專利名稱：基于無線聲發(fā)射傳感器網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電葉片損傷監(jiān)測定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)電葉片健康監(jiān)測與安全評估領(lǐng)域，具體提供了一種基于無線聲發(fā)射傳感器網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電葉片損傷監(jiān)測與定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，隨著國家大力支持可再生能源的發(fā)展，風(fēng)電裝機容量的迅猛增長和單機容量不斷增大，對風(fēng)電設(shè)備的安全可靠性、運行穩(wěn)定性提出了極高的要求。風(fēng)力發(fā)電機組是由葉片、傳動系統(tǒng)、發(fā)電機、儲能設(shè)備、塔架及電器系統(tǒng)等組成的發(fā)電裝置。風(fēng)力發(fā)電機葉片(簡稱風(fēng)電葉片)是其中最重要的部件，其服役狀態(tài)對整個風(fēng)電機組的安全運行影響極大。由于我國的風(fēng)力發(fā)電場主要分布在三北(東北、華北、西北)以及沿海地區(qū)，風(fēng)電葉片在服役過程中需要長期承受強風(fēng)載荷、雨雪、砂粒沖刷、紫外線照射、大氣氧化與鹽霧腐蝕等外界侵蝕，相對國外風(fēng)電葉片的工作環(huán)境來說，我國的風(fēng)電葉片服役環(huán)境更為復(fù)雜和惡劣，對風(fēng)電葉片的服役安全造成了極大威脅。因此，為了保障我國風(fēng)電葉片的服役安全，減少重大經(jīng)濟損失，避免災(zāi)難性事故的發(fā)生，合理維修、減少維護(hù)成本，采取有效的技術(shù)手段及方法對風(fēng)電葉片進(jìn)行健康監(jiān)測具有十分重要的理論意義和實際意義。風(fēng)電葉片具有尺寸和重量大、服役環(huán)境惡劣、外形和載荷復(fù)雜等特點，而且我國的風(fēng)電葉片主要采用玻璃鋼等復(fù)合材料，制作工藝受環(huán)境和人工影響很大，有一定的隨機性和不確定性。目前，對風(fēng)電葉片主要采用定期停機檢修的方式進(jìn)行維護(hù)，缺乏行之有效的健康監(jiān)測與損傷預(yù)測方法，存在重大安全隱患。然而，考慮到風(fēng)電葉片自身和服役特點，利用傳統(tǒng)的有線、有源的在線監(jiān)測方式對其進(jìn)行健康監(jiān)測將會面臨布線施工難、后期維護(hù)難、可擴展性和可維護(hù)性差的問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)是一種新興的數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)，它利用無線通信的方式將大量的傳感器節(jié)點形成一個多跳的、自組織的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，具有無線通信傳輸、可靠性高、自組織、維護(hù)方便、擴展性好等特點，可以有效地解決風(fēng)電葉片健康監(jiān)測存在的問題。由于材料或構(gòu)件在受到外力或內(nèi)力作用時，內(nèi)部的應(yīng)變能以彈性波的形式迅速釋放出來，聲發(fā)射對材料或構(gòu)件缺陷的起始和擴展具有特殊的敏感性，并且具有動態(tài)檢測能力，是復(fù)合材料的損傷研究的最有效的方法之一。因此，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與聲發(fā)射技術(shù)對風(fēng)電葉片的損傷進(jìn)行監(jiān)測和定位，有利于建立實時、可靠、長期監(jiān)測的風(fēng)電葉片健康監(jiān)測系統(tǒng)，為風(fēng)電葉片的健康狀態(tài)評價建立統(tǒng)一有效的標(biāo)準(zhǔn)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。目前，與本發(fā)明相關(guān)的公開文獻(xiàn)如下
(I)中國專利(申請?zhí)?01120265063. I)公開了一種風(fēng)電機組智能預(yù)警應(yīng)急系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)裝置，包括傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理控制模塊、無線通信模塊和供電模塊。該裝置可以對風(fēng)電機艙和塔體內(nèi)控制柜內(nèi)的溫度、煙霧、圖像等物理信息進(jìn)行感知和識別，實現(xiàn)對機艙內(nèi)溫度和空氣中煙譜變化情況進(jìn)行精確自動監(jiān)測；可以對機艙內(nèi)氧氣濃度進(jìn)行檢測，進(jìn)行環(huán)境安全抱緊，以確保人員的身體健康與生命安全。(2)北京化工大學(xué)的楊劍鋒、韓敬宇研究了基于聲發(fā)射技術(shù)的風(fēng)電葉片裂紋無線監(jiān)測系統(tǒng)，論文實現(xiàn)了基于CC2480與ATmegal28的硬件節(jié)點，而且可進(jìn)行聲發(fā)射數(shù)據(jù)的特征值計算，無線通信部分則負(fù)責(zé)把這三個特征參數(shù)進(jìn)行傳輸。(3)中國專利(申請?zhí)朇N200820165073.6)公開了一種植物檢測裝置。目的是提供的植物聲發(fā)射信號檢測裝置應(yīng)具有功耗低、可靠性強、安裝及維護(hù)便利等特點，并且成本 較低。該方案包括隨機部署在田間不同植株莖上的一組無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，每個節(jié)點包括聲發(fā)射傳感器和及配套模塊；所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過一個或數(shù)個網(wǎng)關(guān)、基站與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通信；數(shù)據(jù)傳送的過程是每個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)通過相鄰節(jié)點接力傳送的方式傳送回網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)發(fā)給基站，通過基站以衛(wèi)星信道或者有線網(wǎng)絡(luò)連接的方式傳送給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；其特征在于所述的每個聲發(fā)射傳感器設(shè)置在植物莖部，以直接感知植物的聲發(fā)射信號。(4)中國專利(申請?zhí)朇N201110065468. 5)公開了一種化工場景下人員定位監(jiān)測系統(tǒng)及定位方法。現(xiàn)有的定位設(shè)備成本高、定位精度低。本發(fā)明包括RS-485總線、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置和分布在各車間的分站網(wǎng)關(guān)。RS-485總線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)按照RS-485總線通訊協(xié)議進(jìn)行通訊；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)按照串行通訊協(xié)議通過RS-232串口進(jìn)行通訊；RS-485總線網(wǎng)絡(luò)與無線傳感器通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置和各車間分站網(wǎng)關(guān)連接，用于將指令和參數(shù)傳輸給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明能夠精確獲得工作人員在車間中的位置，并提供實時動態(tài)定位數(shù)據(jù)。(5)中國專利(申請?zhí)朇N201010264833.0)公開了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的機場環(huán)境監(jiān)控方法，通過搭建一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和一個專用虛擬網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)機場環(huán)境的實時監(jiān)控和預(yù)警處理，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、終端設(shè)備和監(jiān)測節(jié)點構(gòu)成，專用虛擬網(wǎng)絡(luò)由監(jiān)控中心、手持設(shè)備和安防系統(tǒng)構(gòu)成，其顯著效果是監(jiān)控中心采用虛擬專用網(wǎng)，利于數(shù)據(jù)信息的保密性和安全性，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在不同情況下采用不同的無線信道接入機制，保證了緊急情況下監(jiān)測節(jié)點實時向監(jiān)控中心匯報有效環(huán)境信息，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與虛擬專業(yè)網(wǎng)絡(luò)之間采用GPRS協(xié)議，擴大了數(shù)據(jù)傳送距離，監(jiān)控中心能夠?qū)ι蟼鞯沫h(huán)境信息進(jìn)行實時判斷和預(yù)警處理，增強了機場安防體系的智能性和完善性，可準(zhǔn)確而實時的制止事故發(fā)生。綜上所述，目前圍繞風(fēng)電葉片損傷監(jiān)測、損傷定位等問題的研究，在國內(nèi)外僅有少量的專利和科技論文，但是這些研究成果只解決了部分問題，還存在很多領(lǐng)域尚未探索。具體體現(xiàn)在(I)現(xiàn)有的研究成果大多針對風(fēng)電機組的機艙或者塔架等，沒有考慮到風(fēng)電葉片的特殊性；(2)研究成果涵蓋內(nèi)容較少，僅僅只是解決了前端數(shù)據(jù)采集的問題，而且研究內(nèi)容只涉及數(shù)據(jù)采集的幾個模塊和功能，更沒有對整個葉片的裂紋損傷監(jiān)測的整體解決方案；(3)沒有針對風(fēng)電葉片裂紋損傷位置的實時定位系統(tǒng)，缺乏對裂紋擴展趨勢的預(yù)警機制；(4)研究的無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點處理能力有限，難以應(yīng)對復(fù)雜的應(yīng)用背景。本發(fā)明針對以上問題，提出了一種基于無線聲發(fā)射傳感器網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電葉片損傷監(jiān)測與定位系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)有線監(jiān)測系統(tǒng)安裝和維護(hù)成本高、擴展性差的問題，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和聲發(fā)射技術(shù)，實現(xiàn)了一種易于安裝維護(hù)、可靠性和穩(wěn)定性高、適用性好、裂紋損傷位置定位準(zhǔn)確的風(fēng)電葉片裂紋損傷的監(jiān)測的整體解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供基于無線聲發(fā)射傳感器網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電葉片損傷監(jiān)測與定位系統(tǒng)，整個系統(tǒng)避免了電源線和數(shù)據(jù)線的鋪設(shè)，主動偵聽到的葉片裂紋損傷數(shù)據(jù)通過兩級無線方式發(fā)送到遠(yuǎn)程的監(jiān)控中心，可以實現(xiàn)葉片裂紋的實時監(jiān)測，以及裂紋位置的實時定位。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種基于無線聲發(fā)射傳感器網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電葉片損傷監(jiān)測與定位系統(tǒng)，包括葉片裂紋數(shù)據(jù)采集無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點(I)、對數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼傳輸?shù)拇仡^節(jié)點
(2)、匯聚數(shù)據(jù)的網(wǎng)管匯聚節(jié)點(3)以及監(jiān)控中心，其特征在于
每個葉片上部署多個無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點(I)用于采集數(shù)據(jù)，每個葉片上的無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點構(gòu)成一個簇，并為每個簇分配一個作為數(shù)據(jù)中繼的簇頭節(jié)點(2)，無線聲發(fā) 射傳感器節(jié)點在規(guī)定的時隙內(nèi)向簇頭節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，簇內(nèi)節(jié)點通過D-S證據(jù)理論和三點定位方法實現(xiàn)裂紋的位置定位；簇頭節(jié)點部署在葉片根部，采用電源/鋰電池供電，不間斷的監(jiān)聽簇內(nèi)節(jié)點的數(shù)據(jù)，每個簇分配一個常用工作頻率；簇頭節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)管匯聚節(jié)點(3)，不間斷的監(jiān)聽簇頭節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)；網(wǎng)管匯聚節(jié)點(3)通過以太網(wǎng)或者GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)連接現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，將裂紋數(shù)據(jù)存儲入數(shù)據(jù)中心；無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點(I)、簇頭節(jié)點
(2)和匯聚節(jié)點(3)都具有自檢模塊，在節(jié)點啟動或者根據(jù)用戶指令完成節(jié)點自檢，檢測節(jié)點各模塊是否正常工作；如果出現(xiàn)異常，將及時在客戶端進(jìn)行顯示和預(yù)警；終端用戶通過監(jiān)控中心實時掌握風(fēng)電葉片的服役狀態(tài)，實時了解葉片裂紋的擴展情況，及時預(yù)警。進(jìn)一步的，安裝于風(fēng)電葉片上的無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點(I)包括FPGA控制單元、數(shù)據(jù)緩存模塊、電源管理模塊、聲發(fā)射傳感器、數(shù)據(jù)高速采集模塊、前置放大器、高速數(shù)據(jù)處理模塊、無線射頻單元；節(jié)點啟動后實時監(jiān)測葉片裂紋信息，利用數(shù)據(jù)采集模塊可以實現(xiàn)聲發(fā)射數(shù)據(jù)的高速采集，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過前置放大處理后，通過高速數(shù)據(jù)處理模塊從采集的數(shù)據(jù)中提取聲發(fā)射參數(shù)特征數(shù)據(jù)，然后利用2. 4G無線射頻模塊將特征參數(shù)數(shù)據(jù)打包發(fā)送至中繼簇頭節(jié)點；無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點(I)采用鋰電池獨立供電，具有電壓監(jiān)測功能，在電池電壓下降到閾值時，及時報警，提醒監(jiān)控中心更換電池；無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點的自檢模塊用于節(jié)點各模塊的功能檢測，防止由于節(jié)點出現(xiàn)故障而延誤裂紋數(shù)據(jù)采集。進(jìn)一步的，匯聚節(jié)點(3)包括無線射頻模塊、以太網(wǎng)控制模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊、微控制單元、GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)模塊、USB和串口通訊單元、自檢模塊、電源管理模塊，使用220V電源供電，在電源出現(xiàn)問題時自動切換到電池供電功能，保證數(shù)據(jù)的存儲和傳輸；數(shù)據(jù)緩存模塊用于保存臨時緩存中繼節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，或者突發(fā)網(wǎng)絡(luò)中斷情況下無法發(fā)送到監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)，保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸；匯聚節(jié)點可以通過以太網(wǎng)或者GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)與風(fēng)電場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)連接，將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心；匯聚節(jié)點具有頻率掃描功能，在簇頭節(jié)點的使用的所有頻率上進(jìn)行掃描，接收來自簇頭節(jié)點的數(shù)據(jù)；匯聚節(jié)點的自檢模塊實現(xiàn)節(jié)點的各硬件單元是否正常工作的自動檢測。進(jìn)一步的，對數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼傳輸?shù)拇仡^節(jié)點(2)的無線射頻模塊具有頻率掃描功能，當(dāng)無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點(I)感知到裂紋數(shù)據(jù)的特征值超過閾值，所有感知到這個裂紋的節(jié)點啟用應(yīng)急頻率發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)中繼節(jié)點進(jìn)行通道掃描時，一旦頻率與無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點(I)使用的應(yīng)急頻率一致時，無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點將裂紋數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭節(jié)點
(2)，簇頭節(jié)點(2)進(jìn)而將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(3);簇頭節(jié)點的自檢模塊用于檢測各模塊能否正常工作，確保簇頭節(jié)點工作正常。進(jìn)一步的，整個系統(tǒng)的不僅包括前端的硬件部分，還包括在監(jiān)控中心的調(diào)度服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器、Web服務(wù)器以及客戶端組成，系統(tǒng)利用簇內(nèi)相關(guān)的無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點(I)通過D-S證據(jù)理論和裂紋數(shù)據(jù)達(dá)到時間對裂紋位置進(jìn)行三維定位，并通過圖形界面在客戶端顯示裂紋的三維位置信息，并能根據(jù)設(shè)定的裂紋閾值進(jìn)行報警。一種基于無線聲發(fā)射傳感器網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電葉片損傷監(jiān)測方法，所述方法如下
當(dāng)葉片產(chǎn)生裂紋或者裂紋擴展，無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點采集裂紋相關(guān)波形數(shù)據(jù)，然后計算獲得聲發(fā)射特征參數(shù)，主要包括振鈴計數(shù)、持續(xù)時間、能量、上升計數(shù)、上升時間等；同 時，無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點判斷特征參數(shù)是否超過了用戶設(shè)定的危險閾值，如果沒有超過閾值，則傳感器節(jié)點將聲發(fā)射特征參數(shù)打包，在規(guī)定的數(shù)據(jù)發(fā)送時隙，將數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭節(jié)點；如果超出了閾值，則傳感器節(jié)點將聲發(fā)射波形數(shù)據(jù)打包，不用等待規(guī)定的時隙，立即啟用規(guī)定的特殊頻率，將數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭節(jié)點；在沒有超過閾值時，簇頭節(jié)點將接收到所有的簇內(nèi)節(jié)點數(shù)據(jù)后，打包發(fā)送到匯聚節(jié)點；如果超過了閾值，表明當(dāng)前的裂紋比較危險，簇頭節(jié)點將利用特殊標(biāo)識對感知到危險裂紋數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，同樣利用規(guī)定的特殊頻率向匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)；匯聚節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)秸{(diào)度服務(wù)器，調(diào)度服務(wù)器協(xié)調(diào)應(yīng)用程序服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器完成數(shù)據(jù)的接收和存儲任務(wù)。一種基于無線聲發(fā)射傳感器網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電葉片損傷定位方法，所述方法如下
用戶在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心選擇裂紋位置定位功能，根據(jù)要確定的裂紋位置，用戶選擇離這個裂紋位置近的傳感器，并設(shè)定需要幾個傳感器用于裂紋位置定位，設(shè)定的數(shù)字必須大于
2;系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇的傳感器，利用K-NN方法或者這個傳感器周圍的節(jié)點；如果近鄰節(jié)點只有2個傳感器，則配合用戶選擇的傳感器，則直接利用三維空間定位方法對裂紋位置進(jìn)行定位；如果近鄰節(jié)點達(dá)到了 3個及以上，系統(tǒng)則利用D-S證據(jù)理論的投票方法，從多個傳感器中選擇2個傳感器，配合用戶選擇的傳感器，利用三個傳感器節(jié)點接收到裂紋信號的時間差通過三維空間定位方法對裂紋位置進(jìn)行定位。本發(fā)明的優(yōu)點在于結(jié)合了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和聲發(fā)射技術(shù)的優(yōu)勢，構(gòu)建了一套應(yīng)用于風(fēng)電葉片的部署靈活、擴展性強、安裝維護(hù)方便、裂紋感知靈敏的損傷監(jiān)測與定位系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)電纜布線時采集點安裝難、維護(hù)難、成本高、擴展性差等問題，整個系統(tǒng)配置簡單、安裝靈活、使用便捷。


圖I基于無線聲發(fā)射傳感器網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電葉片損傷監(jiān)測與定位系統(tǒng)示意圖，其中I為無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點、2為數(shù)據(jù)中繼簇頭節(jié)點、3為匯聚節(jié)點。圖2系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心部署圖。圖3為無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖。圖4為數(shù)據(jù)中繼簇頭節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖。
圖5為數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖。圖6為無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點、簇頭節(jié)點、匯聚節(jié)點自檢功能流程圖。圖7基于無線聲發(fā)射傳感器網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電葉片損傷監(jiān)測與定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程示意圖。圖8葉片裂紋損傷位置定位流程圖。
具體實施例方式 圖I是基于無線聲發(fā)射傳感器網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電葉片損傷監(jiān)測與定位系統(tǒng)示意圖。用戶根據(jù)監(jiān)測需求選擇需要監(jiān)測的葉片位置，主要包括根部、外殼、龍骨(即加強筋或加強框)三個部分組成，在葉尖、前緣和后緣、工作面和氣動面、橫梁以及曲率變化較大的應(yīng)力集中處，在這些關(guān)鍵位置部署相應(yīng)的無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點。由于每個葉片長達(dá)幾十米，部署無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點時要考慮到葉片材料對聲發(fā)射信號衰減嚴(yán)重以及聲發(fā)射傳感器的感知范圍。無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點負(fù)責(zé)完成裂紋數(shù)據(jù)的采集，每個葉片上部署的無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點形成一個簇，每個簇分配一個數(shù)據(jù)中繼簇頭節(jié)點。由于每臺風(fēng)電機組包括三個葉片，因此每臺風(fēng)電機組包含三個簇，每臺風(fēng)電機組分配一個匯聚節(jié)點。無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點在規(guī)定的時隙內(nèi)采集裂紋產(chǎn)生或者擴展的波形數(shù)據(jù)，并通過計算獲得聲發(fā)射特征參數(shù)，并在規(guī)定的時隙內(nèi)將數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點再將接收到的數(shù)據(jù)打包發(fā)送到匯聚節(jié)點。簇頭節(jié)點和匯聚節(jié)點都安裝在風(fēng)電機組的機艙附近，因此正常情況下采用電源供電，從而一直處于工作狀態(tài)，當(dāng)電源出現(xiàn)斷電故障時啟動鋰電池供電，保證數(shù)據(jù)傳輸和存儲。匯聚節(jié)點通過以太網(wǎng)或者GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心由調(diào)度服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、C/S和B/S客戶端組成，調(diào)度服務(wù)器作為協(xié)調(diào)和任務(wù)周轉(zhuǎn)中心均衡各服務(wù)器的負(fù)載，完成用戶的各類操作與請求，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提供數(shù)據(jù)存儲、查詢等與數(shù)據(jù)相關(guān)的服務(wù)，Web服務(wù)器負(fù)責(zé)對B/S客戶端提出的請求進(jìn)行處理，應(yīng)用程序服務(wù)器負(fù)責(zé)對相關(guān)算法、命令解析提供支持。圖2系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心部署圖。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲、顯示和綜合利用，由調(diào)度服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器以及B/S和C/S客戶端。調(diào)度服務(wù)器是整個系統(tǒng)運轉(zhuǎn)和管理的核心，是系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的發(fā)動機和中轉(zhuǎn)站，所有信息的交互都由調(diào)度服務(wù)器管理。調(diào)度服務(wù)器負(fù)責(zé)調(diào)度整個企業(yè)中來自Web服務(wù)器、客戶端、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以及應(yīng)用程序服務(wù)器的各種請求，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的負(fù)載平衡和遠(yuǎn)程互操作等。應(yīng)用程序服務(wù)器是整個裂紋監(jiān)測與定位系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯運轉(zhuǎn)的核心，所有裂紋監(jiān)測的規(guī)則和算法實現(xiàn)都在這里完成，同時還負(fù)責(zé)與無線聲發(fā)射傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)交互，接收無線聲發(fā)射傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中匯聚節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶的要求向通過匯聚節(jié)點向無線聲發(fā)射傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，或者根據(jù)用戶需求更改無線聲發(fā)射傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各種參數(shù)；負(fù)責(zé)對在線實時采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括統(tǒng)計分析、圖形顯示等；負(fù)責(zé)將處理過的、在線或離線的數(shù)據(jù)以一定的規(guī)則和頻率通過調(diào)度服務(wù)器，在整個系統(tǒng)資源允許的情況下才能轉(zhuǎn)送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行各種數(shù)據(jù)調(diào)用。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器是為了調(diào)度和預(yù)處理那些針對數(shù)據(jù)庫的請求的服務(wù)器程序，負(fù)責(zé)將應(yīng)用程序服務(wù)器發(fā)送來的針對數(shù)據(jù)的請求，如查詢、更新、刪除和插入等操作，進(jìn)行調(diào)度和預(yù)處理，并最終轉(zhuǎn)化為對數(shù)據(jù)庫的請求提交給數(shù)據(jù)庫；負(fù)責(zé)優(yōu)化查詢策略，采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行深層利用。Web服務(wù)器主要功能是提供系統(tǒng)的網(wǎng)上信息瀏覽服務(wù)，當(dāng)Web瀏覽器(客戶端)連到服務(wù)器上并請求文件時，服務(wù)器將處理該請求并將文件發(fā)送到該瀏覽器上，附帶的信息會告訴瀏覽器如何查看該文件(即文件類型)。服務(wù)器使用HTTP (超文本傳輸協(xié)議)進(jìn)行信息交流。Web服務(wù)器不僅能夠存儲信息，還能在用戶通過Web瀏覽器提供的信息的基礎(chǔ)上運行腳本和程序，用于顯示系統(tǒng)界面，實現(xiàn)B/S瀏覽模式。圖3為無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖。聲發(fā)射數(shù)據(jù)采樣具有頻率高，數(shù)據(jù)量大的特點。因此，在設(shè)計無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點時，采用了 FPGA和DSP的框架結(jié)構(gòu)，其中FPGA作為節(jié)點的微控制單元是整個節(jié)點核心，DSP模塊 主要用來處理浮點數(shù)據(jù)，將聲發(fā)射波形數(shù)據(jù)處理為聲發(fā)射特征參數(shù)。聲發(fā)射傳感器感知到葉片裂紋數(shù)據(jù)后，通過前置放大器進(jìn)入高速AD數(shù)據(jù)采集模塊。為了緩解DSP處理模塊的壓力，采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)緩存模塊緩存后送往DSP高速數(shù)據(jù)處理模塊。FPGA模塊連接DSP高速數(shù)據(jù)處理模塊、無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、電源管理模塊、串口通訊模塊和數(shù)據(jù)緩存模塊。無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點采用鋰電池供電。JTAG模塊為DSP高速數(shù)據(jù)處理模塊提供調(diào)試接口。在節(jié)點中存在兩個數(shù)據(jù)緩存模塊，與FPGA微控制單元連接的數(shù)據(jù)緩存模塊是在應(yīng)急情況下將波形數(shù)據(jù)存儲在本地節(jié)點，與DSP高速數(shù)據(jù)處理模塊連接的數(shù)據(jù)緩存模塊主要是為了緩解DSP高速數(shù)據(jù)處理模塊的計算壓力，而提供的數(shù)據(jù)緩沖池。節(jié)點自檢模塊主要是通過微控制單元發(fā)送指令檢測各個模塊是否正常工作。圖4為數(shù)據(jù)中繼簇頭節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖。簇頭節(jié)點主要負(fù)責(zé)簇內(nèi)數(shù)據(jù)的中繼傳輸，為簇內(nèi)節(jié)點分配數(shù)據(jù)傳輸時隙。微控制單元是整個簇頭節(jié)點的核心，連接數(shù)據(jù)緩存模塊、電源管理模塊，無線傳輸模塊、串口通信模塊、JTAG接口模塊。其中電源管理模塊主要是用于電源的電壓的轉(zhuǎn)換，以及當(dāng)電源供電出現(xiàn)中斷時，電源管理模塊將提供協(xié)調(diào)處理，轉(zhuǎn)而使用鋰電池供電。數(shù)據(jù)緩存模塊主要是用來接收簇內(nèi)節(jié)點的數(shù)據(jù)，配合無線模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送。節(jié)點自檢模塊主要是通過微控制單元發(fā)送指令檢測各個模塊是否正常工作。圖5為數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖。匯聚節(jié)點主要負(fù)責(zé)接收來自簇頭節(jié)點的數(shù)據(jù)，同時也是遠(yuǎn)程監(jiān)控中心與前端無線聲發(fā)射傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的接口。匯聚節(jié)點采用ARM9作為控制單位，提供較強的數(shù)據(jù)處理和運算能力。微控制單元與無線傳輸模塊、GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、以太網(wǎng)控制模塊、電源管理模塊、串口通訊模塊、JTAG模塊、USB接口模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊和節(jié)點自檢模塊連接。匯聚節(jié)點可以通過以太網(wǎng)控制模塊和GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)通訊模塊向遠(yuǎn)處監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)。節(jié)點自檢模塊主要是通過微控制單元發(fā)送指令檢測各個模塊是否正常工作。圖6無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點、簇頭節(jié)點和匯聚節(jié)點的自檢功能流程。其基本檢測了流程是系統(tǒng)上電或者用戶發(fā)出自檢指令后，控制單元首先接收到自檢指令，向連接的各單元發(fā)送不同的校驗指令，各單元判斷校驗碼是否正確，在校驗碼正確的情況下分別按照規(guī)定的協(xié)議返回各自的復(fù)碼，控制單元判斷各單元返回的回復(fù)碼正確的情況下，表明節(jié)點各模塊功能正常。否則，將向用戶報告節(jié)點自檢失敗，在客戶端進(jìn)行報警顯示。圖7是基于無線聲發(fā)射傳感器網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電葉片損傷監(jiān)測與定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程示意圖。當(dāng)葉片產(chǎn)生裂紋或者裂紋擴展，無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點采集裂紋相關(guān)波形數(shù)據(jù)，然后計算獲得聲發(fā)射特征參數(shù)，主要包括振鈴計數(shù)、持續(xù)時間、能量、上升計數(shù)、上升時間等。同時，無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點判斷特征參數(shù)是否超過了用戶設(shè)定的危險閾值，如果沒有超過閾值，則傳感器節(jié)點將聲發(fā)射特征參數(shù)打包，在規(guī)定的數(shù)據(jù)發(fā)送時隙，將數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭節(jié)點；如果超出了閾值，則傳感器節(jié)點將聲發(fā)射波形數(shù)據(jù)打包，不用等待規(guī)定的時隙，立即啟用規(guī)定的特殊頻率，將數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭節(jié)點。在沒有超過閾值時，簇頭節(jié)點將接收到所有的簇內(nèi)節(jié)點數(shù)據(jù)后，打包發(fā)送到匯聚節(jié)點。如果超過了閾值，表明當(dāng)前的裂紋比較危險，簇頭節(jié)點將利用特殊標(biāo)識對感知到危險裂紋數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，同樣利用規(guī)定的特殊頻率向匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。匯聚節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)秸{(diào)度服務(wù)器，調(diào)度服務(wù)器協(xié)調(diào)應(yīng)用程序服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器完成數(shù)據(jù)的接收和存儲任務(wù)。圖8葉片裂紋損傷位置定位流程圖。用戶在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心選擇裂紋位置定位功能，根據(jù)要確定的裂紋位置，用戶選擇離這個裂紋位置近的傳感器，并設(shè)定需要幾個傳感器用于裂紋位置定位，設(shè)定的數(shù)字必須大于2。系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇的傳感器，利用K-NN方法或者這個傳感器周圍的節(jié)點。如果近鄰節(jié)點只有2個傳感器，則配合用戶選擇的傳感器，則直接利用三維空間定位方法對裂紋位置進(jìn)行定位。如果近鄰節(jié)點達(dá)到了 3個及以上，系統(tǒng)則利用D-S證據(jù)理論的投票方法，從多個傳感器中選擇2個傳感器，配合用戶選擇的傳感器， 利用三個傳感器節(jié)點接收到裂紋信號的時間差通過三維空間定位方法對裂紋位置進(jìn)行定位。
權(quán)利要求
1.一種基于無線聲發(fā)射傳感器網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電葉片損傷監(jiān)測與定位系統(tǒng)，包括葉片裂紋數(shù)據(jù)采集無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點(I)、對數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼傳輸?shù)拇仡^節(jié)點(2)、匯聚數(shù)據(jù)的網(wǎng)管匯聚節(jié)點(3)以及監(jiān)控中心，其特征在于 每個葉片上部署多個無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點(I)用于采集數(shù)據(jù)，每個葉片上的無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點構(gòu)成一個簇，并為每個簇分配一個作為數(shù)據(jù)中繼的簇頭節(jié)點(2)，無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點在規(guī)定的時隙內(nèi)向簇頭節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，簇內(nèi)節(jié)點通過D-S證據(jù)理論和三點定位方法實現(xiàn)裂紋的位置定位；簇頭節(jié)點部署在葉片根部，采用電源/鋰電池供電，不間斷的監(jiān)聽簇內(nèi)節(jié)點的數(shù)據(jù)，每個簇分配一個常用工作頻率；簇頭節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)管匯聚節(jié)點(3)，不間斷的監(jiān)聽簇頭節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)；網(wǎng)管匯聚節(jié)點(3)通過以太網(wǎng)或者GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)連接現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，將裂紋數(shù)據(jù)存儲入數(shù)據(jù)中心；無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點(I)、簇頭節(jié)點(2)和匯聚節(jié)點(3)都具有自檢模塊，在節(jié)點啟動或者根據(jù)用戶指令完成節(jié)點自檢，檢測節(jié)點各模塊是否正常工作；如果出現(xiàn)異常，將及時在客戶端進(jìn)行顯示和預(yù)警；終端用戶通過監(jiān)控中心實時掌握風(fēng)電葉片的服役狀態(tài)，實時了解葉片裂紋的擴展情況，及時預(yù)警。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于安裝于風(fēng)電葉片上的無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點(I)包括FPGA控制單元、數(shù)據(jù)緩存模塊、電源管理模塊、聲發(fā)射傳感器、數(shù)據(jù)高速采集模塊、前置放大器、高速數(shù)據(jù)處理模塊、無線射頻單元；節(jié)點啟動后實時監(jiān)測葉片裂紋信息，利用數(shù)據(jù)采集模塊可以實現(xiàn)聲發(fā)射數(shù)據(jù)的高速采集，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過前置放大處理后，通過高速數(shù)據(jù)處理模塊從采集的數(shù)據(jù)中提取聲發(fā)射參數(shù)特征數(shù)據(jù)，然后利用2. 4G無線射頻模塊將特征參數(shù)數(shù)據(jù)打包發(fā)送至中繼簇頭節(jié)點；無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點(I)采用鋰電池獨立供電，具有電壓監(jiān)測功能，在電池電壓下降到閾值時，及時報警，提醒監(jiān)控中心更換電池；無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點的自檢模塊用于節(jié)點各模塊的功能檢測，防止由于節(jié)點出現(xiàn)故障而延誤裂紋數(shù)據(jù)采集。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于匯聚節(jié)點(3)包括無線射頻模塊、以太網(wǎng)控制模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊、微控制單元、GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)模塊、USB和串口通訊單元、自檢模塊、電源管理模塊，使用220V電源供電，在電源出現(xiàn)問題時自動切換到電池供電功能，保證數(shù)據(jù)的存儲和傳輸；數(shù)據(jù)緩存模塊用于保存臨時緩存中繼節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，或者突發(fā)網(wǎng)絡(luò)中斷情況下無法發(fā)送到監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)，保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸；匯聚節(jié)點可以通過以太網(wǎng)或者GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)與風(fēng)電場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)連接，將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心；匯聚節(jié)點具有頻率掃描功能，在簇頭節(jié)點的使用的所有頻率上進(jìn)行掃描，接收來自簇頭節(jié)點的數(shù)據(jù)；匯聚節(jié)點的自檢模塊實現(xiàn)節(jié)點的各硬件單元是否正常工作的自動檢測。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于對數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼傳輸?shù)拇仡^節(jié)點(2)的無線射頻模塊具有頻率掃描功能，當(dāng)無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點(I)感知到裂紋數(shù)據(jù)的特征值超過閾值，所有感知到這個裂紋的節(jié)點啟用應(yīng)急頻率發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)中繼節(jié)點進(jìn)行通道掃描時，一旦頻率與無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點(I)使用的應(yīng)急頻率一致時，無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點將裂紋數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭節(jié)點(2)，簇頭節(jié)點(2)進(jìn)而將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(3);簇頭節(jié)點的自檢模塊用于檢測各模塊能否正常工作，確保簇頭節(jié)點工作正常。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于整個系統(tǒng)的不僅包括前端的硬件部分，還包括在監(jiān)控中心的調(diào)度服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器、Web服務(wù)器以及客戶端組成，系統(tǒng)利用簇內(nèi)相關(guān)的無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點(I)通過D-S證據(jù)理論和裂紋數(shù)據(jù)達(dá)到時間對裂紋位置進(jìn)行三維定位，并通過圖形界面在客戶端顯示裂紋的三維位置信息，并能根據(jù)設(shè)定的裂紋閾值進(jìn)行報警。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述系統(tǒng)監(jiān)測方法，所述方法如下 當(dāng)葉片產(chǎn)生裂紋或者裂紋擴展，無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點采集裂紋相關(guān)波形數(shù)據(jù)，然后計算獲得聲發(fā)射特征參數(shù)，主要包括振鈴計數(shù)、持續(xù)時間、能量、上升計數(shù)、上升時間等；同時，無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點判斷特征參數(shù)是否超過了用戶設(shè)定的危險閾值，如果沒有超過閾值，則傳感器節(jié)點將聲發(fā)射特征參數(shù)打包，在規(guī)定的數(shù)據(jù)發(fā)送時隙，將數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭節(jié)點；如果超出了閾值，則傳感器節(jié)點將聲發(fā)射波形數(shù)據(jù)打包，不用等待規(guī)定的時隙，立即啟用規(guī)定的特殊頻率，將數(shù)據(jù)發(fā)送到簇頭節(jié)點；在沒有超過閾值時，簇頭節(jié)點將接收到所有的簇內(nèi)節(jié)點數(shù)據(jù)后，打包發(fā)送到匯聚節(jié)點；如果超過了閾值，表明當(dāng)前的裂紋比較危險，簇頭節(jié)點將利用特殊標(biāo)識對感知到危險裂紋數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，同樣利用規(guī)定的特殊頻率向匯聚節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)；匯聚節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)秸{(diào)度服務(wù)器，調(diào)度服務(wù)器協(xié)調(diào)應(yīng)用程序服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器完成數(shù)據(jù)的接收和存儲任務(wù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述系統(tǒng)定位方法，所述方法如下 用戶在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心選擇裂紋位置定位功能，根據(jù)要確定的裂紋位置，用戶選擇離這個裂紋位置近的傳感器，并設(shè)定需要幾個傳感器用于裂紋位置定位，設(shè)定的數(shù)字必須大于2;系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇的傳感器，利用K-NN方法或者這個傳感器周圍的節(jié)點；如果近鄰節(jié)點只有2個傳感器，則配合用戶選擇的傳感器，則直接利用三維空間定位方法對裂紋位置進(jìn)行定位；如果近鄰節(jié)點達(dá)到了 3個及以上，系統(tǒng)則利用D-S證據(jù)理論的投票方法，從多個傳感器中選擇2個傳感器，配合用戶選擇的傳感器，利用三個傳感器節(jié)點接收到裂紋信號的時間差通過三維空間定位方法對裂紋位置進(jìn)行定位。
全文摘要
本發(fā)明涉及風(fēng)電葉片健康監(jiān)測與安全評估領(lǐng)域，具體提供了一種基于無線聲發(fā)射傳感器網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電葉片損傷監(jiān)測與定位系統(tǒng)。本發(fā)明一種基于無線聲發(fā)射傳感器網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電葉片損傷監(jiān)測與定位系統(tǒng)，包括葉片裂紋數(shù)據(jù)采集無線聲發(fā)射傳感器節(jié)點(1)、對數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼傳輸?shù)拇仡^節(jié)點(2)、匯聚數(shù)據(jù)的網(wǎng)管匯聚節(jié)點(3)以及監(jiān)控中心。本發(fā)明結(jié)合了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和聲發(fā)射技術(shù)的優(yōu)勢，構(gòu)建了一套應(yīng)用于風(fēng)電葉片的部署靈活、擴展性強、安裝維護(hù)方便、裂紋感知靈敏的損傷監(jiān)測與定位系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)電纜布線時采集點安裝難、維護(hù)難、成本高、擴展性差等問題，整個系統(tǒng)配置簡單、安裝靈活、使用便捷。
文檔編號H04W84/18GK102721741SQ20121020520
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月18日
發(fā)明者張習(xí)文, 張利欣, 張衛(wèi)冬, 楊斌, 艾一搏 申請人:北京科技大學(xué)