments with different degrees and different types，and the main faulty types are the temperature abnormal and the vibration state change.Under such circumstances，it is necessary to design the wireless terminal of the self monitoring system of mining machinery in order to improve the overall mechanization level of mining equipment.

mining machinery；wireless sensor；wireless communication technology

TP212.9

：B

1005—7277（2017）01—0044—03

肖 軍（1981－），男，陜西西安人，碩士研究生，講師，主要研究方向為嵌入式系統的開發及應用。

2016－09－02