由于全球能源供應(yīng)緊張以及環(huán)境污染問題的日益嚴重，作為綠色能源的風(fēng)能已受到世界各國的高度關(guān)注。2012年3月，中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會正式公布《2011年中國風(fēng)電裝機容量統(tǒng)計》。2011年中國(不包括臺灣地區(qū))新增安裝風(fēng)電機組11 409臺，裝機容量17 630.9 MW，累計安裝風(fēng)電機組45 894臺，裝機容量62 364.2 MW，年增長39.4%[1-2]。年發(fā)電量達到800億千瓦小時。預(yù)計到2020 年，風(fēng)電裝機容量將達到1.5×105 MW。隨著風(fēng)電機組容量的加大，風(fēng)電桿塔以及機組的安全隱患日益突出，因此預(yù)防風(fēng)電桿塔倒塌和機組故障的發(fā)生也成為風(fēng)電研究的熱點課題。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
    系統(tǒng)主要由傳感器采集節(jié)點、3G無線網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心節(jié)點等3部分組成[3]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器負責(zé)數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理，通過多節(jié)點協(xié)同和數(shù)據(jù)融合技術(shù)對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和傳輸，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)測中心提取出有效信息，例如振動幅度、傾斜角度、沉降量、時間、日期、桿塔序號等[4]，并存入數(shù)據(jù)庫，然后從數(shù)據(jù)庫中提取這些信息在界面上進行顯示。

2 節(jié)點硬件設(shè)計
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對低成本、低功耗的要求；集成了增強型高速8051內(nèi)核處理器，8 KB的RAM，多達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)界標準的增強型8051 CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8 KB RAM和許多其他強大的功能[5-6]。為提高監(jiān)測系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器和路由器節(jié)點的無線傳輸性能，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，可以延長現(xiàn)有ZigBee傳輸模塊的通信距離。
2.2 振動傳感器采集模塊
2.2.1 振動傳感器選取
    根據(jù)軸承轉(zhuǎn)速的不同，選擇的振動傳感器類型也有所不同。主軸承轉(zhuǎn)速較低，本設(shè)計選取上海維逸機電設(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)電機選取該公司生產(chǎn)的AC135高頻加速度傳感器。
    振動采集模塊首先由振動傳感器采集數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過調(diào)理電路將信號濾波、放大，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，最后傳給ZigBee模塊。
2.2.2 信號調(diào)理電路
    信號調(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傳感器輸入的電壓信號中高頻信號成分濾掉，并將穩(wěn)定的信號輸入到A/D轉(zhuǎn)換模塊。為了提高測量精度,采用二階RC低通濾波和一路電壓跟隨電路來進行信號處理，如圖2所示。

    LM2902M運放具有精度高、增益大、功耗小、工作電壓寬、工作溫度寬、電壓溫漂小等特點。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,增強信號的抗干擾能力。
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路信號輸入通道，能將輸入信號轉(zhuǎn)換為16位的輸出信號，具有低功耗、高轉(zhuǎn)換速率和高分辨率的特點。采用逐次逼近式的轉(zhuǎn)換模式，當輸入時鐘為5 MHz時，其最高轉(zhuǎn)換速率為250 KS/s。
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現(xiàn)傾斜測量。SCA100T的供電電源為4.75 V～5.25 V，工作溫度為
-40～80 ℃；測量量程為30°；測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。

2.4 沉降傳感器采集模塊
    沉降傳感器選用QSY600A型智能化沉降觀測系統(tǒng)，QSY600A型智能化沉降觀測系統(tǒng)可以實現(xiàn)多個沉降觀測點共用一個基準點的觀測模式，有利于降低觀測成本。QSY600A型智能化沉降觀測系統(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，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。連接電路圖如圖5所示。

    傳統(tǒng)相機節(jié)點壓縮圖像或簇頭節(jié)點壓縮圖像的傳輸方案均會導(dǎo)致節(jié)點能量很快耗盡，并且計算量過大。利用多節(jié)點協(xié)同實現(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)有效地分解到多個普通節(jié)點上。首先相機節(jié)點將采集到的圖像分成若干個8×8的像素塊，并發(fā)送給路由節(jié)點，路由節(jié)點將圖像塊分配給簇內(nèi)其他節(jié)點，然后每個節(jié)點對圖像進行DCT變換、量化和Huffman編碼。最后普通節(jié)點將壓縮好的圖像傳回給路由節(jié)點，路由節(jié)點將圖像整合后發(fā)送給協(xié)調(diào)節(jié)點。
3 軟件平臺設(shè)計
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)。當加入到網(wǎng)絡(luò)后，傳感器節(jié)點進入低功耗的休眠模式[8]。當定時器發(fā)生中斷時，進入工作模式，通過傳感器采集數(shù)據(jù)，并將傾斜、沉降、振動等數(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)點是整個網(wǎng)絡(luò)的核心部分，負責(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)點首先初始化CC2530并建立一個新ZigBee網(wǎng)絡(luò)，然后進入無線監(jiān)測模式。在此狀態(tài)下，判斷信號是入網(wǎng)信號還是傳感器的檢測數(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)電桿塔及其機組運行參數(shù)監(jiān)測以及控制管理平臺界面如圖7所示。當需要采集數(shù)據(jù)時點擊采集按鈕即可獲取實時數(shù)據(jù)，點擊右側(cè)拍攝按鈕可以實現(xiàn)對葉片的圖像拍攝[11]，從而實時獲取葉片的動態(tài)。如果系統(tǒng)正常運行，則綠燈亮，當數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閾值時，紅燈就會點亮，以達到預(yù)警的目的。
    點擊圖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)。

    同樣，點擊圖7右側(cè)的“歷史數(shù)據(jù)查詢”可以查看以往的機組振動歷史數(shù)據(jù)，包括齒輪箱、主軸承和發(fā)電機的振動數(shù)據(jù)。通過描點畫出齒輪箱、主軸承和發(fā)電機歷史振動曲線，方便監(jiān)測人員更直觀地了解數(shù)據(jù)的走勢。
    本課題將成熟的ZigBee技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電桿塔狀態(tài)及機組振動監(jiān)測系統(tǒng)中，通過短距離無線通信技術(shù)對桿塔傾斜、沉降及機組振動參數(shù)進行采集，最終通過3G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h處監(jiān)控中心，進行實時監(jiān)測，保證風(fēng)電桿塔及機組的安全、穩(wěn)定運行。
參考文獻
[1] 郝國文.大型風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)故障診斷信息分析方法研究與應(yīng)用[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2011.
[2] 楊文華.風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢綜述[J].寧夏電力，2011(4)：51-56.
[3] 宋光明，葛運建.智能傳感器網(wǎng)絡(luò)研究與發(fā)展[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2013(2)：107-112.
[4] 張毅，張靈至，盧威.面向物聯(lián)網(wǎng)的ZigBee-紅外控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(5)：82-85.
[5] 沙國榮，趙不賄，景亮，等.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)的溫室大棚環(huán)境測控系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38(1)：60-65．
[6] 練方興，鮑鴻，龍盛鵬.基于ZigBee的機房環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38(1)：66-69.
[7] 李靜，張萌.高精度傾角傳感器SCA100T在測斜儀中的 應(yīng)用[J].儀器儀表用戶，2008,15(1)：55-56.
[8] 王邵卜.基于ZigBee的水產(chǎn)養(yǎng)殖智能檢測系統(tǒng)研究[J].微型機與應(yīng)用，2013,32(7)：16-19.
[9] 魯進，郭利進.基于ZigBee的LED路燈照明系統(tǒng)設(shè)計與研究[J]．微型機與應(yīng)用，2013，32(9)：78-84.
[10] 廖之健，徐治康，趙讀俊.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37(3)：22-25.
[11] 閏叢叢.無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)圖像采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2010.
[12] 李虎.大型風(fēng)電機組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)[D].北京：華北電力大學(xué)，2009.