CN208937104U - 一种基于ZigBee的风电场环境监测装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于ZigBee的风电场环境监测装置属于环境监测领域，具体适用于风电场环境参数的监测；本实用新型包括传感器组块、信号处理组块、ZigBee无线网络和上位机组块。所述的传感器组块与信号处理组块相连并通过ZigBee无线网络与上位机组块进行通信；本实用新型专利实现了利用ZigBee无线通信对风电场环境的多个环境指标参数进行实时采集、远程监控，具有适应温度突变等恶劣环境条件，所选择的处理器体积小、功耗低、价格较低且性能非常高的优点，有效解决了目前风电场环境监测系统工作环境恶劣、测量精度低、价格昂贵、功耗较高、通信能力弱等大量问题。
Description
技术领域
一种基于ZigBee的风电场环境监测装置属于环境监测领域，具体适用于风电场环境参数的监测。
背景技术
风能作为一种可再生清洁能源，以其无污染、可循环利用等巨大优势逐渐成为新能源中最具有开发前景的一种能源。我国风力资源丰富，全国累计安装风机组30000多台，发展风力发电技术可以有效的缓解能源上的压力，对于全国能源结构调整、缓解电力危机具有很大的促进作用。
风电场工作环境恶劣，风能具有随机性和不可控性、温湿度会发生突变以及气压变化的无规律性,使得风电场的需要一套完善的实时气象数据采集和监控装置，保证风电场设备的正常运行以及使用寿命。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供了一种针对风电场风速、风向、温度、湿度和气压共五个指标全面实时监控与测量的无线监测装置。
本专利技术所采用的技术方案是：一种基于ZigBee的风电场环境监测装置，其特征在于：包含传感器组块（1）、信号处理组块（2）、ZigBee无线网络（3）、上位机组块（4）；所述的传感器组块（1）的子模块与信号处理组块（2）的子模块相连，信号处理组块（2）的子模块通过ZigBee无线网络（3）与上位机组块（4）的子模块进行通信；所述的传感器组块（1）中包括传感器驱动电路（101）、超声波传感器模块（102）、温度传感器模块（103）、湿度传感器模块（104）、气压传感器模块（105），超声波传感器模块（102）由传感器驱动电路（101）驱动；所述的信号处理组块（2）包括滤波电路（201）、信号放大电路（202）、信号整形电路（203）、相位检测电路（204）、A/D转换电路（205），滤波电路（201）与传感器组块（1）的传感器输出相连；所述的滤波电路（201）、信号放大电路（202）、信号整形电路（203）与相位检测电路（204）依次相连，构成超声波传感器信号处理电路，并与ZigBee发射模块（301）相连；所述的滤波电路（201）、信号放大电路（202）与A/D转换电路（205）依次相连，构成其他传感器信号处理电路，并与ZigBee发射模块（301）相连；所述的ZigBee无线网络（3）包括ZigBee发射模块（301）和ZigBee接收模块（302），ZigBee发射模块（301）与ZigBee接收模块（302）通过ZigBee无线网络进行通信，ZigBee接收模块（302）与单片机（401）连接；所述的上位机组块（4）包括单片机（401）、内存卡（402）和液晶显示屏（403），单片机（401）与内存卡（402）相连,实现内存的读取，液晶显示屏（403）与单片机（401）连接，显示监测数据。
本实用新型的有益结果是：基于ZigBee的风电场环境监测装置可以适应温度突变等恶劣环境条件，所选择的处理器与ZigBee无线传输芯片体积小、功耗较低、价格较低且性能非常高。利用ZigBee技术对风电场多个具有至关重要的环境参数进行了实时采集和远程监控，有效解决了目前风电场环境监测系统工作环境恶劣、测量精度低、价格昂贵、功耗较高、通信能力弱等大量问题，对电力技术发展具有重大意义。
附图说明
下面结合附图和实施例，对本实用新型进一步详细描述。
图1为本实用新型具体实施技术方案的总框图，包括传感器组块（1）、信号处理组块（2）、ZigBee无线网络（3）、上位机组块（4）。
图2为本实用新型具体实施技术方案的功能框图，包括传感器驱动电路（101）、超声波传感器模块（102）、温度传感器模块（103）、湿度传感器模块（104）、气压传感器模块（105）、滤波电路（201）、信号放大电路（202）、信号整形电路（203）、相位检测电路（204）、A/D转换电路（205）、ZigBee发射模块（301）、ZigBee接收模块（302）、 单片机（401）、内存卡（402）、液晶显示屏（403）。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和有益效果更明显，下面本文将结合本实用新型具体实施方式对实用新型的技术方案进行完整的描述。
在一个监测实例实施中，如图1所示，装置主要部分包括：传感器组块（1）、信号处理组块（2）、ZigBee无线网络（3）、上位机组块（4）。如图2所示，传感器组块（1）中包括传感器驱动电路（101）、超声波传感器模块（102）、温度传感器模块（103）、湿度传感器模块（104）、气压传感器模块（105），超声波传感器模块（102）由传感器组驱动电路（101）驱动；信号处理组块（2）包括滤波电路（201）、信号放大电路（202）、信号整形电路（203）、相位检测电路（204）、A/D转换电路（205）； ZigBee无线网络（3）包括ZigBee发射模块（301）和ZigBee接收模块（302），ZigBee发射模块（301）与ZigBee接收模块（302）通过ZigBee无线网络进行通信；上位机组块（4）包括单片机（401）、内存卡（402）和液晶显示屏（403）。
在一个监测实例实施中，以风电场最重要的风速风向数据为例。如图2所示，当装置上电后，传感器驱动电路（101）驱动超声波传感器模块（102）工作，超声波传感器模块（102）测得当前风速风向下的超声波信号，信号通过滤波电路（201）进行滤波处理，再将微弱的模拟信号采用信号放大电路（202）放大，因相位检测电路（204）只能处理方波信号，所以信号放大电路（202）输出的信号经过信号整形电路（203）整形为方波信号后，再由相位检测电路（204）检测相位差信号，相位检测电路（204）与ZigBee发射模块（301）相连， ZigBee发射模块（301）通过ZigBee无线网络通信，将相位差信号发送给ZigBee接收模块（302），上位机组块（4）的单片机（401）与ZigBee接收模块（302）连接，接收到相位差信号并进行处理计算后，发送到内存卡（402）存储，液晶显示屏（402）接收到单片机（401）的信息将当前风向风速显示。
超声波传感器是根据超声波在顺风和逆风下传播速度不同实现风速风向测量的，设无风条件下超声波在介质中传播速度为C，风速V沿着x方向及y方向的分量分别是 和 ，一对收发超声波传感器距离L远远大于声波的波长，所以将声波视为平面波处理，得到沿x轴方向顺风和逆风超声波传感器传播的时间分别为：
（1.2）
于是可以得到x轴方向上顺风与逆风时超声波传播时间与沿x轴方向风速的关系：
（1.3）
只要测出某方向上顺风和逆风超声波传感器从发射头到接收头的飞行时间，就可以计算传感器连接方向上的风速大小，由于超声波传感器收发探头距离L较小，导致和的数值十分小，测量时间元件需要很高的精准度，且测量后计算的难度也会提高，本实用新型将时间差信号转换为不同路超声波传播信号的相位差来进行测量：
（1.4）
依据将时间信号转化为相位差信号：
（1.5）
得到了相位差与风速的关系，同样的方法在y轴装设一对超声波传感器探头，得到y轴方向的风速，进行矢量合成，就可以通过和 ，计算出风速和风向。
在一个监测实例中，其他信号具体实施以温度传感器测量为例。如图2所示，给装置上电后，装置的温度传感器（103）开始工作并测量温度产生模拟信号，信号通过滤波电路（201）进行滤波处理，再将微弱的模拟信号通过信号放大电路（202）放大，放大后的信号经过A/D转换电路（205）转换为数字信号，A/D转换电路（205）与ZigBee发射模块（301）相连，ZigBee发射端（301）通过ZigBee无线网络通信，将数字信号发送给ZigBee接收模块（302），上位机组块（4）的单片机（401）与ZigBee接收模块（302）相连，接收到数字信号并进行处理计算，发送到内存卡（402）存储，液晶显示屏（402）接收到单片机（401）的信息将当前温度信息显示。
所述的滤波电路（201）通带频率为2kHz-2MHz；信号放大电路（202）考虑到输入信号的频率和单电源供电、输入输出范围的问题，选择运放OP37，输入失调电压30μV，压摆率17V/μs，单位增益带宽40MHz；信号整形电路（203）采用LM311对放大后的40KHz正弦波信号做整形处理，两个阈值分别设置为，，消除正弦波零点附近毛刺，得到稳定方波信号；相位检测电路（204）选择高速鉴频鉴相器AD9901作为测量模块核心，能够处理高达200MHz信号，AD9901内部的特殊设计可以使得器件在线监测时可以消除其他电路产生的不稳定相位检测区。
以上所述，仅为本实用新型的较突出实施实例，并非对本实用新型作出任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实例作出任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。
Claims (1)
1.一种基于ZigBee的风电场环境监测装置，其特征在于：包含传感器组块（1）、信号处理组块（2）、ZigBee无线网络（3）、上位机组块（4）；所述的传感器组块（1）的子模块与信号处理组块（2）的子模块相连，信号处理组块（2）的子模块通过ZigBee无线网络（3）与上位机组块（4）的子模块进行通信；所述的传感器组块（1）中包括传感器驱动电路（101）、超声波传感器模块（102）、温度传感器模块（103）、湿度传感器模块（104）、气压传感器模块（105），超声波传感器模块（102）由传感器驱动电路（101）驱动；所述的信号处理组块（2）包括滤波电路（201）、信号放大电路（202）、信号整形电路（203）、相位检测电路（204）、A/D转换电路（205），滤波电路（201）与传感器组块（1）的传感器输出相连；所述的滤波电路（201）、信号放大电路（202）、信号整形电路（203）与相位检测电路（204）依次相连，构成超声波传感器信号处理电路，并与ZigBee发射模块（301）相连；所述的滤波电路（201）、信号放大电路（202）与A/D转换电路（205）依次相连，构成其他传感器信号处理电路，并与ZigBee发射模块（301）相连；所述的ZigBee无线网络（3）包括ZigBee发射模块（301）和ZigBee接收模块（302），ZigBee发射模块（301）与ZigBee接收模块（302）通过ZigBee无线网络进行通信，ZigBee接收模块（302）与单片机（401）连接；所述的上位机组块（4）包括单片机（401）、内存卡（402）和液晶显示屏（403），单片机（401）与内存卡（402）相连,实现内存的读取，液晶显示屏（403）与单片机（401）连接，显示监测数据。
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