張浩凌，崔 娟*，鄭永秋，劉亞兵，楊路余，李 剛，薛晨陽

(1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；2.華陽新材料科技集團有限公司裝備管理部，山西 陽泉 045008)

隨著制造業(yè)不斷向著自動化、信息化、智能化的方向發(fā)展，大型機械設備的組成和結構越來越復雜，功能與自動化程度也越來越高。 因此，設備運行中的多節(jié)點狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術愈發(fā)受到業(yè)界的關注[1]。 在諸多診斷方法和監(jiān)測設備中，振動信息與溫度信息是反映機電設備運行狀態(tài)的重要參數(shù)[2]。 前者能直觀地反映機械設備的運行狀態(tài)，而后者可用于判斷機械設備的重要組件部位[3]是否過度發(fā)熱或其所處的工作環(huán)境是否異常。

傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測裝置大多使用鋰電池供電或有線供電[4]。 采用鋰電池供電的監(jiān)測裝置，電池壽命有限，難以保證監(jiān)測裝置的連續(xù)運行，并且進行傳感節(jié)點組網后[5]，會造成更換電池工作量過大的問題。 對于有線供電的監(jiān)測裝置，其電纜鋪設困難，特別在一些特殊工況(如礦井采集、石油勘探等)環(huán)境中，還需對電纜進行鎧裝防護，極大地增加了成本。因此，維持無線傳感節(jié)點的長期、可靠供電成為機械設備狀態(tài)監(jiān)測裝置實用化、網絡化發(fā)展的瓶頸。

中國礦業(yè)大學的鄒翔宇、劉燕等人[6]通過優(yōu)化移動節(jié)點無線監(jiān)測網絡的數(shù)據(jù)傳輸效率，同時利用移動節(jié)點向監(jiān)測節(jié)點輻射射頻能量的方式，降低節(jié)點功耗并補充節(jié)點能量，使網絡有效生命周期延長了2.8 倍，但是該能量補充方式效率較低，難以完全實現(xiàn)能量的供需平衡。 監(jiān)測網絡在210 470 800 輪運行周期后，70%的節(jié)點無法繼續(xù)工作。 中北大學的穆錦標、穆繼亮等人[7]提出了一個應用于采煤機等大型煤炭開采設備的健康監(jiān)測節(jié)點，該系統(tǒng)設計的俘能器采用磁懸浮結構，但該結構中懸浮磁鐵體積過大，導致監(jiān)測節(jié)點安置后無法啟動，因而該狀態(tài)監(jiān)測節(jié)點難以在傳統(tǒng)大型機械設備正常工作。 并且該系統(tǒng)采用的能源管理策略并不完善，在關閉無線模塊的休眠模式下，節(jié)點功耗仍達到10 mW。 上海交通大學的胡國勝等人[8]提出了一種用于遠程火災監(jiān)測的自供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用壓電、電磁復合式發(fā)電機采集環(huán)境中的風能，并將其轉化為電能為監(jiān)測系統(tǒng)供電，該系統(tǒng)的復合發(fā)電結構在風速8 m/s 的測試環(huán)境中共計輸出功率23.4 mW，此結構輸出功率極高但對振動響應不理想，無法作為采集設備振動能量的解決方案[9]。

針對上述系統(tǒng)存在的功耗及應用安裝問題，本文提出了一種基于高效能源管理策略的自供電無線監(jiān)測系統(tǒng)。 設計了高穩(wěn)定性的礦用型電磁式振動俘能器，建立了雙電池交替充放電策略，并針對不同工況提出最優(yōu)的休眠模式，盡可能降低系統(tǒng)功耗，提高系統(tǒng)俘能效率。 該系統(tǒng)解決了無線監(jiān)測節(jié)點的供電問題，達到能量的供需平衡，極大地延長了裝置的續(xù)航能力，降低了特殊環(huán)境應用中無線供電源的更換需求。

1 系統(tǒng)設計方案

本文設計的無線機械設備健康監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示，主要由無線監(jiān)測節(jié)點、無線接收器與上位機界面組成。 其中無線監(jiān)測節(jié)點由振動俘能器、電路模塊與無線通信模塊組成。

圖1 系統(tǒng)框圖

無線監(jiān)測系統(tǒng)的應用方案如圖2 所示，無線監(jiān)測節(jié)點可以通過磁吸安放在大型機械設備的易故障部位。 當大型機械設備工作時，產生的機械振動被節(jié)點內置的俘能器俘獲并轉化為可用的電量，驅動整個監(jiān)測節(jié)點啟動。 節(jié)點將監(jiān)測到的環(huán)境振動和溫度參量數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送給上位機，上位機監(jiān)測系統(tǒng)將數(shù)據(jù)圖形化顯示，從而實現(xiàn)對機械設備工作環(huán)境的實時監(jiān)測。

圖2 無線監(jiān)測系統(tǒng)應用方案

2 無線監(jiān)測節(jié)點設計

2.1 結構組成

目前的微能源采集方式主要有電磁、壓電和摩擦三種方式[10-12]，考慮到實際應用工況，本系統(tǒng)設計的俘能器選用輸出功率較大的電磁式微能源俘能方式。 電磁式振動俘能器的設計理念為“電磁感應”[13]。 當閉合線圈與磁鐵產生相對運動時，線圈切割磁感線，閉合電路的磁通量發(fā)生了變化，電路內部產生感應電流。

所設計的振動俘能器結構如圖3 所示，自下而上由排斥磁體、側壁滾珠、懸浮線圈、平衡磁體和電路系統(tǒng)構成。 底部的排斥磁體與上方的平衡磁體用于限制中心懸浮線圈隨振動而產生的位移行程。 通過改變排斥力矩的大小可以改變俘能器的諧振頻段。 側壁的滾珠用于減小懸浮線圈與側壁的摩擦阻力，并將滑動摩擦轉變?yōu)闈L動摩擦，防止線圈的側翻與卡死，提高了俘能器的穩(wěn)定性與可靠性[14]。

圖3 礦用振動俘能器結構示意圖

2.2 系統(tǒng)流程設計

圖4 為自供電無線監(jiān)測系統(tǒng)的原理流程圖。 俘能結構產生的交流電壓輸入到能量處理電路，經處理后輸出穩(wěn)定4 V 電壓。 由于前端對振動能量的采集轉換并不穩(wěn)定，因此該輸出能量除了為穩(wěn)壓器提供使能電平外，其余的能量用于為電池充電。 電池A 和電池B 通過充電選路開關和供電選路開關實現(xiàn)充電或供電電路接入的切換。 初始狀態(tài)下，默認電池A 同時接入充電電路與供電電路，系統(tǒng)啟動后，主控芯片首先比較兩塊電池的電量，控制兩個選路開關，將高電量電池接入供電電路，低電量電池接入充電電路。 接入供電電路的電池經被使能后的穩(wěn)壓器輸出3.3 V 電壓，為后端所有元件供電。 電壓監(jiān)測芯片實時讀取兩個電池的電壓，并分別通過不同的IIC 端口，將數(shù)據(jù)傳送給主控芯片。 加速度傳感器、溫度傳感器以及無線模塊的供電分別由主控芯片打開對應的供電開關實現(xiàn)。 其中，加速度傳感器和溫度傳感器分別通過IIC 和單總線通信方式將加速度、溫度數(shù)據(jù)傳送至主控芯片，主控芯片通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給無線通信模塊。

圖4 系統(tǒng)原理流程圖

3 低功耗設計及其實現(xiàn)方式

3.1 器件選型

受限于微能源采集環(huán)境和安裝尺寸的要求，通常微能源俘能器的能量轉換效率較低，采集到的能量基本都處于mW 量級。 因此，在俘能器效率受到環(huán)境因素限制的情況下，要想降低系統(tǒng)對供電源的依賴，最直接、有效的辦法是降低系統(tǒng)的功耗，即進行低功耗能源管理電路設計。 在低功耗設計中，對硬件電路的芯片器件選型是最重要的環(huán)節(jié)之一。

3.1.1 能量處理電路的芯片選型

電磁式振動俘能器采集到的能量信號為交流信號，因此對采集到的能量需要先進行整流與穩(wěn)壓處理，才能轉化為后端電路可以使用的能量。 整流、穩(wěn)壓芯片存在一定的壓降，使用過程中會造成能量損耗。 本電路選用BAS4002 整流芯片，該芯片在10 mA的小電流電路中，壓降僅為0.39 V，且可以承受較大的工作電流。 線性穩(wěn)壓芯片選取MAX16910，除了寬壓輸入的特性以外，其靜態(tài)電流極低，僅有20 μA，其輸出端的壓降最大僅有200 mV，且其輸出端的帶負載能力較強，可輸出較大的驅動電流。

3.1.2 雙電池選路的芯片選型

雙電池智能交替充放電策略是本系統(tǒng)延長穩(wěn)定續(xù)航的核心供電策略之一，因此雙電池選路過程中的能量損耗是電路低功耗的重要指標之一[12]。 本系統(tǒng)選取ADI 公司生產的ADG619，此開關實現(xiàn)基本的單刀雙擲選路功能，功率損耗極低，無需外部供電，通過單片機IO 口輸出的高低電平控制選路。圖5為雙電池選路電路的示意圖。

圖5 雙電池選路電路示意圖

3.1.3 控制模塊的芯片選型

系統(tǒng)主控芯片選擇TI 公司的MSP430F5438A。此芯片延續(xù)了MSP430 系列的低功耗特點，且在功能上有了極大的提升[15]。 在低功耗模式下，所有不需要使用的功能模塊被關閉且各IO 引腳可保持當前電平狀態(tài)。 在低功耗模式3(LPM3)下，單片機的引腳電流僅有6 μA。 此特性十分符合本系統(tǒng)對環(huán)境監(jiān)測參量間歇性采集發(fā)送的需求。MSP430F5438A 的最小系統(tǒng)電路由主控芯片、復位電路和時鐘電路組成。 值得一提的是，由于電路系統(tǒng)為間歇性運行，即主控芯片常處于低功耗模式下，因此無需接外部高頻晶振，而是由內部數(shù)控振蕩器產生8 MHz 高頻時鐘，并在LPM3 模式下關閉。 輔助時鐘由外部32 768 Hz 低頻晶振產生，并將其用作定時器的時鐘源，在一定時間的休眠后再次喚醒系統(tǒng)。

3.2 硬件電路的低功耗設計

3.2.1 供電思路

系統(tǒng)供電方式采用多級供電的方式，如圖6 所示，電池A 接入供電電路后，供電系統(tǒng)分出兩路3.3 V電壓，其中一路為單片機供電，當前端有能量被采集到，能量處理電路輸出4.2 V 電壓，此電壓連接到單片機供電電路中穩(wěn)壓器的使能端，即可驅動主控芯片工作。 另一路為后端的傳感器系統(tǒng)供電，當主控芯片開始工作后，根據(jù)程序控制，通過IO 口向傳感器供電電路中的穩(wěn)壓器使能端提供高電平信號，為傳感器上電并進行數(shù)據(jù)讀取與傳輸。 當系統(tǒng)進入休眠時，主控芯片進入低功耗，此時控制IO 口輸出低電平，關斷對傳感器系統(tǒng)的供電，降低電路功耗。

圖6 多級供電思路示意圖

3.2.2 傳感器電路防漏電設計

傳感器系統(tǒng)用于采集外界環(huán)境的多元參量，包含了電路的主要耗電元件。 由于這些元件僅在工作時間段才需要開啟，因此在休眠模式下，需要完全關斷這些元件的供電，以實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗[16]。

模擬開關芯片在使用過程中存在漏電流以及無法完全關斷的問題，因此在實際應用中，完全切斷其導通是進一步降低電路功耗的手段之一。 本系統(tǒng)采取金屬氧化物半導體場效應管(MOS 管)控制電源電路與傳感器電路的參考地連通的方法，MOS 管的漏極(D 極)和源極(S 極)分別連接電源電路的參考地與傳感器電路的參考地，通過主控芯片IO 引腳的電平狀態(tài)控制MOS 管的開斷。 在傳感器需要工作的期間，主控芯片輸出控制信號將兩個參考地連通。 在休眠階段，又將其斷開，完全切斷了在休眠階段由于模擬開關漏電流而導致的能量損耗。 由于MOS 管具有電壓驅動特性，對引腳電流要求不高，因此即便在主控芯片的LPM3 模式下，也可以保持對MOS 管的控制。 解決了模擬開關芯片存在漏電流以及無法完全關斷導致的能量損耗問題，極大地降低了休眠階段電路系統(tǒng)的損耗。

3.3 控制流程

除去硬件上的低功耗設計，還需在軟件層面設計動態(tài)功率管理策略來進一步實現(xiàn)電路的低功耗。具體的程序流程圖如圖7 所示。

圖7 控制程序流程圖

上電后，主控芯片初始化，充電選路開關和供電選路開關全部切換到電池A，打開電壓監(jiān)測開關。首先選擇高電量電池為系統(tǒng)供電，并實時監(jiān)測該電池電壓是否低于系統(tǒng)設定的閾值。 若低于閾值，說明兩塊電池的電量都不足以支撐系統(tǒng)的工作，此時關閉系統(tǒng)所有供電開關，并為該高電量電池充電。主控芯片進入低功耗模式，且整個系統(tǒng)進入20 min長休眠，休眠結束后再次讀取電池電壓并將其與閾值電壓比較，判斷系統(tǒng)是否可以啟動。 若高于閾值，則使用此高電量電池供電，并將充電選路開關切換到另一塊電量較低的電池，對其充電。 系統(tǒng)啟動后打開全部供電開關，傳感器模塊和無線通信模塊上電工作，完成多參量的監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸后，關閉電壓監(jiān)測供電開關和負載開關，主控芯片進入低功耗模式且系統(tǒng)進入5 min 短休眠。 休眠結束后，如果供電電池狀態(tài)較好，即高于系統(tǒng)設定的閾值，就繼續(xù)供電。 若其放電過度，低于閾值，則切換供電電池以及充電選路開關的狀態(tài)。 供電電池切換后需要先進行電壓的測量判斷，低于閾值則進入長休眠，高于閾值則系統(tǒng)繼續(xù)運行工作。

4 系統(tǒng)測試

4.1 振動俘能器性能測試

搭建如圖8(a)所示的測試平臺，用于測試振動俘能器的輸出性能。 電磁式振動俘能器的機械運動特性決定了此類俘能結構適用于低頻振動環(huán)境。 在圖8(a)所示的測試平臺中，改變信號發(fā)生器輸出信號的頻率，在低頻段進行掃頻測試，將俘能器連接最佳匹配阻抗8.5kΩ 的負載，利用功率分析儀測量并記錄俘能器的最佳輸出功率，測試結果如圖8(b)。 由圖可知，在9 Hz 的振動頻率下，振動俘能器的輸出功率達到最大值6.32 mW，此時達到俘能器的諧振頻率。 圖8(c)體現(xiàn)了改變振動幅度對俘能器輸出功率的影響。 當振動頻率一定時，隨著振動幅度逐漸增大，輸出功率也逐漸增大。

圖8 掃頻與掃幅測試

4.2 無線監(jiān)測節(jié)點的工作測試

4.2.1 一體化封裝

將振動俘能器、電路模塊與無線通信模塊封裝在304 不銹鋼外殼中，并進行灌膠保護，防止在劇烈震動下造成的結構損壞，同時有效抑制了異常情況下電路電流過大引起的內部自燃的現(xiàn)象。

4.2.2 無線節(jié)點工作測試

現(xiàn)場測試如圖9 所示，將自供電無線監(jiān)測節(jié)點安置在地面平臺的采煤機上，采煤機工作產生機械振動，振動俘能器采集振動能量并進行轉化，驅動無線監(jiān)測節(jié)點工作；無線接收器開啟并連接至上位機實時監(jiān)測系統(tǒng)，用于接收并顯示無線監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)。 無線監(jiān)測節(jié)點與接收器的距離約為15 m，且無遮擋物阻礙。 在完成數(shù)據(jù)傳輸后，使用誤碼檢測程序對接收到的數(shù)據(jù)包按比特位進行對比，如圖10 所示，最終測得誤碼率約為2.03%。

圖9 現(xiàn)場工況測試

圖10 誤碼率檢測

測試結果表明，無線監(jiān)測節(jié)點可以周期性地將采煤機組件所處環(huán)境的溫度、振動以及系統(tǒng)內的電池電量回傳到上位機，且誤碼率與丟包率較低，足以支持實際工況的使用。

在電池A 的電量下降到系統(tǒng)設定的閾值時，系統(tǒng)主動實現(xiàn)雙電池供電與充電角色的切換，電池B接入供電電路，并將前端俘能器采集到的能量儲存到電池A 內，以實現(xiàn)電路對振動能量的高效采集與利用。 圖11 為供電電路的電壓監(jiān)測圖，體現(xiàn)了實際使用中雙電池的快速響應切換過程。

4.2.3 無線監(jiān)測系統(tǒng)的功耗測試

經測試，無線監(jiān)測節(jié)點的工作電流為33.8 mA，而休眠電流僅為0.65 mA。 在一個工作周期內，無線監(jiān)測節(jié)點的工作時間約為5 s，短休眠時間為5 min，即在這個周期內消耗的能量W1為:

在諧振頻率下，設定振動加速度為1 gn，此時俘能器的輸出功率為6.31 mW，一個工作周期內俘能器捕獲的能量W2為:

當無線監(jiān)測節(jié)點工作在諧振環(huán)境中時，一個工作周期內俘能器部分可以采集0.54 mWh 的能量，足以支持電路系統(tǒng)的工作，且剩余的能量可以為電池充電。 即便環(huán)境振動過于微弱，采集能量不足，在一定的能量積累后，系統(tǒng)仍可被喚醒，此時電池為系統(tǒng)的供電源，若有剩余的能量則將其儲存起來。 根據(jù)計算，只需要振動俘能器在一個工作周期內采集能量大于0.33 mWh，即俘能器輸出功率大于3.89 mW，系統(tǒng)即可實現(xiàn)能量輸入與輸出的平衡。

5 結論

本文提出了一種應用于大型機械設備的低功耗自供電無線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于電磁發(fā)電振動俘能器結構，設計了雙電池智能充放電與動態(tài)功率管理策略，完成了硬件電路上低功耗與防漏電的系統(tǒng)優(yōu)化。 經實際工況環(huán)境測試，系統(tǒng)實現(xiàn)了對大型機械設備工況環(huán)境的溫度、振動以及電池電量的實時監(jiān)測與無線傳輸。 系統(tǒng)電路的工作電流為33.8 mA，休眠電流為0.65 mA，經計算可得，該系統(tǒng)滿足了無線監(jiān)測節(jié)點的自供電需求。 本文設計的自供電無線監(jiān)測系統(tǒng)，不僅降低了實際應用中的能源供給技術難度，還有效避免惡劣環(huán)境中線纜維護或電源更換產生的風險，突破了工業(yè)現(xiàn)場傳感節(jié)點網絡化、大面積安放與使用的技術瓶頸，為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中大型機械設備健康監(jiān)測的電源供應難題提供了行之有效的解決方案。