以振動能量轉(zhuǎn)化為供電策略的無線礦山粉塵監(jiān)測系統(tǒng)

葛占嶺， 安然然， 李 莉

(沈陽化工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

礦石從開采到生成成品過程中會產(chǎn)生大量的粉塵，粉塵中含有多種有毒成分，如鉻、錳等[1]，既污染環(huán)境，又極易危害工人健康，因此對礦區(qū)粉塵監(jiān)測治理工作變得十分重要.國內(nèi)外學(xué)者對此做了大量研究工作.Valdo Henriques[2]等人建立了完整的模塊化礦山安全系統(tǒng)，使用組合的機(jī)械硬件、電子硬件和具體軟件.該系統(tǒng)使用ZigBee通信協(xié)議在礦山環(huán)境中相互傳輸兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)表明：溫度、濕度、氣流和噪音傳感器測量精度分別為89.01 %、98.55 %、90.5 %和89.53 %；分辨率分別為0.105 ℃、0.12 %RH、0.05 m/s和0.23 dB SPL.Xu[3]等人提出制造業(yè)工人健康監(jiān)測和管理五層架構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了環(huán)境數(shù)據(jù)處理，物理狀況監(jiān)控及系統(tǒng)服務(wù)和管理功能，最后，從不利工作條件下對制造業(yè)工人的保險(xiǎn)和賠償角度進(jìn)行評估和分析.王嬌[4]以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為信息通信基礎(chǔ)，構(gòu)建一個(gè)粉塵濃度測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地測定封閉空間內(nèi)粉塵濃度信息.文章還進(jìn)行了粉塵濃度分布的數(shù)值模擬和系統(tǒng)測試.

由于實(shí)際監(jiān)測工作中各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的位置不同，且監(jiān)測點(diǎn)之間距離差異明顯.在傳統(tǒng)的有線傳輸方式中，雖然技術(shù)上簡易方便但布線繁瑣，成本昂貴.采用無線方式傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，可以省去電纜線，降低成本，而且傳輸距離長，范圍廣.但是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要有供電系統(tǒng)，常用方法是使用電池供電，雖然使用方便但生命周期短，在一些特殊地點(diǎn)，如礦粉管道會貫通大型的構(gòu)筑物，使無線粉塵監(jiān)測傳感器的電池更換十分困難.為解決這一問題，本文提出一種利用壓電梁收集振動能量進(jìn)行自供電的電源系統(tǒng)，為無線礦山粉塵監(jiān)測系統(tǒng)提供電源保障.

1 礦山粉塵監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成

礦山粉塵監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示.系統(tǒng)由子節(jié)點(diǎn)、主機(jī)、上位機(jī)和下位機(jī)構(gòu)成.子節(jié)點(diǎn)由粉塵檢測傳感器、微控制器、電源系統(tǒng)和無線通信模塊組成.子節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)粉塵濃度監(jiān)測并把監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線方式傳送給相應(yīng)的主機(jī).主機(jī)包括微控制器和無線通信模塊兩部分，負(fù)責(zé)匯總并傳輸各子節(jié)點(diǎn)的粉塵濃度信息.上位機(jī)接收主機(jī)的匯總信息，對數(shù)據(jù)處理后以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和地圖報(bào)警模式顯示，并對顯示報(bào)警的子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，將控制信息發(fā)送給對應(yīng)的下位機(jī)，下位機(jī)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的降塵措施.簡言之，礦山粉塵檢測系統(tǒng)是通過上位機(jī)顯示由各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到的粉塵濃度信息，分析數(shù)據(jù)得到控制信息，輸送相應(yīng)的控制信息給下位機(jī).

圖1 礦山粉塵監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.1 The composition of mine dust monitoring system

2 礦山粉塵監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控單片機(jī)

主機(jī)使用高性能MCU(Microcontroller Unit微控制單元)STM32F103R6.STM32F103R6芯片的最高頻率是72 MHz，6個(gè)定時(shí)器可以滿足主機(jī)定時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)的要求，32 kB的閃存可以滿足轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的緩存.主機(jī)的MCU對各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行匯總并傳送給上位機(jī)處理.子節(jié)點(diǎn)使用低功耗MCU(STM8S).STM8S芯片的最高頻率是16 MHz，8 kB的閃存存儲采集到的濃度信息，低功耗的模式使能量收集電路產(chǎn)生的電能可以滿足芯片需求.STM8S采集粉塵濃度信息，然后利用無線通信模塊將粉塵濃度信息發(fā)給主機(jī).

2.2 粉塵傳感器的監(jiān)測電路

無線粉塵監(jiān)測傳感器使用DSM501A灰塵傳感器產(chǎn)生脈沖信號.DSM501A灰塵傳感器是韓國SYHITECH專利產(chǎn)品，采用離子計(jì)數(shù)原理，可靈敏監(jiān)測到直徑1μm以上的粒子，內(nèi)置加熱器可實(shí)現(xiàn)自動吸入空氣，且其尺寸小質(zhì)量輕且易于安裝使用.

DSM501A共有5個(gè)引腳，其中3腳接5 V電源，5腳接地，輸出腳為2腳和4腳，區(qū)別在于2腳的粒子監(jiān)測最小值為1 μm，而4腳的監(jiān)測最小值為2.5 μm，1腳作為控制腳，外接電阻調(diào)節(jié)4腳的靈敏度. DSM501A的工作電壓(5±0.5) V，最大工作電流90 mA.當(dāng)監(jiān)測到1 μm以上粒子時(shí)，會輸出0.7 V左右的低電平；沒有粒子時(shí)，輸出4.5 V左右的高電平.通過低脈沖率可計(jì)算出當(dāng)前空氣中的粒子數(shù)目[5]，輸出波形如圖2所示.從圖2可以看出：DSM501A輸出PWM波的最高電壓為4.5 V，而STM32微控制器的最大輸入電壓為3.6 V，因此PWM波不能直接輸入到STM32微控制器，必須經(jīng)過降壓電路處理，這里使用如圖3所示的經(jīng)典運(yùn)放降壓電路進(jìn)行降壓處理.

圖2 DSM501A輸出波形Fig.2 Output waveform of DSM501A

圖3 運(yùn)放降壓電路Fig.3 Operational amplifier step-down circuit

如圖3所示：OP77AP為運(yùn)算放大器；輸入信號是指DSM501A輸出的信號，將滑動變阻器處的電壓調(diào)整為4.5V.當(dāng)DSM501A信號為4.5 V時(shí)信號輸出端輸出3.6 V；當(dāng)DSM501A信號為0.7 V時(shí)信號輸出端輸出0 V，完成了對DSM501A信號的降壓處理.

2.3 粉塵傳感器的無線通信模塊

YL-800T是一款體積小、高性能、通信距離遠(yuǎn)的小功率(100 mW )串口無線數(shù)據(jù)傳輸模塊.其基于SX1278無線方案，LoRa 擴(kuò)頻跳頻技術(shù)，采用DSSS 調(diào)制方式.且其內(nèi)部有自動擴(kuò)頻計(jì)算和前導(dǎo)CRC糾錯(cuò)處理功能.模塊的射頻芯片基于擴(kuò)頻跳頻技術(shù)，在穩(wěn)定性、抗干擾能力以及接收靈敏度上都超越現(xiàn)有的GFSK模塊.配置低功耗高速處理器，數(shù)據(jù)處理能力、運(yùn)算速度均有所提高[6].主機(jī)使用STM32，連接YL-800T傳感器，完成粉塵數(shù)據(jù)的收發(fā)過程.連接電路如圖4所示.

圖4 YL-800T與單片機(jī)接口連接電路Fig.4 Interface diagram between YL-800T and singlechip micro computer

YL-800T傳感器的SET引腳連接STM32單片機(jī)的PC5引腳，在中心模式和節(jié)點(diǎn)模式下，通過STM32單片機(jī)設(shè)置其為低電平，此時(shí)單片機(jī)可以快速處理傳感器信息.YL-800T傳感器的AUX引腳連接STM32單片機(jī)的PC4，主要功能是用于喚醒粉塵傳感器設(shè)備.YL-800T傳感器的EN引腳連接STM32單處機(jī)的PA4，單片機(jī)設(shè)置其為低電平時(shí)YL-800T傳感器開始工作，為高電平時(shí)YL-800T傳感器進(jìn)行休眠.YL-800T傳感器的RXD引腳連接STM32單片機(jī)的PA9(USART1_TX)，可以讓YL-800T接受STM32單片機(jī)發(fā)送來的信息.YL-800T傳感器的TXD引腳連接STM32單片機(jī)的PA10(USART1_RX)，可以實(shí)現(xiàn)YL-800T向STM32單片機(jī)發(fā)送信息的功能，VCC和GND分別連接電源正極和負(fù)極.發(fā)射模式下在開闊地可視直線距離達(dá)3～5 km，在接收模式下待機(jī)功耗最低平均可以做到20 μA.使用星形結(jié)構(gòu)傳輸方式，主機(jī)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對子節(jié)點(diǎn)傳感器監(jiān)測的粉塵濃度信息進(jìn)行接收，將粉塵濃度信息傳送給上位機(jī).YL-800T發(fā)射數(shù)據(jù)格式為：設(shè)備號+起始位+傳輸信息+校驗(yàn)位+結(jié)束位.主機(jī)傳送信息的格式為：設(shè)備號+起始位+各個(gè)子節(jié)點(diǎn)濃度信息+校驗(yàn)位+結(jié)束位.設(shè)備號中包含各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的位置信息，方便上位機(jī)繪制各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)總分布圖；起始位、校驗(yàn)位和結(jié)束位使數(shù)據(jù)傳輸更加準(zhǔn)確；傳輸信息中包含粉塵濃度信息.

3 礦山粉塵監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件使用VB進(jìn)行上位機(jī)設(shè)計(jì)，通過VB對數(shù)據(jù)匯總處理、數(shù)據(jù)庫存儲和顯示，完成上位機(jī)與下位機(jī)數(shù)據(jù)的通訊以及控制指令的下發(fā).流程如圖5所示.

圖5 上位機(jī)數(shù)據(jù)處理流程Fig.5 Data processing flow chart of upper computer

通過檢測界面可看到采集到的粉塵濃度在檢測過程中有一定的波動，系統(tǒng)對其取平均值后將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫.VB上位機(jī)的顯示有兩種模式：實(shí)時(shí)曲線模式和地圖報(bào)警模式.實(shí)時(shí)曲線模式是指每一個(gè)子節(jié)點(diǎn)的濃度數(shù)值都由實(shí)時(shí)曲線形式顯示；地圖報(bào)警模式是指各個(gè)子節(jié)點(diǎn)在地圖上以空心點(diǎn)的形式顯示，當(dāng)濃度超過一定值時(shí)，這個(gè)空心點(diǎn)會實(shí)時(shí)地被填充成紅色.與此同時(shí)上位機(jī)傳輸控制信息給下位機(jī)，在警報(bào)的子節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行一些降塵措施.VB運(yùn)行時(shí)的界面如圖6所示.

圖6中對礦區(qū)的3個(gè)監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行了粉塵濃度采樣，分別命名為監(jiān)控點(diǎn)1、監(jiān)控點(diǎn)2和監(jiān)控點(diǎn)3.此3點(diǎn)在地圖報(bào)警模式中分別用圓形、正方形和橢圓表示；在實(shí)時(shí)曲線模式中分別用黑色實(shí)線、藍(lán)色實(shí)線和粉色實(shí)線表示.在實(shí)時(shí)曲線模式圖可以發(fā)現(xiàn)監(jiān)控點(diǎn)3的粉塵濃度值超過了8.75 g/m3的標(biāo)準(zhǔn)，于此同時(shí)在地圖報(bào)警模式中監(jiān)控點(diǎn)3被填充為紅色達(dá)到報(bào)警的目的.

圖6 VB運(yùn)行界面Fig.6 Operation interface diagram of VB

4 礦山粉塵監(jiān)測系統(tǒng)的供電策略

4.1 能量收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

礦區(qū)的工業(yè)管道在工作時(shí)都會有很大的機(jī)械振動，可以收集這些振動能為無線粉塵監(jiān)測系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)模塊供電.能量收集系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)如圖7所示.能量收集系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)使用壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)，當(dāng)工業(yè)管道振動時(shí)帶動懸臂梁振動，懸臂梁的上下兩個(gè)截面貼有壓電陶瓷片，在懸臂梁的末端有一個(gè)質(zhì)量塊，可利用其本身的重力勢能增加懸臂梁的變形.懸臂梁的變形激發(fā)壓電陶瓷片的變形，由壓電效應(yīng)可產(chǎn)生交流電壓.但這些電能不能直接使用，壓電能量收集器產(chǎn)生的電能要進(jìn)行整流、DC-DC變換、充電控制，然后將變換后的電能存儲到電池[7].回收能量的電路有ESSH和SSDV技術(shù)[8].但這些技術(shù)存在一定的缺點(diǎn)，而且整個(gè)電路所占空間較大，與無線傳感器的小體積相互矛盾，所以本文選用LTC3588作為主要芯片構(gòu)建電路. LTC3588小體積的優(yōu)點(diǎn)充分發(fā)揮，且其高度集成的構(gòu)造結(jié)構(gòu)使無線傳感器在惡劣環(huán)境中使電路的穩(wěn)定性更高.

LTC3588包括集成化低損耗全波整流器和高效率集成遲滯降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器.具有一個(gè)寬遲滯窗口的超低靜態(tài)電流欠壓閉鎖模式(UVLO)，UVLO是指當(dāng)Vin的電壓增至高于降壓鎖定狀態(tài)的上升極限時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器可用而且從輸入電容充電轉(zhuǎn)化為輸出電容，一個(gè)寬的UVLO遲滯窗口被用，一個(gè)更低的極限電壓，大約高于選擇輸出電壓的300 mV，用來去阻止小回路在降壓轉(zhuǎn)化器的加電行為.當(dāng)輸入電容電壓耗盡低于UVLO下降極限時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器不可用，此時(shí)產(chǎn)生十分低的休眠電流[7].根據(jù)實(shí)際要求，設(shè)計(jì)電路如圖8所示.

圖7 能量收集系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)Fig.7 Physical structure of energy collection system

圖8 無線傳感器供電系統(tǒng)能量收集電路Fig.8 Energy collection circuit of wireless sensor power supply system

圖8中PZ1和PZ2分別接壓電片的正負(fù)兩極，壓電片振動產(chǎn)生的電能經(jīng)過LTC3588儲存到電容C1中.當(dāng)C1的電壓高于極限電壓時(shí)，C1由儲能電容變成放電電容，向電容C4充電，同時(shí)Pgood端變?yōu)楦唠娖剑硎灸芰渴占娐芬呀?jīng)準(zhǔn)備好為傳輸模塊供電.當(dāng)C1的電壓低于極限電壓時(shí)，C1由放電電容轉(zhuǎn)換成充電電容，Pgood端變?yōu)榈碗娖剑藭r(shí)無線傳感器也完成了一次的收發(fā)信息包的操作.

4.2 能量收集電路的仿真

LTC3588是由美國凌力爾特公司設(shè)計(jì)推出，同時(shí)提供了一個(gè)用于仿真的軟件LTspice Ⅳ，它是根據(jù)公司的實(shí)際設(shè)計(jì)將各個(gè)芯片的參數(shù)封裝在軟件里，能比較真實(shí)地仿真出電路的性能.由圖8所示的電路圖可以得到仿真圖形，如圖9所示.

圖9 無線傳感器供電系統(tǒng)能量收集電路仿真Fig.9 Power gathering circuit simulation of wireless sensor power supply system

圖9中V(n002)所表示的綠色線條是輸入交變電壓，它從0 V開始增長；V(n007)所表示的紅色線條為Pgood端由低電平變?yōu)楦唠娖剑籚(out)所表示的藍(lán)色線條為輸出端電壓，Pgood為高電平時(shí)輸出十分平穩(wěn).當(dāng)放電電容的電壓達(dá)到它的最低電壓極限時(shí)，Pgood端由高電平變?yōu)榈碗娖剑瑢?yīng)圖中1.45 s的紅色線條，此時(shí)整個(gè)能量收集電路處于休眠狀態(tài)，蓄能電容開始儲存電荷，等待電壓達(dá)到要求進(jìn)行下一次放電[9].輸出電壓端穩(wěn)定的高電平持續(xù)時(shí)間大約是1 s，電壓是3.6 V左右.控制芯片使用Stop模式，3.6 V的電壓足夠喚醒它，1 s的時(shí)間對于發(fā)送數(shù)據(jù)有點(diǎn)緊張，但是經(jīng)過多次對電池充電可以解決這個(gè)問題.

能量收集系統(tǒng)使用LTC3588對礦山除塵管道振動能量進(jìn)行收集，然后為可充電電池充電.由于能量收集所得的能量不足以持續(xù)完成數(shù)據(jù)的收發(fā)工作，所以加一塊普通的電池配合它為無線粉塵傳感器供電完成無線粉塵監(jiān)測傳感器的數(shù)據(jù)傳輸.能量收集電源和備用電池的切換依據(jù)為子節(jié)點(diǎn)能量收集系統(tǒng)的可充電電池是否滿足需求，在能量收集電源不能滿足需要時(shí)，使用VBAT引腳將電源切換到備用電池上.這樣通過兩種電池的配合完成系統(tǒng)無線傳感器模塊的供電任務(wù)，延長了普通電池的使用壽命.

5 結(jié) 論

在硬件和軟件兩個(gè)方面設(shè)計(jì)了以振動能量轉(zhuǎn)化為供電策略的礦山粉塵監(jiān)測系統(tǒng).硬件方面實(shí)現(xiàn)了粉塵監(jiān)測電路、無線通信電路和能量收集電路.軟件方面主要包含粉塵濃度的數(shù)據(jù)處理模塊、可視化顯示模塊和控制模塊.通過仿真證明了能量收集的電能可以滿足芯片工作需求.這種振動能源綠色環(huán)保，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中大大減少了電池的更換次數(shù).無線的數(shù)據(jù)傳輸形式提高了系統(tǒng)的實(shí)用性，各個(gè)高性能芯片配合穩(wěn)定高效的通信協(xié)議使系統(tǒng)的可靠度提高，系統(tǒng)的綜合性能大大提高.