CN107612112A - 一种振动能量捕获的矿井下瓦斯监测无线传感器网络节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动能量捕获的矿井下瓦斯监测无线传感器网络节点，包括用于收集井下的振动能量并转化为电能的压电发电装置、本安型能量收集管理模块、瓦斯传感器、信号调理与控制模块和无线收发模块，所述压电发电装置的输出端与本安型能量收集管理模块相连，所述本安型能量收集管理模块的输出端分别与瓦斯传感器、信号调理与控制模块和无线收发模块相连，所述瓦斯传感器的输出端与信号调理与控制模块相连，所述信号调理与控制模块与无线收发模块相连。本发明能量转化效率高，供电电压稳定，使用寿命长，降低维护成本，能够实现煤矿井下瓦斯监测传感器节点的全天候工作，保证煤矿井下的安全。

Description

一种振动能量捕获的矿井下瓦斯监测无线传感器网络节点

技术领域

本发明涉及无线传感器网络节点技术领域，尤其涉及一种振动能量捕获的矿 井下瓦斯监测无线传感器网络节点。

背景技术

煤炭资源作为我国经济发展的基础，是维持国民经济高速发展的重要保障。 然而，煤炭开采一直是危险行业，煤炭安全生产的严峻形势一直制约着煤炭工业 的发展，也严重威胁着煤炭工人的身体健康和生命安全。近年来，我国煤矿安全 事故频发，给国家造成了惨重的人员伤亡和经济损失，在这些安全事故中，瓦斯 爆炸占了大多数。在传统的瓦斯监测系统中，多是采用有线的方式进行监测，数 据传输，因此在矿井下就会出现布线困难的情况。另一方面传统的瓦斯监测系统 采用有线电缆供电，这种供电方式具有布线困难，成本昂贵等缺点；而采用电池 供电的方式由于电池电量有限，随着节点的工作，电池电量逐渐消耗殆尽，需要 经常更换供电电池，这就增加了节点的维护成本，并且不能保证节点的持续工作。

煤矿井下由于采煤设备在工作运行时不断振动，产生源源不断的振动能量， 合理有效地利用机械振动所产生的能量能够为煤矿井下的瓦斯浓度监测传感器 节点提供工作所需的能量，保证节点持续有效地工作。

发明内容

本发明采用振动能量捕获装置为井下瓦斯监测传感器网络节点供电，有效解 决了传统监测采用有线电缆供电和定期更换节点供电电池的问题。实现煤矿井下 瓦斯监测的全天候工作，降低维护成本，保证井下的安全。

根据本发明实施例的一种振动能量捕获的矿井下瓦斯监测无线传感器网络 节点，包括用于收集井下的振动能量并转化为电能的压电发电装置、本安型能量 收集管理模块、瓦斯传感器、信号调理与控制模块和无线收发模块，所述压电发 电装置的输出端与本安型能量收集管理模块相连，所述本安型能量收集管理模块 的输出端分别与瓦斯传感器、信号调理与控制模块和无线收发模块相连，所述瓦 斯传感器的输出端与信号调理与控制模块相连，所述信号调理与控制模块与无线 收发模块相连。整个节点放置在隔爆外壳中。

在上述方案基础上，所述压电发电装置包括呈立方体结构的金属外壳、金属 质量块、呈弧形的压电能量转换结构，所述压电能量转换结构的一端分别固定在 金属质量块的上下左右四个外表面上，另一端分别固定在金属外壳的上下左右四 个内表面上，所述压电能量转换结构包括弧形弹性金属基片、上压电材料、下压 电材料和电极，所述上压电材料、下压电材料分别粘贴在弹性金属基片的上下两 面，并与电极相连。

在上述方案基础上，所述上压电材料、下压电材料均采用PVDF压电薄膜。

在上述方案基础上，所述本安型能量收集管理模块包括能量收集电路、锂电 池充电电路、过压过流检测保护电路和稳压电路，所述能量收集电路与压电发电 装置的输出端相连，所述锂电池充电电路与能量收集电路相连，用于将剩余能量 存储在可充电锂电池中，所述能量收集电路的电压输出端连接稳压电路，所述稳 压电路的输出端接入过压过流检测保护电路。

在上述方案基础上，所述能量收集电路包括能量收集芯片，能量收集芯片的 PZ1和PZ2引脚接压电发电装置进行能量输入，配置D0、D1端口，使能量收集 芯片的输出电压为3.3V作为工作电压，所述锂电池充电电路包括锂电池充电芯 片，所述稳压电路包括稳压芯片。

在上述方案基础上，所述瓦斯传感器采用低功耗瓦斯浓度传感器。

在上述方案基础上，所述的无线收发模块采用低功耗的Zigbee模块。

压电发电装置捕获到振动能量原理是：金属质量块发生振动引起弧形弹性金 属基片发生形变，进而引起压电材料发生应变和应力的变化，在压电材料表面产 生自由电荷。压电材料所受的应力和产生的电场之间满足以下的关系：

S＝s^ET+dE

D＝dT+ε^TE

其中S为应变向量；D为电荷密度向量；E为电场强度向量；为应力恒定时 的自由节电常数矩阵；为电场恒定时的短路弹性柔顺系数矩阵；d为压电应变常 数矩阵。所选的压电材料为PVDF压电薄膜。在使用的过程中，将压电发电装置 安装在振动的设备周围以捕获设备的振动能量。

能量收集芯片PZ1和PZ2引脚接压电发电装置进行能量输入，芯片内部的整 流器对输入的电能进行整流，配置D0、D1端口，使能量收集芯片的输出电压为3.3V作为传感器节点的工作电压。为了提高可靠性，在电压输出端接入了稳压 电路，以使输出端的电压更加稳定。本安型能量收集管理模块还加入可充电锂电 池作为存储压电发电装置产生的剩余电能元件，通过锂电池充电保护芯片为锂电 池进行充电，保护电池在充电过程中不被过度充电和在放电过程中不被过度放 电，热敏电阻用于监测锂电池的温度防止电池的温度过高。在稳压电路的输出端 接入限流电路和电压检测电路，通过配置电压、电流采样电阻配置节点的最大输 入电压和输入电流，当电路电压超过最大输入电压，比较器输出一个高电平信号 K1，K1控制保护电路，关断PMOS管，电路停止工作。反之，电路恢复正常工作。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：本发明能够有效地收集煤矿井下 多方向的机械振动能量，通过压电转换装置将振动能量转换为电能，由本安型能 量收集管理电路对压电转换装置产生的能量进行收集管理，将能量提供给传感器 节点工作；本发明能量转化效率高，供电电压稳定，使用寿命长，降低维护成本， 能够实现煤矿井下瓦斯监测传感器节点的全天候工作，保证煤矿井下的安全。

附图说明

图1为本发明的整体结构框图；

图2为压电发电装置的整体结构示意图；

图3为压电能量转换结构的示意图

图4为本安型能量收集管理模块电路图。

图中：1-金属外壳、2-金属质量块、3-压电能量转换结构、4-弧形弹性金属 基片、5-上压电材料、6-下压电材料、7-压电发电装置、8-本安型能量收集管理 模块、9-瓦斯传感器、10-信号调理与控制模块、11-无线收发模块、12-能量收 集芯片、13-锂电池充电芯片、14-稳压芯片、15-隔爆外壳。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全 部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳 动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、 “长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、 “右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或 位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描 述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1，一种振动能量捕获的矿井下瓦斯监测无线传感器网络节点，整个 节点放置在隔爆外壳15中，包括用于收集井下的振动能量并转化为电能的压电 发电装置7、本安型能量收集管理模块8、瓦斯传感器9、信号调理与控制模块 10和无线收发模块11，压电发电装置7的输出端与本安型能量收集管理模块8 相连，本安型能量收集管理模块8的输出端分别与瓦斯传感器9、信号调理与控 制模块10和无线收发模块11相连，瓦斯传感器9的输出端与信号调理与控制模 块10相连，信号调理与控制模块10与无线收发模块11相连。

参照图2、图3，压电发电装置7包括呈立方体结构的金属外壳1、金属质 量块2、呈弧形的压电能量转换结构3，立方体结构金属外壳1的尺寸为 15cm*15cm*15cm，金属质量块2的质量为5cm*5cm*5cm，压电能量转换结构3的 一端分别固定在金属质量块2的上下左右四个外表面上，另一端分别固定在金属 外壳1的上下左右四个内表面上，压电能量转换结构3包括弧形弹性金属基片4、 上压电材料5、下压电材料6和电极，上压电材料5、下压电材料6分别粘贴在 弹性金属基片的上下两面，并与电极相连，上压电材料5、下压电材料6均采用 PVDF压电薄膜。

参照图4，本安型能量收集管理模块8包括能量收集电路、锂电池充电电路、 过压过流检测保护电路和稳压电路，能量收集电路与压电发电装置7的输出端相 连，锂电池充电电路与能量收集电路相连，用于将剩余能量存储在可充电锂电池 中，能量收集电路的电压输出端连接稳压电路，稳压电路的输出端接入过压过流 检测保护电路；能量收集电路包括能量收集芯片12，能量收集芯片12的PZ1和 PZ2引脚接压电发电装置7进行能量输入，配置D0、D1端口，使能量收集芯片 12的输出电压为3.3V作为工作电压，锂电池充电电路包括锂电池充电芯片13， 稳压电路包括稳压芯片14；本安型能量收集管理模块8加入的可充电锂电池作 为存储压电发电装置产生的剩余电能元件，通过锂电池充电保护芯片13为锂电池进行充电，保护电池在充电过程中不被过度充电和在放电过程中不被过度放 电，热敏电阻用于监测锂电池的温度防止电池的温度过高。在稳压电路的输出端 接入限流电路和电压检测电路，通过配置电压、电流采样电阻配置节点的最大输 入电压和输入电流，当电路电压超过最大输入电压，比较器输出一个高电平信号 K1，K1控制保护电路，关断PMOS管，电路停止工作。反之，电路恢复正常工作。

瓦斯传感器9采用低功耗瓦斯浓度传感器，无线收发模块11采用低功耗的 Zigbee模块。

瓦斯浓度传感器检测煤矿井下的瓦斯浓度信息，经过信号调理与控制模块 10对信号进行AD转换、放大等处理，由信号调理与控制模块10控制无线收发 模块11，将采集到的瓦斯浓度信息发送出去，以实现井下瓦斯浓度监测的全天 候工作。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言， 可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变 化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种振动能量捕获的矿井下瓦斯监测无线传感器网络节点，其特征在于：包括用于收集井下的振动能量并转化为电能的压电发电装置(7)、本安型能量收集管理模块(8)、瓦斯传感器(9)、信号调理与控制模块(10)和无线收发模块(11)，所述压电发电装置(7)的输出端与本安型能量收集管理模块(8)相连，所述本安型能量收集管理模块(8)的输出端分别与瓦斯传感器(9)、信号调理与控制模块(10)和无线收发模块(11)相连，所述瓦斯传感器(9)的输出端与信号调理与控制模块(10)相连，所述信号调理与控制模块(10)与无线收发模块(11)相连。

2.根据权利要求1所述的一种振动能量捕获的矿井下瓦斯监测无线传感器网络节点，其特征在于：所述压电发电装置(7)包括呈立方体结构的金属外壳(1)、金属质量块(2)、呈弧形的压电能量转换结构(3)，所述压电能量转换结构(3)的一端分别固定在金属质量块(2)的上下左右四个外表面上，另一端分别固定在金属外壳(1)的上下左右四个内表面上，所述压电能量转换结构(3)包括弧形弹性金属基片(4)、上压电材料(5)、下压电材料(6)和电极，所述上压电材料(5)、下压电材料(6)分别粘贴在弹性金属基片的上下两面，并与电极相连。

3.根据权利要求2所述的一种振动能量捕获的矿井下瓦斯监测无线传感器网络节点，其特征在于：所述上压电材料(5)、下压电材料(6)均采用PVDF压电薄膜。

4.根据权利要求1所述的一种振动能量捕获的矿井下瓦斯监测无线传感器网络节点，其特征在于：所述本安型能量收集管理模块(8)包括能量收集电路、锂电池充电电路、过压过流检测保护电路和稳压电路，所述能量收集电路与压电发电装置(7)的输出端相连，所述锂电池充电电路与能量收集电路相连，用于将剩余能量存储在可充电锂电池中，所述能量收集电路的电压输出端连接稳压电路，所述稳压电路的输出端接入过压过流检测保护电路。

5.根据权利要求4所述的一种振动能量捕获的矿井下瓦斯监测无线传感器网络节点，其特征在于：所述能量收集电路包括能量收集芯片(12)，能量收集芯片(12)的PZ1和PZ2引脚接压电发电装置(7)进行能量输入，配置D0、D1端口，使能量收集芯片(12)的输出电压为3.3V作为工作电压，所述锂电池充电电路包括锂电池充电芯片(13)，所述稳压电路包括稳压芯片(14)。

6.根据权利要求1所述的一种振动能量捕获的矿井下瓦斯监测无线传感器网络节点，其特征在于：所述瓦斯传感器(9)采用低功耗瓦斯浓度传感器。

7.根据权利要求1所述的一种振动能量捕获的矿井下瓦斯监测无线传感器网络节点，其特征在于：所述无线收发模块(11)采用低功耗的Zigbee模块。