基于能量采集的井下无线监测系统生命周期优化研究

发布时间：2020-05-12 02:43

【摘要】：随着矿山物联网技术的发展,越来越多的无线监测设备及装置安装到煤矿井下巷道中,以此满足煤矿不断增长的矿山安全监测需求。但是,与煤矿井下的普通巷道不同,井下工作面是一个随着开采的推进而动态变化的空间,在此布置的无线的节点只能采用电池供电,且布置后节点由于所处条件差,无法更换电池,导致无线网络生命周期短,因此目前为止,并没有在煤矿工作面的成功应用案例。基于此,本文对煤矿井下无线监测系统的生命周期优化方法展开研究,从工作面能量收集方法和低功耗路由协议设计两个方面来延长无线节点的生命周期。首先,本文对可用于能量收集的环境能量进行了分析,并结合井下工作环境的结构特点,提出了一种基于能量收集的井下综采工作面无线网络模型。该模型基于采煤机减速箱上布置的移动路由节点作为转发核心,该节点可以获取机器表面的热量转为自身电量,并携带或转发移动路径上其它无线传感器节点信息,减少无线节点多跳通信的次数和转发节点工作时间,从而达到全网的能量均衡,延长网络生命周期。其次,为移动节点设计了一种能量收集装置。本文基于温差发电片及升压管理模块设计了一种井下设备表面温差的热电能量收集装置,并利用该装置为锂离子电池供电。试验结果表明该电路能够在低至100mV时持续能量采集;采用风冷或水冷散热方式,可使温差发电片的稳定输出功率提高几十倍;采用bq25505升压管理模块收集温差热能,可使锂电池的放电工作时间显著提高,并且该模块的能量转化效率可达67%。最后,根据井下综采工作面的结构特点,设计了无线传感器网络模型,提出一种基于能量采集的分簇多跳路由协议EHCM。该协议利用采煤机上能够收集温差热能的移动路由节点,对工作面上监测节点的数据进行收集、并和设定的阈值比较后进行存储或转发。仿真结果表明该协议能够有效的平衡和减少网络节点的能耗;还提出一种分层次的能量补充模型,可以进一步的均衡监测节点的剩余能量,对剩余能量较少的节点进行能量补充,避免局部节点过早死亡,从而提高无线传感器网络的生命周期。
【图文】：

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电力设备的发热，虽然大型设备本身存在散热系统，但其表面温度度。在淄矿集团、山煤集团、兖矿集团等煤矿调研时发现，，工作面采送机的传动系统表面温度在停机 2 小时后，依然高达 48 ℃，开机度可达 60 ℃以上，具有可观的温差能量。特别是刮板输送机、采冷系统可以加以利用，在工作面其余位置，则可利用风冷散热装置端进行散热，能够有效提高热电材料两端的温度差，增加热电材料率[53]。井下工作面无线监测系统模型（Wireless Monitoring Sel of Working Face in Mine）井下通信系统结构国的煤矿大多属于地下作业，煤矿开采会从地面向地下开掘一系列些巷道最终通至采区，即综采工作面。整体的矿井结构主要包括井个综采工作面，这些井巷形状不同、长短不一，最长可达几万米，面由纵横交错的巷道连接通往地面，如图 2-2 所示。

示意图,采集试验,成包,转换装置

abΔT→0ΔTdT（节点2导体a导体b节点1T1T2V图 3-3 塞贝克效应示意图Figure 3-3 Schematic diagram of Seebeck effect温差能转换特性分析（ Analysis of Thermal Eversion Characteristic）于第二章调研和现场测试结果，在实验室搭建了温差能量收集的试用以模拟井下工作面环境，测试和分析了不同种类热电材料的热电同冷却方式的热电转换效率。试验平台如图 3-4 所示。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD76;TP274

【参考文献】