由于全球能源供應緊張以及環(huán)境污染問題的日益嚴重,，作為綠色能源的風能已受到世界各國的高度關(guān)注。2012年3月,，中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會正式公布《2011年中國風電裝機容量統(tǒng)計》,。2011年中國(不包括臺灣地區(qū))新增安裝風電機組11 409臺，裝機容量17 630.9 MW,，累計安裝風電機組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,。預計到2020 年，風電裝機容量將達到1.5×105 MW。隨著風電機組容量的加大,，風電桿塔以及機組的安全隱患日益突出,，因此預防風電桿塔倒塌和機組故障的發(fā)生也成為風電研究的熱點課題。
1 系統(tǒng)總體設計
    系統(tǒng)主要由傳感器采集節(jié)點,、3G無線網(wǎng)絡,、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,。傳感器負責數(shù)據(jù)的采集和預處理,，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)點硬件設計
2.1 ZigBee模塊
    處理器采用CC2530芯片,，滿足以ZigBee為基礎的2.4 GHz ISM波段應用，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,，本設計選取上海維逸機電設備有限公司生產(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，應盡量選取5 V直流電源供電,，而且數(shù)字電源線應盡量減少耦合,。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OV7640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 軟件平臺設計
3.1 數(shù)據(jù)采集傳輸模塊
    ZigBee模塊上電后,，CC2530硬件設備初始化并嘗試加入無線傳感器網(wǎng)絡。當加入到網(wǎng)絡后,，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)絡的核心部分,，負責網(wǎng)絡協(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,，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)超過設定的閾值時，紅燈就會點亮,，以達到預警的目的,。
    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)應用于風電桿塔狀態(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,，保證風電桿塔及機組的安全,、穩(wěn)定運行。
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