黄宇捷 王猛

摘 要：在矿洞内作业时，与外界的联系是必不可少的，但矿洞内环境复杂，布线极为不易。同时矿洞内环境恶劣，如果能够对井下环境实时监测，必然会大大减少事故发生率。本文设计出一种基于压电能量收集技术的井下无线通信和环境监测设备，无需布线就可使用，有效的提高了井下作业的便利性和安全性。

关键词：压电能量收集;井下通信;环境监测

1 前言

现阶段，矿洞内的通信和环境监测设备大多都是通过电池供电的，但是电池供电的缺点就是需要不定期的更换电池，在造成资源浪费和环境污染的同时，如果因为疏忽而没有定期更换电池，那么不仅会导致矿洞内的通信中断，还会失去对井下环境的实时监测。目前只有少数的矿洞可以采取有线电源的方式供电，但是井下环境复杂，布线成本极高。本装置利用压电能量收集技术把矿洞内的风能捕获，转化为电能存储起来，用于通信和环境监测设备的供电，无需往复更换电池且无需布线，相对于传统的供电方式来说，本装置有很大的应用前景。

2 主体结构设计

本文设计的一种基于压电能量收集技术的矿洞内自供电无线通信和环境监测装置主要由压电俘能模块，无线AP模块和环境监测模块组成，压电俘能模块将收集的风能转化為电能供给后两个模块使用，装置的主要结构如图1所示。

图1中，壳体采用圆柱筒形结构，主轴两端通过轴承与壳体轴向端盖相连， 主轴与壳体的中轴线相重合，主轴一端延伸至壳体外部，风轮固装在位于壳体外部的主轴端部;凸轮固装在位于壳体内部的主轴上，挤压轮安装在凸轮的凸点顶端;压电瓷片固装在壳体内表面，压电瓷片位于凸轮的回转面内，通过凸轮的转动由挤压轮对压电瓷片进行挤压发电;储能器安装在风轮对侧的壳体轴向端盖外部，压电瓷片受挤压所产生的电能由储能器进行存储;无线通信模块和环境监测模块均安装在储能器上，无线AP和环境监测模块均由储能器进行供电。

其中凸轮数量若干，若干凸轮在主轴上均匀布置，若干凸轮的相位角各不相同，每个凸轮对应的壳体内表面上均安装有若干个压电瓷片。若干压电瓷片沿壳体圆周方向均匀布置，这样就最大程度上保证的电能的收集效率。

3 工作原理介绍

3.1压电俘能模块

自然界中的机械振动有三种能量转化方式，包括电磁式、压电式和静电式[2]。其中压电式能量收集装置具有能量利用率高、结构紧凑、成本低、制作简单等优点，为户外通信设备和基于物联网技术的传感器监测装置的能量来源提供了可靠的解决方案。

本装置中的压电俘能模块，利用装置前端的风轮捕获风能并转化为机械能带动主轴转动，进一步带动凸轮上的挤压轮不断挤压压电磁片。根据压电效应，当压电磁片受到压力而变形时，其内部会产生极化现象，两个相对表面就会产生相反的电荷，将此电荷收集起来存储在储能器里，便实现了能量俘获的功能。

3.2无线通信系统

井下作业具有一定的危险性，建立实时性强、稳定的井下通信系统显得尤为重要。WiFi因其覆盖范围广、传输速度快、布网成本低、支持脱网通信等特点，非常适合用于井下的无线通信。WiFi的工作频段一般在2.4GHz以及5GHz，目前常见的无线网络标准以IEEE 802.11系列为主，其中802.11n网络标准最大净传输速度达到600Mbit/s 。使用多核心、多频段的WiFi既可以做信号覆盖，又可以用于远距离传输，增加WiFi的AP数量还可以满足大量用户的接入。

无线通信系统由地面控制台和井下通信网络组成，整体架构为TCP/IP，系统使用WiFi网络进行数据传输，无线网桥用于连接井下各个无线AP实现井下无线网络的信息传递，多个无线AP起到扩大WiFi覆盖范围和增加用户连接数的作用，实现井下与地面的信息交流。无线通信网络主要由无线AP、无线网桥、交换机、语音网关等组成，如下系统框图2所示。

地面控制台通过操作以太网交换机，分配IP给移动设备，运用语音网关将PSTN（公用电话交换网）与IP网络连接起来。利用VoIP（基于IP的语音传输）将语音进行算法的压缩，语音数据按TCP/IP 标准进行打包，IP 网络把数据包送至接收地，数据在移动终端重新组装[2]。信号覆盖内的移动设备即可在矿洞内通信，只要配置AP，就可以通过互联网相互通话，实现地面与井下的通信。

3.3环境监测系统

气体监测：通过瓦斯探测器、CO浓度传感器、O2浓度传感器等各种传感器时时监测有害气体（瓦斯、CO、H2S、NO2、SO2、NH3、H2等）浓度及氧气浓度，并将测得数据通过无线通信系统，上传到地面控制台以及井下的监测站。当某一种有害气体的浓度超过设置的阈值时，地面控制台和井下监测站会收报警报，井下监测站人员会第一时间处理，确保井下工作人员的生命安全。地面控制台则通过井下的数据和参数分析，指挥工作并判断是否需要派遣人员增援。

矿压监测：在关键性的结构上安装压力传感器，通过压力传感器检测该处矿压大小，无线通信系统将数据传到地面控制台和井下的监测站，当压力传感器的数据超过设定值一定数量时会报警，通知所在位置的人员撤离，防止矿洞坍塌造成不可挽回的损失。

4、结束语

本文在传统的井下供电方式的基础上，综合运用机械原理的相关知识设计出一种自供电的井下通信与环境监测系统，打破了传统供电方式的局限，对井下无线通信设备的提供了一种可行的无源供电的方案。一定程度上节约了井下作业的成本，提高了作业环境的安全性，相信在不久的将来，本装置可以广泛的应用于井下作业中。

参考文献：

[1]张春强. 无线局域网组建与应用[J]. 信息与电脑（理论版）， 2014（08）： 189-190.

[2]方立杰， 刘毓. VOIP中关键技术的研究[J]. 科技广场， 2010（03）： 42-45.

*基金项目：

桂林电子科技大学2020年国家级大学生创业训练项目“一种井下无线通信与环境监测设备的研发与推广”项目（项目编号：202010595265）。