新型MEMS压电微能源驱动的乳化液泵站ZigBee振动监测系统研究

燕　乐，陈东红，孔龄婕，张　鹏，王二伟，丑修建*

新型MEMS压电微能源驱动的乳化液泵站ZigBee振动监测系统研究

燕乐1，2，陈东红1，2，孔龄婕1，2，张鹏1，2，王二伟1，2，丑修建1，2*

（1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051；2.电子测试技术重点实验室，太原030051）

为确保矿用乳化液泵站安全运行，提出一种基于新型MEMS压电能量收集器的振动状态监测系统。器件为8悬臂梁-中心质量块结构，利用MEMS加工工艺制造，总体尺寸为7 000 μm×7 000 μm×400 μm；能源管理模块以LTC3331为核心设计，可稳定输出3.3 V直流电压；无线传感网络基于ZigBee技术构建，终端节点的振动加速度采样率控制在10 Hz。经振动台系统测试表明，微能源阵列输出电压最大可达1.47 V，系统供电稳定性较好；在30 m内节点具有良好的传输可靠性和实时性。

MEMS；监测系统；振动台系统测试；乳化液泵站；ZigBee

综合机械化采煤工艺是实现矿山高效生产的重要方式，乳化液泵站为综采工作面支护设备提供液压动力源，是实现采煤工作面高产高效的关键设备。然而，泵体长时间运行时伴随强烈振动，可能导致内部机械部件受损［1-2］。因此，有必要设计出一种对乳化液泵振动状态在线监测的系统，以便及时发现故障，避免安全隐患。本文提出了一种利用ZigBee技术构建的振动信号监测系统，可实现数据准确采集，稳定通信，实时监控功能。创新性地引入了一种新型无源式设计：采用新型MEMS压电振动微能源与单悬臂梁结构振动能量收集器复合，通过拾取乳化液泵的振动机械能为传感节点提供电能。该设计可以解决节点电池续航问题，降低维护人员工作量。

1　系统总体框架设计

考虑到采煤工作面环境较为复杂、射频信号传输能力较为有限等原因，选择网状拓扑结构构建Zig-Bee无线传感网络，网络包含3种逻辑节点：终端传感器节点、路由器节点、协调器节点［3］。终端传感器节点固定在乳化液泵体，由主控单元MSP430F5438控制采集加速度计ADXL345信号并向协调器传递数据；路由器节点可避开矿井障碍物安置，具有数据转发功能；协调器作为网络核心，负责组建网络供路由、终端节点加入，同时接收各节点信息，通过串口将信息实时地传输给监控中心，上位机界面显示数据波形图。系统结构原理图如图1所示。

收稿日期：2015-07-28修改日期：2015-09-03

图1　系统结构图

2　新型MEMS压电振动微能源结构及工作原理

本文采用的振动微能量收集单元采用MEMS加工工艺技术制造［4-5］。该微能源芯片设计为8悬臂梁-中心质量块结构，如图2所示。器件通过压电材料的正压电效应实现环境振动能量向电能转换：环境振动驱使中心质量块带动8根悬臂梁一起沿着芯片平面垂直方向谐振，导致每根悬臂梁表面PZT压电膜结构发生形变，薄膜内部产生电极化现象，在其上下电极表面会产生等量异号束缚电荷，从而产生电势差。

图2　MEMS微能源结构示意图

该新型MEMS压电振动能量收集器具有低频响应、高能量密度输出等特性，适用于低频段振动的矿用乳化液泵站设备。微结构工艺加工以硅材料作为衬底，使用Sol-Gel法［6］制备PZT压电薄膜层，结合光刻、湿法/干法刻蚀、磁控溅射等MEMS加工工艺技术实现微能源芯片结构的制造。芯片结构尺寸非常小，易于应用中的阵列化集成。压电振动微能源结构尺寸见表1。

表1　MEMS微能源结构尺寸　单位：μm

由瑞利定律（Rayleigh's Method）推导可得8悬臂梁-中心质量块结构固有频率为：

式（1）中，l、w、h分别为悬臂梁的长度、宽度、厚度，m为中心质量块的质量，d为PZT压电厚膜层的厚度，E为弹性模量。

MEMS压电式振动微能源的输出功率表达式为：

式（2）中，ω为环境振动频率，ωn为无阻尼振动时的固有频率，ζm、ζe分别为结构的机械阻尼比和电致阻尼比。

3　终端节点硬件电路设计

本系统终端节点的硬件电路由自供电能源管理模块、加速度数据采集处理模块、ZigBee无线通信模块等电路构成［7］。终端节点电路原理图如图3所示。

图3　终端节点电路原理图

3.1自供电能源管理模块

为增大发电单元输出功率，自供电能源管理电路压电输入源由新型MEMS压电微能源芯片与单悬臂梁结构振动能量收集器Volture V21B复合形成压电单元阵列。

根据终端传感器节点的3.3 V供电需求，本文设计了基于LTC3331能源管理芯片的能源管理电路［8］。LTC3331内部集成了降压转换器与降压-升压转换器，具有微毫级能量采集器与并联电池充电器两种功能。芯片可通过内部输入优先级控制器对两种能量输入方式切换，电路模块工作原理为：乳化液泵运行时，压电单元阵列转换泵体振动机械能为电能，当累积的电压达到欠压闭锁上升阈值时，降压转换器启动将采集能量直接转换为3.3 V直流电输出，同时向锂电池中充电；当电压损耗直至低于欠压闭锁下降阈值时，降压-升压转换器激活电池供电模式。

3.2加速度数据采集处理模块

终端节点数据采集处理模块由MCU单元和加速度计及其外围电路构成。MSP430F5438型单片机是一款16 bit超低功耗的MCU，具有256 kbyte闪存、16 kbyte RAM、12 bit ADC、4个USCI，片内外设资源丰富。传感器采用ADXL345低功耗三轴数字式加速度计，最大量程可达±16 gn，其4 mg/LSB高精度，能够测量仅为0.25°的倾角变化。

MSP430F5438的通用串行接口（USCI）模块利用两线式I2C串行总线为MSP430和I2C兼容设备提供了一个互联接口，系统数据采集处理模块采用I2C通信方式。传感器SCL、SDA引脚配置为数据信号端口、时钟信号端口，并接上拉电阻RP1、RP2拉高至VDD I/O。通过软件控制，单片机可定时采集振动加速度数据，并通过I2C总线传递至MSP430F5438数据缓存区。

3.3ZigBee无线通信模块

ZigBee技术复杂度低、抗干扰能力强、功耗低，适用于矿井无线传感网络系统。本文ZigBee无线通信模块基于射频收发芯片CC2520进行设计［9-10］。CC2520工作频段在2.4 GHz的ISM频段，射频性能优秀，功耗低，具有高达250 kbit/s的无线数据传输速度。

单片机与CC2520利用四线式SPI方式实现数据通信。可实现采集数据从MSP430单片机数据缓冲区向CC2520数据发送缓冲区的传输。除了配置4路SPI信号端口，CC2520 I/O引脚GPIO［0-5］连接MSP430单片机P1端口相应引脚，对GPIOCTRLn、GPIOPOLARITYn等寄存器配置可实现数据传输模式TX FIFO、RX FIFO控制、帧处理控制等功能。除此之外，软件对RESETn、VREG_EN两路信号配置可使射频电路进入不同级别低功耗模式。

4　系统软件设计

本监测系统软件设计规范基于TI公司推出的ZigBee PRO/2007协议栈Z-Stack-EXP5438，该规范以分层思想为基础，为MSP430F5438系列芯片提供ZigBee无线方案设计平台［11］。本文针对无线传感网络终端节点与协调器分别进行了软件设计。

4.1终端节点软件设计

终端节点软件以低功耗设计为主线，加速度计采集过程采用外部定时器中断进行控制，乳化液泵静止时加速度计进入休眠模式。终端节点程序流程如图4所示。

图4　终端节点程序流程图

当终端节点设备加入网络后，加速度计开始工作状态检测。如果检测到振动，单片机内部定时器每隔100 ms产生一次中断，以10 Hz的采样率采集振动加速度。三轴加速度数据经ZigBee协议栈调用数据包处理函数后放入发送数据缓冲区，然后调用数据发送函数再发送数据至协调器或路由器。如果设备振动停止，ADXL345进入自动休眠模式，直到有振动响应自动唤醒。

4.2协调器软件设计

协调器节点是ZigBee网络的核心，负责组建网络，协调器为申请加入网络的节点分配网络号，建立连接。若有数据发送到协调器时，协调器即调用数据接收函数周期性接收传感器数据，然后将数据经串口上传至监控平台。协调器程序流程如图5所示。

图5　协调器程序流程图

5　系统监测中心平台设计

本系统监控中心平台上位机程序使用Visual Basic语言编写。通过调用串口控件，可以接收协调器节点串口上传的传感器数据。上位机程序为3个轴向分别设置报警加速度值，该报警值可以根据乳化液泵的具体需求而在界面中进行配置。监控中心上位机界面如图6所示。

图6　监测中心上位机界面

6　振动台系统模拟测试

搭建基于环境模拟振动台的测试系统对终端传感器节点进行测试，振动台测试系统主要由振动台、信号发生器、功率放大器、标准加速度传感器、待测终端节点、示波器等组成，如图7所示为该振动台测试系统图。该系统可验证待测节点的自供电能力、数据传输可靠性和实时性。

图7　振动台测试系统

本文对新型MEMS结构发电单元开路输出电压进行了扫频测试，为模拟乳化液泵真实工作环境，为振动台加载1 gn（1 gn=9.8 m/s2）加速度，测得在10 Hz～100 Hz扫频过程中发电单元输出电压与振动频率变化如图8所示。

图8　MEMS微能源输出电压与振动频率关系

测试结果可得：MEMS微能源谐振频率为41 Hz，该频率下输出的开路交流电压峰峰值最大，为86.94 mV。MEMS微能源阵列（4×4）经测试最大输出电压可达1.47 V。由于前期测得单悬臂梁结构微能量收集器的在8 Hz～300 kHz的振动频率范围内，微能源的开路输出电压范围为0.124 V～13.204 V，所以复合压电单元振动输出电压值满足自供电能源管理模块的输入要求（3 V～19 V）。

利用点对点通信方式对ZigBee无线传输可靠性与实时性进行振动台模拟测试：发送节点位于振动台上，测试不同距离的接收节点收到信号的平均响应时间；使用网络数据分析工具Packet Sniffer监测实际接收数据包数进而统计无线数据传输成功率［12］。测试结果如图9所示。

图9　通信平均响应时间与节点距离关系

从图中曲线可以看出，随着ZigBee节点间距离的增大，接收节点的平均响应时间将逐渐增加，数据传输成功率将逐渐降低。通信距离＜30 m时，平均响应时间＜2 s，无线传输成功率接近100%，此距离范围内节点之间能够可靠传输数据，并具备良好的实时监测性能。

7　总结

经振动台系统模拟乳化液泵站工作环境测试表明：基于新型结构MEMS压电微能源驱动的乳化液泵站振动监测系统能稳定收集环境振动能量为终端节点提供电能，在有效传输距离内实现在线监测功能。本文为MEMS微能源技术在ZigBee无线传感网络中的应用提供了可行方案，然而为了增强发电能力，供电单元采用体积较大的单悬臂梁PZT压电片与MEMS微能源进行复合。为提升MEMS微能源的单独供电能力，优化器件基础结构，提高能量转化效率是下一步研究的关键。

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燕乐（1991-），男，汉族，山西运城人，硕士研究生，现就读于中北大学仪器与电子学院，研究方向为智能微纳器件应用，986217986@qq.com；

丑修建（1979-），男，汉族，湖北咸宁人，中北大学，教授，同济大学博士，研究方向为智能微纳器件与系统领域基础科学问题和关键技术研究，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