基于ZigBee的風(fēng)電桿塔狀態(tài)及機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究*

鄔春明，孫緒龍，姚 冰，劉海維

(東北電力大學(xué) 信息工程學(xué)院，吉林 吉林132012)

由于全球能源供應(yīng)緊張以及環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，作為綠色能源的風(fēng)能已受到世界各國(guó)的高度關(guān)注。2012年3月，中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)正式公布《2011年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)》。2011年中國(guó)(不包括臺(tái)灣地區(qū))新增安裝風(fēng)電機(jī)組 11 409臺(tái)，裝機(jī)容量17 630.9 MW，累計(jì)安裝風(fēng)電機(jī)組45 894臺(tái)，裝機(jī)容量62 364.2 MW，年增長(zhǎng)39.4%[1-2]。年發(fā)電量達(dá)到 800億千瓦小時(shí)。預(yù)計(jì)到2020年，風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到1.5×105MW。隨著風(fēng)電機(jī)組容量的加大，風(fēng)電桿塔以及機(jī)組的安全隱患日益突出，因此預(yù)防風(fēng)電桿塔倒塌和機(jī)組故障的發(fā)生也成為風(fēng)電研究的熱點(diǎn)課題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由傳感器采集節(jié)點(diǎn)、3G無線網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)等3部分組成[3]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理，通過多節(jié)點(diǎn)協(xié)同和數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和傳輸，再通過3G網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)傳給監(jiān)控中心，監(jiān)測(cè)中心提取出有效信息，例如振動(dòng)幅度、傾斜角度、沉降量、時(shí)間、日期、桿塔序號(hào)等[4]，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，然后從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取這些信息在界面上進(jìn)行顯示。

2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee模塊

處理器采用CC2530芯片，滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM波段應(yīng)用，以及ZigBee對(duì)低成本、低功耗的要求；集成了增強(qiáng)型高速8051內(nèi)核處理器，8 KB的RAM，多達(dá)256 KB的閃存以及支持更大的應(yīng)用。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能、業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8 KB RAM和許多其他強(qiáng)大的功能[5-6]。為提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器和路由器節(jié)點(diǎn)的無線傳輸性能，在CC2530的射頻前端加裝一款高性能的低成本射頻功放CC2591芯片，可以延長(zhǎng)現(xiàn)有ZigBee傳輸模塊的通信距離。

2.2 振動(dòng)傳感器采集模塊

2.2.1 振動(dòng)傳感器選取

根據(jù)軸承轉(zhuǎn)速的不同，選擇的振動(dòng)傳感器類型也有所不同。主軸承轉(zhuǎn)速較低，本設(shè)計(jì)選取上海維逸機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的AC102低頻加速度傳感器，齒輪箱和發(fā)電機(jī)選取該公司生產(chǎn)的AC135高頻加速度傳感器。

振動(dòng)采集模塊首先由振動(dòng)傳感器采集數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過調(diào)理電路將信號(hào)濾波、放大，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，最后傳給ZigBee模塊。

2.2.2 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路主要由電壓跟隨器和二階RC低通濾波器組成,它的主要作用是將振動(dòng)傳感器輸入的電壓信號(hào)中高頻信號(hào)成分濾掉，并將穩(wěn)定的信號(hào)輸入到A/D轉(zhuǎn)換模塊。為了提高測(cè)量精度,采用二階RC低通濾波和一路電壓跟隨電路來進(jìn)行信號(hào)處理，如圖2所示。

LM2902M運(yùn)放具有精度高、增益大、功耗小、工作電壓寬、工作溫度寬、電壓溫漂小等特點(diǎn)。電壓跟隨器的作用是保證輸入A/D轉(zhuǎn)換模塊的電壓與濾波后的電壓始終一致,增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力。

2.2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路選用TI公司生產(chǎn)的ADS8364，它有6路信號(hào)輸入通道，能將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為16位的輸出信號(hào)，具有低功耗、高轉(zhuǎn)換速率和高分辨率的特點(diǎn)。采用逐次逼近式的轉(zhuǎn)換模式，當(dāng)輸入時(shí)鐘為5 MHz時(shí)，其最高轉(zhuǎn)換速率為250 KS/s。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路

2.3 傾斜傳感器采集模塊

傾斜傳感器采用芬蘭VTI Technologies公司生產(chǎn)的SCA100T傾斜傳感器，它利用重力加速度實(shí)現(xiàn)傾斜測(cè)量。SCA100T的供電電源為4.75 V～5.25 V，工作溫度為-40～80℃；測(cè)量量程為 30°；測(cè)量精度為千分之一度[7]。為了保證SCA100T穩(wěn)定工作，應(yīng)盡量選取5 V直流電源供電，而且數(shù)字電源線應(yīng)盡量減少耦合。CC2530芯片的P0_5、P0_2、P0_3引腳分別與傾斜傳感器 SCA100T的SCK、MISO和MOSI引腳相連接，實(shí)現(xiàn)相互之間的通信，從而能夠把采集到的傾斜角度數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸出去。傾斜傳感器接口電路如圖3所示。

圖4 RS485接口電路

圖3 傾斜傳感器接口電路圖

2.4 沉降傳感器采集模塊

沉降傳感器選用QSY600A型智能化沉降觀測(cè)系統(tǒng)，QSY600A型智能化沉降觀測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)共用一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的觀測(cè)模式，有利于降低觀測(cè)成本。QSY600A型智能化沉降觀測(cè)系統(tǒng)通過RS485總線與ZigBee模塊相連接，連接圖如圖4所示。CC2530芯片的P0_2和P0_3引腳分別與SP485R芯片的1引腳RO和4引腳DI連接，由于CC2530芯片只接收沉降傳感器傳來的數(shù)據(jù)，不向沉降傳感器發(fā)送任何信息，所以RE、DE引腳一直處于低電平狀態(tài)。

2.5 圖像采集模塊

圖像采集節(jié)點(diǎn)使用的是C328，其中C328是以O(shè)V7640作為圖像傳感器芯片。0V7640是美國(guó)ominiVISion公司開發(fā)的低電壓CMOS圖像傳感器芯片,像素為30萬。利用CC2530控制C328攝像頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。連接電路圖如圖5所示。

圖5 圖像采集電路原理圖

傳統(tǒng)相機(jī)節(jié)點(diǎn)壓縮圖像或簇頭節(jié)點(diǎn)壓縮圖像的傳輸方案均會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)能量很快耗盡，并且計(jì)算量過大。利用多節(jié)點(diǎn)協(xié)同實(shí)現(xiàn)本地圖像的壓縮和傳輸，是解決此問題的有效途徑。因此本文擬采用多節(jié)點(diǎn)協(xié)同的圖像處理與傳輸解決方案，將圖像壓縮任務(wù)有效地分解到多個(gè)普通節(jié)點(diǎn)上。首先相機(jī)節(jié)點(diǎn)將采集到的圖像分成若干個(gè)8×8的像素塊，并發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)將圖像塊分配給簇內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)，然后每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)圖像進(jìn)行DCT變換、量化和Huffman編碼。最后普通節(jié)點(diǎn)將壓縮好的圖像傳回給路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)將圖像整合后發(fā)送給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。

3 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集傳輸模塊

ZigBee模塊上電后，CC2530硬件設(shè)備初始化并嘗試加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)加入到網(wǎng)絡(luò)后，傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入低功耗的休眠模式[8]。當(dāng)定時(shí)器發(fā)生中斷時(shí)，進(jìn)入工作模式，通過傳感器采集數(shù)據(jù)，并將傾斜、沉降、振動(dòng)等數(shù)據(jù)向上層傳輸。之后檢查數(shù)據(jù)是否傳輸完成，若成功則再次進(jìn)入休眠模式，等待下次中斷發(fā)生。否則重新發(fā)送，程序流程圖如圖6(a)所示。

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心部分，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分配[9]，以及數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)首先初始化CC2530并建立一個(gè)新ZigBee網(wǎng)絡(luò)，然后進(jìn)入無線監(jiān)測(cè)模式。在此狀態(tài)下，判斷信號(hào)是入網(wǎng)信號(hào)還是傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)，以此決定是分配地址還是將數(shù)據(jù)傳到3G模塊[10]。程序流程圖如圖6(b)所示。

3.2 監(jiān)控中心模塊

監(jiān)控中心具有歷史數(shù)據(jù)查詢、顯示歷史數(shù)據(jù)曲線、開始查詢、打印輸出等功能，風(fēng)電桿塔及其機(jī)組運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)以及控制管理平臺(tái)界面如圖7所示。當(dāng)需要采集數(shù)據(jù)時(shí)點(diǎn)擊采集按鈕即可獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊右側(cè)拍攝按鈕可以實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片的圖像拍攝[11]，從而實(shí)時(shí)獲取葉片的動(dòng)態(tài)。如果系統(tǒng)正常運(yùn)行，則綠燈亮，當(dāng)數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閾值時(shí)，紅燈就會(huì)點(diǎn)亮，以達(dá)到預(yù)警的目的。

點(diǎn)擊圖7左側(cè)的“歷史數(shù)據(jù)查詢”可以查看以往的傾斜、沉降歷史數(shù)據(jù)[12]。1號(hào)桿塔傾斜、沉降歷史數(shù)據(jù)查詢界面如圖8所示，圖中記錄了塔桿傾斜及沉降的數(shù)據(jù)，每隔2天采集一次數(shù)據(jù)。

圖6 數(shù)據(jù)采集傳輸軟件流程圖

圖7 風(fēng)電桿塔及及其機(jī)組運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)中心

圖8 1號(hào)桿塔狀態(tài)數(shù)據(jù)曲線圖

同樣，點(diǎn)擊圖7右側(cè)的“歷史數(shù)據(jù)查詢”可以查看以往的機(jī)組振動(dòng)歷史數(shù)據(jù)，包括齒輪箱、主軸承和發(fā)電機(jī)的振動(dòng)數(shù)據(jù)。通過描點(diǎn)畫出齒輪箱、主軸承和發(fā)電機(jī)歷史振動(dòng)曲線，方便監(jiān)測(cè)人員更直觀地了解數(shù)據(jù)的走勢(shì)。

本課題將成熟的ZigBee技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電桿塔狀態(tài)及機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，通過短距離無線通信技術(shù)對(duì)桿塔傾斜、沉降及機(jī)組振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行采集，最終通過3G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)處監(jiān)控中心，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證風(fēng)電桿塔及機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

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