基于无线传感器的采矿机械自供电监测系统设计

肖 军，张倩昀

（西安航空学院电子工程学院，陕西西安710077）

基于无线传感器的采矿机械自供电监测系统设计

肖 军，张倩昀

（西安航空学院电子工程学院，陕西西安710077）

在人类不断进步、经济不断发展过程中，矿产资源一直是支持人们生存和发展的重要物质基础。在对矿产资源进行开采的过程中，则需要利用相应的机械设备来进行实际操作，其机械化水平直接影响了矿产资源的开采进度。对于目前的矿产开采设备来说，普遍属于旋转类设备，在实际工作的过程中，非常容易受到矿产开采环境的影响，导致机械设备出现不同程度的故障，其主要故障类型为温度异常和震动状态变化。在这样的情况下，需要对采矿机械自供电监测系统进行无线终端设计，以此来提高采矿设备的整体机械化水平。

采矿机械；无线传感器；无线通信技术

1 前言

在实际的矿产资源开采过程中，其工作环境较为恶劣，采矿机械设备在煤尘水雾和岩石的双重环境影响下，设备中的轴承和液压系统非常容易出现相应的故障，这些故障主要出现在掘进机和提升机等旋转类机械设备当中，故障的主要表现为轴向对位不准、摩擦环境变化和机械构件磨损严重，在设备的旋转部件出现故障的情况下，矿井的生产系统将会在一定程度上受到影响，并且这样的故障还会引发二次损伤和工伤事故等安全问题，对企业的经济效益造成巨大影响。针对此种情况，需要结合采矿机械在线状态监测系统的实际技术要求，对采矿机械的在线状态进行实时监测，该监测系统的设计能够使无线传感器网络终端设备对采矿机械监测部位的温度信息和振动情况进行采集、分析和传输［1］。

2 自供电技术的研究现状

自供电系统就是将传感器节点中所接触的实际工作环境中其他形式的能量进行采集并将其转化为电能的系统，一般情况下，其他形式的能量包括风能、光能、热能和机械能，将它们转化为电能，就能够为整个系统进行供电，在整个自供电系统当中，必须包括能量采集单元和能量管理单元。

振动能量采集主要涉及到机械、电气和材料等领域多方面的研究，目前我国也开始对环境中所存在的各种能量的采集技术开展了研究，这样的研究还处于初级阶段，较为成熟的能量采集器为纳米发电机研究领域的不同结构的新型摩擦发电的纳米能量采集器，这种新型采集器的输出功率较高，一般情况下可以达到54mW／cm［3］。

2.2 能源管理方面的研究

在对能量进行采集之后，需要对其进行储存和管理，以此来保证能量能够被有效利用，在此过程中，能量的储存元件根据储存方式的不同，也会发生不同的变化。针对能源管理方面的研究，主要体现在这样几个方面：首先是2009年设计的一种结合光伏和温差电池的混合式能量采集装置，其中的能量储存元件为锂电池和超级电容，并且在实际应用的过程中具有较低的能耗。其次是在2010年的时候，我国开始对基于传感器系统的能量收集和管理技术进行研究，这样的能量收集管理技术被应用到各种不同的领域和范围中。目前，美国开始对高性能的LTC系列新型压电式能量管理芯片进行研究，针对其中的LTC3331来说，这种能量管理芯片的内部集成中有一个高压能量收集器来对能量采集模块所收集的能量进行转化，再通过电池充电器将能量储存到可充电电池当中，再采用DC转换器来在电池供电的过程中对电量进行调节，这种芯片能够对传感器和相关设备提供稳定的电量［2］。

3 采矿机械监测系统整体设计方案和关键技术

3.1 监测系统的设计方案

此监测系统主要是对采矿机械的在线状态进行实时监测，一般情况下，对于采矿机械来说，其中最容易损坏的部位为轴承和风扇等旋转设备，如果这些设备发生故障，往往会造成安全事故和生产问题的出现，造成巨大的经济损失。针对这样的实际情况，需要重点对机械构件的温度和振动状态进行在线状态监测，以此来发现其中所存在的安全隐患，结合井下作业的的实际环节和采矿机械的实际工作特点，需要此监测系统满足以下几种功能：①需要具有短距离和高性能的无线监测功能，来稳定地对采矿机械进行实时监测。②能够对采矿机械关键部位的温度和振动信息数据进行收集。③结合井下工作的实际环境特点，需要此监测系统具有体积小、能耗低的特点。④监测系统中的终端节点能够对机械振动进行采集，并且转化为稳定的电能来供节点使用。采矿机械在线检测系统的主要构成为终端节点、路由节点、协调器和监控中心，其主要工作模式是在采矿机械的关键位置安装无线传感器网络终端节点，对采矿机械的实时状态信息进行收集，然后通过无线短距离通信的方式将所收集到的信息传递到协调器网络节点，节点与监控中心的上位机进行连接，这样管理人员就能够及时地对采矿机械的实时状态进行掌握［3］。

3.2 自供电系统的设计

自供电系统是将采矿机械工作时产生的振动能量进行收集，并且将其转化为电能，以此来解决对WSN中终端节点的供电问题，在对此系统进行设计的过程中，需要解决振动能量的采集和对采集能量的管理和转化，具体技术方案体现在以下几个方面。

3.2.1 振动能量采集技术

基层医疗机构因发展空间、薪酬待遇、地理环境等特点难以吸引医学毕业生从事基层医疗工作，相关研究表明，只有五分之一的医学生愿意从事基层医疗[22]。关于免费医学生职业发展、专业认同影响因素也逐渐被研究者重视。有研究表明，生命意义感对免费医学生专业承诺存在影响[23]，也有观点认为“从事基层医疗工作者工资高”、“不履约者记录诚信档案”对免费医学生留任基层医疗工作存在影响[24]，也有教育者通过开设职业生涯规划课程，帮助免费医学生设计适宜的职业发展目标，对提升免费医学生专业认同取得较好的干预效果[25]。但目前这方面的研究还较为匮乏，未来还需进一步加强。

对于振动能量采集技术来说，目前具有多种形式的方法，并且这些方法在实际应用中都取得了较好的成效，其主要工作原理有下面三种。一是压电式振动能量采集，这种电能采集方法主要是通过压电材料的正压电效应将采矿机械工作中所产生的振动能理转换为电能，其工作原理是当压电材料受到强烈振动的情况下，其内部会发生极化现象，相对的两块压电材料上会出现两种相反的电荷，这种形式的电荷会成为电源的正负极，以此形成电流，来对设备进行供电，目前，压电式振动能量采集技术的发展前景较为广阔。二是电磁式振动能量采集，这种技术的主要工作原理是建立在电磁感应定律上来实现的，在振动的环境当中，闭合回路能够连续做出切割磁感线的运动，在此过程中，线圈的磁通量大小会改变，从而产生感应电动势，以此来获得电能，这种形式的能量采集发电方式较为成熟，其主要特点是输出电压较高，电能的应用较为稳定。三是静电式振动能量采集，这种能量采集发电方式所采用的结构较为简单，一般是由两块大小不同的电容而组成，在振动的环境当中，两块电容能够在振动的情况下做功，使电容之间的间距相对面积发生变化，这样两块电容板上就会出现正负极的电荷变化，当电容中所储存的电荷量发生变化的情况下，电压就会由此产生，在对这些电压进行管理调整之后就能够对其进行实际应用了。

3.2.2 能源管理方法

由于采矿机械的实际工作情况较为复杂，所要采集的机械振动也较为微弱，这种无规律的能量不能为相应的模块或者器件进行稳定的充电，这就需要与相应的电源管理和具有储存功能的电路进行相互结合，来实现稳定的能量供给，一般情况下，这种电源管理电路包括能量转换、能量储存和实时监测等功能。

3.2.2.1 首先是能量转换

能量转换主要是将能量采集器中采集到的无规律和较为微弱的能量进行转换，使其主要形态更加稳定和规律，满足实际供电的要求。

3.2.2.2 能量储存

一般情况下可以选择电容器或者充电电池来对能量进行储存，储存器件视供电对象的实际需求来确定，就目前的情况来看，应用较为广泛的储能元件为超级电容器。

3.2.2.3 路径管理

路径管理主要是对系统能量的存储和供应进行管理，根据电能供应元件的实际特点和需求，对所供给能量的大小进行调节，以此来减少其中能量的损耗和浪费。

3.2.2.4 电池监测

如果能量储存模块为可充电电池，就需要对电池的充放电过程进行实时监测，以确保其过程的稳定程度，预防由于电池的充放电过度而产生相应的故障，这样能够有效提高充电电池和终端节点的实际使用寿命。

3.3 短距离无线通信技术

为了确保所采集到的信息数据能够及时准确的传达到监控中心，需要结合实际的工作环节特点，来选择合适的无线传输方法和通信协议，一般情况下，短距离无线通信技术的有效范围需要保持在10m以内，并且需要保证信号传输的稳定性和可靠性。针对无线通信技术来说，目前应用较为广泛的有Zig－Bee、WiFi、宽带和蓝牙，这些无线通信技术都有各自的特点，在对其通信半径、功耗、频段、安全性、传输速率和应用领域进行了解和比较，发现ZigBee技术具有较大的应用优势，其主要优势体现在这几个方面：首先是功耗较低，根据采矿机械的实际工作环节特点，可以确定其实际通信距离较近，传输的数据较少，并且根据所供电设备的实际供电情况，可以对设备进行相应的控制，这样能够有效减少电池的更换频率。其次是成本较低，ZigBee技术的结构设计较为简单，用户在使用的过程中不需要支付额外的专利使用费，并且这种技术对实际的储存能力和计算能力要求较低，整体成本较低。在网络容量较大时，理论上来说，一个ZigBee设备能够连接255个子节点，并且在一个区域当中能够保证一定数量的网络保持良好的通信质量，具有较高的可靠程度，如果处于协调器相互连接的情况，这样的网络将具有非常可观的子节点数量。从这样的情况来看，ZigBee技术属于一种低功耗、近距离、低成本的无线双向通信技术，适用于采矿机械的实际工作环境，而其中的数据传输类型主要包括周期性数据、间歇性数据和重复反应时间数据，另外在调频技术的支持下，能够实现对设备的自动化控制，所以说这样的技术在工业监测当中具有较为广泛的应用［4］。

在将这三种技术应用到设计当中之后，需要对其终端节点设备进行设计，一般情况下，其终端节点设备应该具有小型化、低功率、可靠性高和扩展性强的特点，其主要结构示意图如图1所示。

图1 采矿机械自供电无线监测系统终端框图

4 结束语

结合采矿机械的实际工作环节，对采矿机械监测系统、自供电系统和无线信息传输系统进行了相应的设计，并且根据实际情况选择了更加适用的无线网络传输技术，以此来保证无线终端设计的有效性和可靠性。

［1］魏明明.面向采煤机械自供电监测系统的无线终端设计［D］.中北大学，2016.

［2］程伟臻.输电线路大型机械入侵视频监测报警系统的设计与实现［D］.上海机电学院，2015.

［3］燕乐.煤机装备诊断自供电无线传感器网络系统的设计与研究［D］.中北大学，2016.

［4］陆建国.凡口铅锌矿采矿供电系统谐波分析及治理［J］.矿山机械，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 军（1981－），男，陕西西安人，硕士研究生，讲师，主要研究方向为嵌入式系统的开发及应用。

2016－09－02