[发明专利]一种基于风能采集的深部巷道顶板监测无线传感节点

说明书

技术领域

本发明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。

发明内容

本发明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。

根据本发明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。