CN105371816A - 一种应用于风力发电机塔筒检测的无线倾角测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于风力发电机塔筒检测的无线倾角测量系统，包括至少一个无线收发节点和一个计算机终端，无线收发节点通过无线网络与计算机终端连接，并安装在塔筒内壁上；所述无线收发节点包括MEMS倾角传感模块、稳压模块、A/D转换模块、微处理器、温度传感器、Zigbee收发模块、电源模块和WIFI模块，稳压模块、MEMS倾角传感模块、A/D转换模块依次连接，A/D转换模块的输出端、温度传感器的输出端分别连接微处理器，微处理器分别与Zigbee收发模块和WIFI模块双向连接，WIFI模块与计算机终端相连接。与现有技术相比，本发明具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高和便于安装等优点。

Description

一种应用于风力发电机塔筒检测的无线倾角测量系统

技术领域

本发明涉及一种倾角测量系统，尤其是涉及一种应用于风力发电机塔筒检测的无线倾角测量系统。

背景技术

随着环境污染越来越严重，而能源消耗量却在不断增加，传统的发电方式如火力发电，水力发电对环境的不利因素越来越为人们所认识。以风力发电，太阳能发电为主的新能源正在得到企业和政府的重视。风力发电机组塔筒或塔架由于地层移动和岩土介质的复杂性、塔筒本身的重量、自身振动、风力作用、叶片-机箱-塔筒耦合作用等因素的影响，塔筒轴心会产生一定的偏移。当偏移超出安全范围，塔筒会产生倾倒等危及人身和风力发电机安全的重大事故。因此，对风电机组塔筒安全状况实时监控也显得越来越重要。

由于风电机组监控数据点种类多，并且分布分散，这些为风电机组监控提出了更高的要求。无线传感器具有布局灵活、结构易变、生命力较强等特点，近年来，在环境监测、工况监控等领域得到了广泛的应用。与传统倾角传感器相比，MEMS倾角传感器凭借体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成以及耐恶劣工作环境等优势，极大的促进了倾角传感器的微型化、智能化、多功能化和网络化发展。将MEMS技术和无线传感器网络技术相结合，用于环境安全健康检测已经成为世界范围研究的前沿方向。由于风力发电机所处环境各异，温度变化大，振动扰动频繁等因素。而在目前还没有有效结合微机械系统(MEMS)和无线传感器网络(WSN)技术，并实现温度补偿，滤波和抗干扰处理的应用于风力发电机组塔筒检测的无线倾角测量系统。

中国专利201010245707.0公开了一种风力发电机倾斜检测方法和装置，此发明包括如下步骤：搭建硬件平台，硬件包括自动化数字水准仪和中央控制系统；自动化数字水准仪采集数据，中央控制系统处理分析采集数据，最终获得分离发电机倾斜的最大值和最大位置，其存在体积大，功耗大，安装繁琐等不足。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种便于安装、灵敏度高、倾角测量精度高的应用于风力发电机塔筒检测的无线倾角测量系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种应用于风力发电机塔筒检测的无线倾角测量系统，包括至少一个无线收发节点和一个计算机终端，所述的无线收发节点通过无线网络与计算机终端连接，并安装在塔筒内壁上；

所述的无线收发节点包括MEMS倾角传感模块、稳压模块、A/D转换模块、微处理器、温度传感器、Zigbee收发模块、电源模块和WIFI模块，所述的稳压模块、MEMS倾角传感模块、A/D转换模块依次连接，所述的A/D转换模块的输出端、温度传感器的输出端分别连接微处理器，所述的微处理器分别与Zigbee收发模块和WIFI模块双向连接，所述的电源模块连接稳压模块、温度传感器、微处理器、A/D转换模块、Zigbee收发模块和WIFI模块，所述的WIFI模块与计算机终端相连接；

MEMS倾角传感模块监测风力发电机塔筒倾角数据并输出模拟信号，通过A/D转换模块转换成数字信号后传送到微处理器，微处理器按计算机终端设置的采样周期接收MEMS倾角传感模块传输的倾角数据，并根据温度传感器监测的温度信息对倾角数据依次进行温度补偿、滤波和抗干扰处理，并将处理好的数据通过Zigbee收发模块传送给其它无线收发节点或直接通过WIFI模块传送给计算机终端，计算机终端解析接收到的数据帧信号并保存，并绘制倾角曲线。

优选地，所述的稳压模块的输出电压压差在±20mV以内。

优选地，所述的A/D转换模块采用16位或24位A/D转换芯片。

优选地，所述的温度传感器采用数字式温度传感器，用于监测塔筒壁内环境温度。

优选地，所述的无线收发节点设有多个，通过Zigbee收发模块相互连接，利用无线网络进行小范围数据的无线传输。

优选地，所述的数据帧信号的数据结构包括：数据头字段、节点编号字段、数据字段、校验字段和数据尾字段，其中，

数据头字段：用于标定数据信息的起始；

节点编号字段：用于标定倾角传感器节点的编号；

数据字段：用于承载倾角信息和温度信息；

校验字段：用于校验发送数据是否正确；

数据尾字段：用于标定数据信息的结束。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明具有体积小、重量轻、功耗低、便于安装和灵敏度高的优点。用于检测风力发电机塔筒振动形变的倾角信息的MEMS倾角传感模块采用体积小、功耗低、便于安装高精度MEMS的倾角测量芯片，保证检测到微小的形变。

2)本发明具有可靠性高、倾角测量精度高的优点。A/D转换模块采用16位或24位A/D转换芯片保证MEMS倾角模块输出信息不丢失；微处理器用于对倾角信息进行滤波处理消除地铁振动的影响，通过提取温度传感器生成的温度信息进行温度补偿，打包高精度的倾角信息生成数据帧信号。

3)本发明用无线网络进行数据传输，简化了布线的要求，更加适合风力发电机复杂的环境，实现对风力发电机组塔筒轴心倾斜和振动的准确、有效的实时监测。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明应用场景侧面示意图；

图3为本发明应用场景截面示意图；

图4为本发明MEMS倾角传感模块的倾斜姿态示意图；

图5为本发明无线测量系统的程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，一种应用于风力发电机塔筒检测的无线倾角测量系统，包括两个无线收发节点1和一个计算机终端2，无线收发节点1通过无线网络与计算机终端2连接，无线收发节点1包括MEMS倾角传感模块11、稳压模块12、A/D转换模块13、微处理器14、温度传感器15、Zigbee收发模块16、电源模块17和WIFI模块18，稳压模块12的输出端连接MEMS倾角传感模块11的输入端，MEMS倾角传感模块11的输出端连接A/D转换模块13的输入端，A/D转换模块13的输出端连接微处理器14，温度传感器15的输出端连接微处理器14，微处理器14分别与Zigbee收发模块16和WIFI模块18双向连接，电源模块17连接稳压模块12、温度传感器15、微处理器14、A/D转换模块13、Zigbee收发模块16和WIFI模块18，WIFI模块18通过WIFI网络协议与计算机终端2通信连接。

本发明实施例提供的无线倾角测量系统可以实时测量塔筒管壁的倾斜角度，通过组合计算得出管片的实际形变；微处理器内进行滤波、抗干扰处理和温度补偿，去除风力发电机的振动噪声和温度的影响，使其达到高精度的测量要求；使用无线网络进行数据传输，简化了布线的要求，更加适合风力发电机复杂的环境，实现对风力发电机塔筒结构变化的准确、有效地实时监控。

如图2-图3所示，本实施例中，无线收发节点1设有两个，标记为A、B，分别安装在塔筒内壁上，各节点间采用Zigbee网络协议通过Zigbee收发模块16相互连接。

MEMS倾角传感模块11用于检测所安装平面两个轴向倾斜程度，如图4所示，当倾角检测芯片处于平衡状态时，其X轴Y轴与水平方向成0°，与重力加速度g方向成90°。当MEMS倾角传感模块发生倾斜时，变为X’轴、Y’轴，根据重力加速度在倾角检测芯片两个灵敏轴上不同的分量，MEMS倾角传感模块输出不同的倾角信息，通过数据处理，得到其倾斜角度。在本实例中，两轴的倾斜角度介于±90°之间，倾角检测芯片的输出为模拟电压信号，根据角度的不同而输出0.5V～4.5V不等的电压。

微处理器14具有温度补偿、数字滤波去干扰和数据打包的功能。微处理器通过采用数字滤波器的方法，去除风力发电机运行产生的高频振动噪声，保证倾角信息的准确性；通过提取温度传感器生成的温度信息对倾角信息进行温度补偿，并将数据打包，生成数据帧信号提供给Zigbee收发模块16或WIFI模块18。

温度传感器15采用高分辨率数字式温度传感器，实时监测倾角传感器所在点的温度，为微处理器实现对MEMS倾角传感模块的温度补偿提供温度信息。WIFI模块18用于将数据信息通过无线网络进行接收和发送。电源模块17供电给稳压模块12、温度传感器15、微处理器14、A/D转换模块13、Zigbee收发模块16和WIFI模块18。稳压模块12采用高精度稳压芯片，其输出电压压差不超过±20mV，稳压模块12供电给MEMS倾角传感器模块11，保证其输出的准确性。A/D转换模块13采用16位或24位A/D转换芯片。

本发明涉及的数据帧信号的数据结构包括——数据头字段：用于标定所述数据信息的起始；节点编号字段：用于标定所述倾角传感器节点的编号；数据字段：用于承载倾角信息和温度信息；校验字段：用于校验发送数据是否正确；数据尾字段：用于标定所述数据信息的结束。

本发明的无线倾角测量系统的工作步骤为：整个结构由电源模块供电。电源模块17经过稳压模块12的高精度稳压芯片后，给MEMS倾角传感模块11供电，保证其输出的准确性。通过MEMS倾角传感模块11测量塔筒内壁管片的姿态变化，输出模拟电压信号。模拟电压信号经过A/D转换模块13的16位或24高分辨率的A/D芯片转换成数字信号，提供给微处理器14。高分辨率数字温度传感器15实时监测节点所在点的温度，同时将温度信息提供给微处理器14。微处理器14采用数字滤波器方法，去除风力发电机运行产生的高频振动噪声，保证倾角传感器信息的准确性；并通过提取温度传感器15生成的温度信息对倾角信息进行温度补偿，以一定格式生成数据帧信号并且与其他节点通过Zigbee收发模块16传来的数据一同传输给WIFI模块18，并通过WIFI模块18打包发送给计算机终端2。计算机终端2对接收到的数据包进行解析，实时绘制倾角曲线，完成数据保存和采样周期设置。如图5所示，具体工作流程为：

1)计算机终端进行窗口界面初始化之后，触发控制指令通过WIFI发送给无线收发节点A，包括数据接收的开始与停止、接收周期的设置，并通过无线收发节点A利用Zigbee收发模块控制其他节点的初始化、数据接收开始与停止。随后等待WIFI模块传回数据。接收到数据之后，计算机终端对其进行数据处理，解析数据帧信号，实时绘制倾角曲线、数据保存和采样周期设置。

2)无线收发节点A经过上电初始化后，负责先建立无线网络，在建立网络成功后，允许其他节点加入该网络。随后等待计算机终端发送接收指令，当收到指令后，侦听有无其他节点发送数据，如果有则开始接收数据，没有则继续侦听等待。通过Zigbee收发模块接收到数据之后，通过WIFI模块将数据传送给计算机终端。

3)无线收发节点A初始化之后，加载A/D转换模块和温度传感器数据传送的总线驱动，然后开始加入WIFI网络和Zigbee网络。成功加入无线网络后，MEMS倾角传感模块监测风力发电机塔筒倾角数据并输出模拟信号，通过A/D转换模块转换成数字信号后传送到微处理器，微处理器按计算机终端设置的采样周期接收MEMS倾角传感模块传输的倾角数据，并根据温度传感器监测的温度信息对倾角数据依次进行温度补偿、滤波和抗干扰处理，并将处理好的数据通过Zigbee收发模块传送给其它无线收发节点或直接通过WIFI模块传送给计算机终端；发送完成后开始进入休眠状态，然后等待定时器唤醒，继续定时采集倾角信息和温度信息。

实施例2

本实施例中，无线收发节点1设有一个，无线收发节点1采集并处理后的数据帧信号通过WIFI模块18传输给计算机终端2。其余同实施例1。

上述实例为本发明较佳的优选实施而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种应用于风力发电机塔筒检测的无线倾角测量系统，其特征在于，包括至少一个无线收发节点(1)和一个计算机终端(2)，所述的无线收发节点(1)通过无线网络与计算机终端(2)连接，并安装在塔筒内壁上；

所述的无线收发节点(1)包括MEMS倾角传感模块(11)、稳压模块(12)、A/D转换模块(13)、微处理器(14)、温度传感器(15)、Zigbee收发模块(16)、电源模块(17)和WIFI模块(18)，所述的稳压模块(12)、MEMS倾角传感模块(11)、A/D转换模块(13)依次连接，所述的A/D转换模块(13)的输出端、温度传感器(15)的输出端分别连接微处理器(14)，所述的微处理器(14)分别与Zigbee收发模块(16)和WIFI模块(18)双向连接，所述的电源模块(17)连接稳压模块(12)、温度传感器(15)、微处理器(14)、A/D转换模块(13)、Zigbee收发模块(16)和WIFI模块(18)，所述的WIFI模块(18)与计算机终端(2)相连接；

MEMS倾角传感模块(11)监测风力发电机塔筒倾角数据并输出模拟信号，通过A/D转换模块(13)转换成数字信号后传送到微处理器(14)，微处理器(14)按计算机终端(2)设置的采样周期接收MEMS倾角传感模块(11)传输的倾角数据，并根据温度传感器(15)监测的温度信息对倾角数据依次进行温度补偿、滤波和抗干扰处理，并将处理好的数据通过Zigbee收发模块(16)传送给其它无线收发节点(1)或直接通过WIFI模块(18)传送给计算机终端(2)，计算机终端(2)解析接收到的数据帧信号并保存，并绘制倾角曲线。

2.根据权利要求1所述的一种应用于风力发电机塔筒检测的无线倾角测量系统，其特征在于，所述的稳压模块(12)的输出电压压差在±20mV以内。

3.根据权利要求1所述的一种应用于风力发电机塔筒检测的无线倾角测量系统，其特征在于，所述的A/D转换模块(13)采用16位或24位A/D转换芯片。

4.根据权利要求1所述的一种应用于风力发电机塔筒检测的无线倾角测量系统，其特征在于，所述的温度传感器(15)采用数字式温度传感器。

5.根据权利要求1所述的一种应用于风力发电机塔筒检测的无线倾角测量系统，其特征在于，所述的无线收发节点(1)设有多个，通过Zigbee收发模块(16)相互连接。

6.根据权利要求1所述的一种应用于风力发电机塔筒检测的无线倾角测量系统，其特征在于，所述的数据帧信号的数据结构包括：数据头字段、节点编号字段、数据字段、校验字段和数据尾字段，其中，

数据头字段：用于标定数据信息的起始；

节点编号字段；用于标定倾角传感器节点的编号；

数据字段：用于承载倾角信息和温度信息；

校验字段：用于校验发送数据是否正确；

数据尾字段：用于标定数据信息的结束。