CN103994088B - 基于ZigBee协议的风机叶片雷击监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于ZigBee协议的风机叶片雷击监测方法，包括：多个路由功能节点、协调器和机舱控制柜；其中，所述多个路由功能节点被布置在风机叶片内部并用于在启动状态下采集风机叶片内部的温度和光亮度；而且所述多个路由功能节点基于ZigBee协议相互通信，并基于ZigBee协议与所述协调器通信，由此所述多个路由功能节点中的任意路由功能节点能够将表示叶片内部的温度和光亮度的采集数据直接或经由其它路由功能节点传递给所述协调器；而且其中，所述协调器在从所述多个路由功能节点接收到所述采集数据时，将所述采集数据传递给所述机舱控制设备。

Description

基于ZigBee协议的风机叶片雷击监测方法

技术领域

本发明涉及风力发电机叶片的雷击损害在线监测领域，更具体地说，本发明涉及一种基于ZigBee协议的风机叶片雷击监测方法。

背景技术

近年来大型风力发电技术越来越成熟，大功率风力发电机已经逐步占据了风电市场，目前最为活跃的风机单机容量在1.5MW～2.5MW，其轮毂高度已经达到60～100米，叶片长度达到35～50米，由于风电场一般地处开阔的边远地带或是海边，周围建筑物相对较低，所以风力发电机就成为雷击的主要对象。

当今的风机叶片防雷就是根据IEC62305-1的I级保护水平设计，在叶尖处安装接闪器，并在叶片内部或表面布置引下导线，将雷电流引到地下，叶片的防雷水平得到了很大的提升。在这种情况下雷击对叶片造成严重的损害的几率很小，大多数情况下都是比较轻的的损害，如叶片开裂、叶片表面的烧灼等，一般不会影响风机的正常运行。但是这种小的损害破坏了风机叶片表面的光滑性，被污染的叶片遭受雷击的概率更大，而且在遭受雷击时受到的破坏面积也将更大。

当前风电场对于风机叶片的这种伤害，只有目视检测，及由运行人员定期的利用高分辨率望远镜对叶片进行目视观察，来检测叶片表面的损伤。这种方法的弊端显而易见，不仅检测时间周期长而且人工检测有盲目性和主观性，不利于对风机叶片损害的即时发现和维修，增加了风机叶片严重损害的几率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，为了弥补目视检测的弊端，提供了一种利用无线传感器网络动态监测风机叶片雷击伤害的方法，通过监测雷击过程中的温度和亮度的变化，来提醒运行人员对指定叶片进行目视检测，及时发现伤害。

为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种基于ZigBee协议的风机叶片雷击监测方法，其包括：多个路由功能节点、协调器和机舱控制设备；其中，所述多个路由功能节点被布置在风机叶片上并用于在启动状态下采集风机叶片内部的温度和光亮度；而且所述多个路由功能节点基于ZigBee协议相互通信，并基于ZigBee协议与所述协调器通信，由此所述多个路由功能节点中的任意路由功能节点能够将表示叶片内部的温度和光亮度的采集数据直接或经由其它路由功能节点转发给所述协调器；而且其中，所述协调器在从所述多个路由功能节点接收到所述采集数据时，将所述采集数据传递给所述机舱控制设备。

优选地，所述多个路由功能节点被布置在风机叶片的叶尖和叶片中端。

优选地，所述协调器周期地监测风机外部湿度值；并且所述协调器在监测到的风机外部湿度值不低于设置的阈值时，协调器唤醒所述多个路由功能节点进入启动状态，以使得所述多个路由功能节点采集风机叶片内部的温度和光亮度。

进一步优选地，所述协调器在监测到的风机外部湿度值低于设置的阈值时，协调器使得所述多个路由功能节点进入非启动状态。

优选地，所述协调器在从所述多个路由功能节点接收到所述采集数据时，对接收到的采集数据进行奇偶校验。

优选地，所述多个路由功能节点与所述协调器之间的通信采用数据等级存储转发机制，其中所述采集数据包括数据等级标志位。

进一步优选地，所述协调器在从所述多个路由功能节点接收到所述采集数据时，保存所有路由功能节点最近传过来的预定多个采集数据，并将当前接收的一个采集数据的值与所述预定多个采集数据的平均值进行比较，同时读取当前接收的一个采集数据的数据等级标志位；而且，如果当前接收的一个采集数据属于低等级数据、同时当前接收的一个采集数据的值比所述平均值大第一预定数值，或者是如果当前接收的一个采集数据属于高等级数据、同时当前接收的一个采集数据的值比所述平均值小第一预定数值，则利用所述平均值替代所述当前接收的一个采集数据的值以发送给所述机舱控制设备。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的风机叶片的雷击监测网络结构图。

图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的条件唤醒和等待机制总体框架图。

图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的数据等级存储转发机制流程图。

图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的奇偶校验和等级校验机制流程图。

需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。

具体实施方式

为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。

本发明提供了一种基于Zigbee协议的风机叶片在线监测方法。风机叶片的雷击监测主要是通过在风机的叶片内部布置无线传感器节点来检测叶片内部的温度和光亮度来实现对叶片雷击的报警。本发明专利的主要内容就是对无线监测的采集策略、通信结构以及信号抗干扰措施进行了针对性的设计。

1)采集策略：本发明主要是对风机的叶片进行监测，一个风机最多只有三个叶片，而且风机的叶片最容易发生雷击的部位集中在叶尖，所以，本监测方法只需要对叶片尖端和叶片的侧端布置少量的监测节点(即，路由功能节点)。另一方面每个节点只能采用电池供电，一旦节点能量耗尽将无法方便的更换。为了解决能量的问题，本发明专利采用条件唤醒-等待机制，只在可能发生雷击的天气开始采集信号，其他时间路由节点进入等待状态。

2)无线监测的通信结构：在监测中每个叶片上只需要布置少量的节点就可以完成监测，所以整个网络产生的数据量有限，在一个风机的监测网络中只需要布置10到20个节点。本发明针对性的选择了网状通信结构，在网络容量不大的情况下，网状结构与星型和树型结构相比，网络的吞吐量和延迟率没有明显的差别，但是网状结构在高干扰环境却有很强的生存率和信号可靠性，所以本发明专利选择了网状通信结构。具体而言，就是网络中除了协调器，其他节点都是具有自主路由选择的路由器，路由器可以在复杂的网路环境下，自主选择可用路径进行数据发送。

3)信号抗干扰措施：上文中提到本发明专利设计的目的就是为了弥补目视检测的盲目性和主观性的弊端，为运行人员维护提供可靠的参考，因为不涉及到实时监测控制，所以对采集信号的实时性要求不高，重点是数据的准确性。与传统无线监测方法相比，本发明中的监测环境比较复杂，存在各种干扰源。所以本发明专利对方法的抗干扰性能进行改进。针对报警方法可能产生的无报警和误报警问题分别提出了信号分等级存储转发机制和奇偶校验和信号等级校验机制。

下面具体描述本发明采用的优选示例。

监测网络的通信结构示例

在一般的无线传感器在线监测的应用中，节点要周期性的不间断的采集关注信息，而且被监测区域要布置大量的节点，如森林火灾监测或者农田监测的应用中，监测的区域广泛，可能需要布置上百个甚至上千个节点进行同时监测，在这种情况下，为了节省能量，网路大都采用树状结构，这种结构中可以大量使用耗电量小的终端节点，然后配上少量的路由功能节点和协调节点，这种通信结构的优点是网络的整体耗电量小，通信过程简单，适合较大的网络通信。但是该结构的网络生存率低，如果某一个路由功能节点失效，则其对应的终端子节点都将脱离网络，造成数据的大量丢失。

本发明针对风机叶片雷击监测节点布置少、环境干扰大等特点，采用网状通信结构，主要由协调器和具有路由功能节点组成。协调器通过串口与机舱控制设备连接，负责统筹整个无线网络，功能包括建立网络、定期或条件唤醒路由功能节点、接收路由功能节点数据并与风机控制方法进行通信等；路由功能节点的任务就是参数监测，并传给协调器，路由器节点具有路由选择功能，并维护路由表。

当路由功能节点与协调器通信异常时，则通过路由表中的其它路由功能节点转发数据，每个路由功能节点都会维护自己的路由表，这种通信结构网络的生存能力强、容错余量大，即使某一个节点受到损害失效，也不会造成数据的大范围丢失。具体的结构见附图1。附图1中给出了一个风机上的三个叶片的节点的位置选择，其中Ni代表风机机舱内部的协调器，i代表风机编号，下同。A_i.(1～4)、B_i.(1～4)、C_i.(1～4)分别代表风机上的三相叶片上的节点的标号。图中以节点A_i.2为例，给出了路由功能节点向协调器传送数据时几中可能的路由选择①-->②；③-->④；⑤；⑥-->⑦,上述路由选择不是节点A_i.2全部的可能选择，也不是每次传输中必经的路由，具体的路由选择由zigbee协议栈中的AODV算法根据每条路径上的连接成本(linkcosts)来选择能量消耗最小的路径。

采集策略示例

对于网络的结构设计，本发明选择了容错能力和抗干扰能力更强的网状结构，为了解决网状通信结构通信流量大、数据转发次数多而引起的耗电量增加的问题，本发明对节点的采集策略进行了设计。本发明主要是检测风机叶片的雷击监测，所以不需要周期性实时接收，众所周知，雷电大多发生在下雨前夕或者过程中，其它时候雷电发生的几率几乎为零。所以本发明采用条件唤醒-等待机制，具体而言，就是协调器通过周期监测风机外部湿度值，当湿度达到设置的阈值时，协调器唤醒所有路由功能节点采集数据并向机舱控制设备发送监测数据。当湿度下降到阈值以下时，协调发送等待指令，路由功能节点转成等待模式，路由器进入等待模式后，将不对信号进行采集和发送，进入低能耗状态等待协调器的请求信号。阈值的设置要根据风电场的具体环境而定，比如在海边的风电场阈值就要比在西部干燥的沙漠风电场高。这种条件唤醒-等待机制能够大幅的降低节点的能耗，弥补了网状通信结构耗能高的缺陷。条件唤醒-等待机制总体结构见附图2。

信号抗干扰措施示例

本发明专利的应用领域为风力发电机的雷击监测，风机运行时本身就会有很多电磁干扰，再加上本专利监测的是雷击损伤，工作的环境可想而知。如何保证监测节点的信号的抗干扰性和可靠性，是本专利是否可行的关键。为了解决上述问题，本发明采用了三种方式：1.增加发射功率；2.信号分等级存储转发机制；3.奇偶校验和信号等级校验机制。

增加发射功率可以提高数据包的健壮性，提高信号的抗干扰性能，但是也会增加节点的能量消耗，zigbee官方协议栈提供了从-22dBm到3dBm的发射功率选择，官方协议栈中默认的发射功率时-15dBm，经实验验证，在这种情况下，在空旷地方信号的传输距离在100米左右，考虑到本发明应用在风机叶片的内部，信号传输路线上有很多阻挡，将发射功率提高到0dBm,即1mw。这样在最长60米的叶片中进行信号的传输，节点的传输能力绰绰有余，同时也兼顾了节点的能量消耗。

虽然如此，无线信号在高干扰的情况下还是会出现信号失真、数据丢失等情况，特别是当雷电发生时的瞬间会产生强大的磁场，破坏采集节点信号的准确度。而矛盾的是，有用的报警信号很可能就发生在雷击的过程中，比如，本发明中采用光亮传感器采集雷击过电流放电产生的火花报警信号，放电可能仅仅持续几秒钟就消失了，如果这个时候的采集包由于干扰而产生了丢包，方法将无法有效的感应到报警信息，失去监测的效果。针对这种情况本发明采用了数据等级存储转发机制，如图3所述，图中Cur代表路由功能节点当前采集的数据；Ave代表路由功能节点内部保存的前50个数据的平均值，Rank代表数据的等级，为0时代表普通数据，等于1时代表关键数据，需要随机重发。每个采集节点内部保存前50个采集数据，新的采集数据在发送之前，会与之前保留的数据的平均值进行比较，如果当前数据明显大于之前的数据(大于2)，节点进行两步处理，第一步将当前数据标记为高等级数据发送出去，第二步将当前数据保存到内存中，并开启一个定时器，在1分钟之内任意时间选择重发，并释放内存。这种机制可以保证监测方法对雷击损害的灵敏度，可以有效提高监测方法的可靠性。本发明中设计当前数据和平均值的差以2为界来定义普通和关键数据的等级，是因为在做实验时发现，温度和光照度传感器的最大随机跳动幅值都低于1，而在风机叶片雷击监测中，考虑到干扰源增大，传感器的随机跳动也会增加，所以设置为2。

数据等级存储转发机制可以有效改善无线传输过程中数据包丢失对报警方法造成的无报警。但是当在干扰情况下数据产生了失真，很可能造成方法不断的误报警，如何有效的识别失真数据是本发明需要解决的问题。

为了解决上述问题本发明设计了奇偶校验和等级校验机制，如图4所述，Reci代表协调器当前收到的路由功能节点的采集数据；ReAve代表在协调器内部保存的该路由功能节点的前10个(或者其它预定个数)数据的平均值，Rank代表接收到数据的等级。本发明规定协调器对接收到的数据进行两步处理，首先本发明利用最常用的奇偶校验对数据进行初级校验，实验证明这种方法可以检测一半以上的错误；其次协调器会保存所有路由功能节点最近10个传过来的数据，将接收的数据与前十个数据平均值比较，同时读取数据等级标志位，如果属于低等级的数据的值明显大于平均值(例如相对高预定数值)，或者是属于高等级的数据的低于了平均值(例如相对低预定数值)，都将抛弃该数据；并用平均值作为补偿发送给控制设备(机舱控制设备)。奇偶校验和信号等级校验机制可以有效的识别信号的传输过程中的失真造成的方法误报警，提高了方法监测的有效性。

本发明的优点：本发明利用ZigBee网络的低功耗、自组网、抗干扰性能强等特点，将ZigBee模块应用到风机叶片的雷击监测，并且对Zigbee组网和通信过程中的关键步骤进行了设计，提出了条件唤醒-等待机制、数据等级存储转发机制、奇偶校验和等级校验机制等针对风机叶片雷击监测的独特性方法，可以适应风机叶片雷击监测中高干扰的特点。

此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种基于ZigBee协议的风机叶片雷击监测方法，其特征在于包括：多个路由功能节点、协调器和机舱控制柜；其中，所述多个路由功能节点被布置在风机叶片内部并用于在启动状态下采集风机叶片内部的温度和光亮度；而且所述多个路由功能节点基于ZigBee协议相互通信，并基于ZigBee协议与所述协调器通信，由此所述多个路由功能节点中的任意路由功能节点能够将表示叶片内部的温度和光亮度的采集数据直接或经由其它路由功能节点传递给所述协调器；而且其中，所述协调器在从所述多个路由功能节点接收到所述采集数据时，将所述采集数据传递给所述机舱控制柜。

2.根据权利要求1所述的风机叶片雷击监测方法，其特征在于，所述多个路由功能节点被布置在风机叶片的尖端和中部。

3.根据权利要求1或2所述的风机叶片雷击监测方法，其特征在于，所述协调器周期地监测风机外部湿度值；并且所述协调器在监测到的风机外部湿度值不低于设置的阈值时，协调器唤醒所述多个路由功能节点进入启动状态，以使得所述多个路由功能节点采集风机叶片内部的温度和光亮度。

4.根据权利要求3所述的风机叶片雷击监测方法，其特征在于，所述协调器在监测到的风机外部湿度值低于设置的阈值时，协调器使得所述多个路由功能节点进入非启动状态。

5.根据权利要求1或2所述的风机叶片雷击监测方法，其特征在于，所述协调器在从所述多个路由功能节点接收到所述采集数据时，对接收到的采集数据进行奇偶校验。

6.根据权利要求1或2所述的风机叶片雷击监测方法，其特征在于，所述多个路由功能节点与所述协调器之间的通信采用数据等级存储转发机制，其中所述采集数据包括数据等级标志位。

7.根据权利要求6所述的风机叶片雷击监测方法，其特征在于，所述协调器在从所述多个路由功能节点接收到所述采集数据时，保存所有路由功能节点最近传过来的预定多个采集数据，并将当前接收的一个采集数据的值与所述预定多个采集数据的平均值进行比较，同时读取当前接收的一个采集数据的数据等级标志位；而且，如果当前接收的一个采集数据属于低等级数据、同时当前接收的一个采集数据的值比所述平均值大，或者是如果当前接收的一个采集数据属于高等级数据、同时当前接收的一个采集数据的值比所述平均值小，则利用所述平均值替代所述当前接收的一个采集数据的值以发送给所述机舱控制柜。