一种基于风能采集的深部巷道顶板监测无线传感节点的制作方法

本实用新型涉及无线传感器节点技术领域，尤其涉及一种基于风能采集的深部巷道顶板监测无线传感节点。

背景技术：

随着煤矿开采深度的不断增加，巷道顶板的应力变化变的更加复杂，近十年来，虽然我国煤矿灾害事故呈下降趋势，但每年大大小小的煤矿灾害事故就有数百起，而煤矿巷道顶板事故为主要灾害，占煤矿事故总数的一半。因此实时监测煤矿深部巷道顶板应力变化，判断巷道顶板的稳定性，对预防频发的顶板事故具有重大的现实意义，而无线传感器具有体积小、成本低、布置方便等特点，在煤矿巷道监测等方面得到了广泛的应用。无线传感器节点往往分布广泛，长期工作，但传统的无线传感器节点通过干电池或蓄电池供电，电能存储有限，要经常更换电池。然而在很多应用场景中，为无线传感器节点更换电池很困难，有时甚至不可能做到，所以传统的供电方式已不能满足无线传感器节而点的能量需求。而矿井内由于通风的原因，存在大量的风能，因此在煤矿深部巷道内可利用风能采集技术将风能转换成电能对设备供电。风能采集技术是一种无污染、结构简单、寿命长的能量收集技术，有广阔的应用市场，可使无线传感节点长期工作，避免因经常更换电池带来的不便、浪费和环境污染。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于根据现有技术的不足，为深部巷道顶板监测提供一种成本低、使用寿命长、无污染的无线传感节点。

根据本实用新型实施例的一种基于风能采集的深部巷道顶板监测无线传感节点，包括风能采集器、本安型能量收集电路、应变传感器模块、无线传输模块，所述风能采集器和本安型能量收集电路用于将风能转换成电能，并且对应变传感器模块和无线传输模块供电，所述应变传感器模块将测得的顶板形变的信号传递给无线传输模块，所述无线传输模块对信号进编码、调制处理，转换成适合信道传输的信号，经发射天线发射信号供监测人员接收分析。

在上述方案基础上，所述风能采集器包括导风窗、谐振腔、振动梁、整流桥和固定管，所述导风窗与谐振腔连接，所述谐振腔的四个面均有通风口，所述振动梁由柔性梁与压电梁组成，所述振动梁一端固定在通风口的靠近下底的一端，使振动梁与谐振腔的夹角为15度，所述整流桥的数量为四个，分别与振动梁相连，四个整流桥通过导线串联接到本安型能量收集电路上，所述固定管为圆柱形上端固定一个法兰，下端焊接在谐振腔上，用于将风能采集器固定在巷道顶板上，所述本安型能量收集电路设置在本安型能量收集电路板上，所述本安型能量收集电路板设置在谐振腔内，固定在风能采集器的下底上。

在上述方案基础上，所述本安型能量收集电路包括能量收集器U1、DC/DC稳压器U2、DC/DC稳压器U3、整流桥U8、运放A1、比较器U4、比较器U5、比较器U7、或非门U6和场效应管Q2。

在上述方案基础上，所述能量收集器U1内部集成了整流器、降压转换器及超低静态电流欠压闭锁，所述能量收集器U1的PZ1和PZ2端通过一个三极管Q1与风能采集器相连，能量收集器U1将风能采集器产生的不稳定的电压通过整流器整流，然后存储在Vin端的电容C1上，当Vin端的电压达到4.04V时，能量收集器U1的Vout端则输出3.6V的稳压值，当Vin端的电压降到3.77V时，能量收集器U1关断输出，电容C1充电，当电容C1上的电压再次达到4.04V时，能量收集器U1的Vout端则有电压输出，实现周期性的、间断性的供电。

在上述方案基础上，所述能量收集器U1的Vout端有电压输出时，DC/DC稳压器U2、DC/DC稳压器U3分别将3.6V电压降到3.3V和1.8V，其中3.3V的电压用于对无线传输模块和应变传感器模块供电，1.8V的电压接到比较器上，当做参考电压，用于对电路的过压和过流检测。

在上述方案基础上，所述整流桥U8和电容C8组成整流稳压电路，为电阻R8和电阻R9提供电压，所述比较器U7的反相输入端与电阻R8和R9相连，比较器U7的同相输入端与1.8V电压相连，比较器U7的输出端与三极管Q1的栅极相连，比较器U7与三极管Q1、电阻R8和电阻R9组成过压检测电路，当风能采集器产生的电压超过20V时，三极管Q1将断开。

在上述方案基础上，所述比较器U4的同向输入端与电阻R4和电阻R5相连，比较器U4的反相输入端与1.8V电压相连，输出端与或非门U6相连，比较器U4用于检测输出端电压的大小。

在上述方案基础上，所述的运放A1的同向输入端与电阻R7相连，运放A1的反相输入端与电阻R5和电阻R6相连，运放A1的输出端与比较器U5的同相输入端相连；所述的比较器U5的反相输入端与1.8V电压相连，比较器U5的输出端与或非门U6相连，比较器U5与运放A1、电阻R5、电阻R6和电阻R7组成电流检测电路。

在上述方案基础上，所述的场效应管Q2的漏极与DC/DC稳压器U2的OUT端相连，栅极与或非门U6相连，源极与无线传输模块和应变传感器相连，场效应管Q2与比较器U4、比较器U5、或非门U6和运放A1组成过压和过流保护电路。

本实用新型与现有技术相比具有的有益效果是：本实用新型的深部巷道顶板监测无线传感节点采用风能采集的方式供能，是一种无污染、结构简单、寿命长的能量收集方式。将风能用于深部巷道顶板监测无线传感节点，使无线传感节点长期工作，避免了传统无线传感器节点因更换电池带来的不便、浪费和环境污染。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型所涉及的一种基于风能采集的深部巷道顶板监测无线传感节点的总体设计框图。

图2为本实用新型所涉及的风能采集器。

图中：1-导风窗，2-谐振腔，3-通风口，4-柔性梁，5-压电梁，6-整流桥，7-导线，8-固定管，9-本安型能量收集电路板。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

图1是本实用新型涉及的一种基于风能采集的深部巷道顶板监测无线传感节点。此无线传感节点包括：风能采集器、本安型能量收集电路、应变传感器模块、无线传输模块。本安型能量收集电路包括：能量收集器U1、DC/DC稳压器U2、DC/DC稳压器U3、整流桥U8、运放A1、比较器U4、比较器U5、比较器U7、或非门U6和场效应管Q2。

参照图2，风能采集器由导风窗1、谐振腔2、振动梁、整流桥6和固定管8组成。导风窗1与谐振腔2连接在一起。导风窗1类似于喇叭，其入风口为直径50mm的圆口，出风口为直径20mm的圆口。谐振腔2为上底和下底均为正方形的四棱柱，腔内的上底、下底和高的长度分别为30mm、60mm和100mm，外形的上底、下底和高的长度分别为34mm、64mm和104mm。

谐振腔2的四个面均有一个长和宽为50mm和8mm的通风口3。振动梁由柔性梁4与压电梁5组成，振动梁的总长度为50mm，宽度为7.6mm，其中压电梁5长10mm，厚0.5mm，柔性梁4长40mm，厚0.4mm。振动梁一端固定在通风口3的靠近下底的一端，使振动梁与谐振腔2的夹角为15度。

四个整流桥6分别与振动梁相连，然后四个整流桥6通过导线7串联接到本安型能量收集电路上。

固定管8为圆柱形，直径为10mm，长60mm，上端固定一个法兰，下端焊接在谐振腔2上，用于将风能采集器固定在巷道顶板上。

本安型能量收集电路设置在本安型能量收集电路板9上，本安型能量收集电路板9设置在谐振腔2内，固定在风能采集器的下底上，包括：能量收集器U1、DC/DC稳压器U2、DC/DC稳压器U3、整流桥U8、运放A1、比较器U4、比较器U5、比较器U7、或非门U6和场效应管Q2。

能量收集器U1内部集成了低损耗、全波整流器，高效的降压转换器及超低静态电流欠压闭锁(UVLO)。能量收集器U1的PZ1和PZ2端通过一个三极管Q1与风能采集器相连。能量收集器U1将风能采集器产生的不稳定的电压通过整流器整流，然后存储在Vin端的电容C1上，当Vin端的电压达到4.04V(最低值为3.77V，最高值为4.30V)时，能量收集器U1的Vout端则输出3.6V的稳压值，当Vin端的电压降到3.77V时，能量收集器U1关断输出，电容C1充电，当电容C1上的电压再次达到4.04V时，能量收集器U1的Vout端则有电压输出。如此反复，可实现周期性的、间断性的供电。

DC/DC稳压器U2和U3，具有低功耗、低压降、可线性调节的特点。当能量收集器U1的Vout端有电压输出时，两个DC/DC稳压器U2和U3分别将3.6V电压降到3.3V和1.8V。3.3V的电压用于对无线传输模块和应变传感器模块供电。1.8V的电压接到比较器上，当做参考电压，用于对电路的过压和过流检测。

整流桥U8和电容C8组成整流稳压电路，为电阻R8和电阻R9提供电压，比较器U7的反相输入端与电阻R8和R9相连，比较器U7的同相输入端与1.8V电压相连，比较器U7的输出端与三极管Q1的栅极相连，比较器U7与三极管Q1、电阻R8和电阻R9组成过压检测电路，当风能采集器产生的电压超过20V时，三极管Q1将断开。

比较器U4的同向输入端与电阻R4和电阻R5相连，比较器U4的反相输入端与1.8V电压相连，输出端与或非门U6相连，比较器U4用于检测输出端电压的大小。

运放A1的同向输入端与电阻R7相连，运放A1的反相输入端与电阻R5和电阻R6相连，运放A1的输出端与比较器U5的同相输入端相连；比较器U5的反相输入端与1.8V电压相连，比较器U5的输出端与或非门U6相连，比较器U5与运放A1、电阻R5、电阻R6和电阻R7组成电流检测电路。

场效应管Q2的漏极与DC/DC稳压器U2的OUT端相连，栅极与或非门U6相连，源极与无线传输模块和应变传感器相连，场效应管Q2与比较器U4、比较器U5、或非门U6和运放A1组成过压和过流保护电路，防止由于过流或过压产生的火花点燃煤矿井下气体引发事故。

应变传感器模块和无线传输模块如图1所示。风能采集器将风能转换成电能，然后通过本安型能量收集电路对应变传感器模块和无线传输模块供电。应变传感器模块将测得的顶板形变的信号传递给无线传输模块。无线传输模块对信号进编码、调制等处理，转换成适合信道传输的信号，经发射天线发射出去。

本实用新型未详述之处，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实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型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，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。