隨著人類對能源需求的不斷增加，以及化石能源造成的環境污染、溫室效應等問題的出現，能源安全已成為世界各國面臨的最重要的問題。風能是目前最有開發利用前景的可再生清潔能源,風力發電作為風能利用的主要方式而備受關注[1]。截止2010年底，全球風電裝機容量已達到2億千瓦。已經有100多個國家開始發展風電，裝機容量超過100萬千瓦的國家有20個。我國除臺灣外累計風電裝機容量已達4 400萬千瓦，已經超過美國成為裝機第一的風電大國[2]。

    葉片是風力發電機組吸收風能的關鍵部件，葉片質量好壞直接關系著機組運行的安全性。機組的載荷主要由葉片產生，葉片承受的載荷主要有吸收風載的氣動載荷、本身的重力載荷以及轉動時產生的離心力載荷。隨著機組容量不斷增大，葉片的長度也越來越長，為了降低成本，薄殼結構的葉片也變得越來越輕巧，結構的撓性變得越大。葉片在旋轉過程中受到大氣邊界層的剪切風、隨機陣風、塔影效應、變槳、偏航、氣動的不平衡、葉片本身彈性恢復等因素影響，形成了復雜的激振源，由此引發的多因素的結構耦合振動越發引起重視。振動的主要形式表現為揮舞、擺陣和扭轉振動。因此，檢測葉片在不同風速下的振動特性，分析其振動機理，對于指導葉片設計和機組安全運行有著重要的意義。
    由于風力機葉片特殊的工作方式，傳統的測振方式無法安裝在葉片上。本研究設計了一套低功耗的無線振動采集系統，可以把振動傳感器模塊安裝在葉片內部某一半徑位置，上位機的收發模塊安裝在機艙中，上位機可以放在塔筒底部，它們之間采用RS485通信。系統采用ATMEGA32單片機作為數據采集和數據處理的核心，用NRF24E1低功耗的收發芯片作為無線通信模塊，上位機通過LabVIEW編程實現數據的圖形化顯示，并且可以通過軟件編程使單片機和無線發射模塊工作在更低的功耗狀態。
1 系統組成
    本系統采用模塊化設計思路，系統結構框圖如圖1所示。選用的高性能低頻傳感器把振動信號傳輸給單片機，數據經過處理后無線收發模塊通過半雙工的通信模式傳輸出去。平時不工作時，系統處于休眠狀態，上位機有數據采集的中斷信號發出以后，即可把系統從休眠狀態中喚醒，啟動收發模塊，檢驗通道是否暢通，然后把存儲在單片機中的數據發射出去，當接收端確認正確接收后，系統重新進入休眠狀態[3-4]。接收部分通過RS485完成和計算機的通信，采用LabVIEW圖形化的編程語言對數據做最后的接收、顯示和處理。

2 系統硬件
    振動傳感器要安裝在旋轉的風力機葉片上，不能經常拆卸，因此要考慮固定和系統的功耗問題。采用低功耗的元器件是本系統的一個重要特色。系統原理圖如圖2所示。

2.1傳感器選擇  
    系統選用TZDM22-55振動傳感器，它采用了銻化銦薄膜磁敏電阻作為敏感元件，配以放大整形線路用金屬外殼封轉，輸出信號為準正弦波的交變電壓信號。安裝時將傳感器緊固在一側的振動體上，當振動體在傳感器敏感的測量方向上振動時，傳感器內部的振動磁鋼相應地強制振動，安裝在振動磁鋼旁的磁敏元件能夠感應出磁鋼引起的磁場變化，并產生一個交變電壓信號，經過電路的處理放大后，輸出與被測振動參數（頻率和幅值大小）相對應的交變電壓信號。工作電壓VDC 5～24 V，振動頻率范圍0.3 Hz~3 kHz，使用溫度范圍-25℃~+75℃，防護等級IP65~IP67。無振動時輸出近似2.5 V的直流電平，噪音小于30 mV；有振動輸出時，輸出電壓幅值50 mV~4.8 V之間。兩根電源線，一根信號輸出線。具有體積小、頻響寬、接線簡單、分辨率高、靈敏度高、壽命長等特點。有振動和無振動時的輸出波形見圖3。

2.2單片機的選擇
    系統選用了ATMEL公司的ATMEGA32單片機[5-7]。其內核具有豐富的指令集，所有的寄存器都直接與算術邏輯單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。具有32 KB的系統內可編程Flash，1 KB EEPROM, 2 KB SRAM，32個通用I/O端口，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內調試與編程，3個具有比較模式的靈活的定時器/計數器(T/C),片內/外中斷，可編程串行USART，面向字節的兩線串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP封裝)的ADC，具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI串行端口，以及6個可以通過軟件進行選擇的睡眠模式。
2.3 時鐘電路
    時鐘電路選用DS1302。工作電壓2.0 V~5.5 V，2.0 V時工作電流小于300 nA。DS1302內部提供了一個31×8 bit的用于臨時性存放數據的RAM寄存器，還增加了主電源和備份電源的雙電源引腳,在主電源關閉的情況下，也能保持時鐘的連續運行。通過三線(RST、I/O、SCLK)串行方式與單片機進行數據傳送，能夠向單片機提供包括秒、分、時、日、月、年等在內的實時時間信息，實現數據與出現該數據的時間同時記錄，并可對月末日期、閏年天數自動進行調整。
2.4 無線傳輸模塊
    采用了NORDIC公司生產的nRF24E1[8-9]。該模塊的無線收發器工作于2.4 GHz的ISM頻段,有多達125個頻點，能夠實現點對點、點對多點的無線通信，同時可采用改頻和跳頻來避免干擾。內部結構如圖4所示。NRF24E1內部集成了增強型8051內核,2.4 GHz無線收發器,100 kS/s的9路10位模數轉換器，內置 RC振蕩器、SPI接口、UART接口、 PWM輸出、看門狗和喚醒定時器以及專門的穩壓電路。所有高頻元件包括振蕩器、電感等全部集成在芯片內部，因此芯片的性能穩定，受外界環境的影響很小。
    NRF24E1采用36腳QFN(6 mm×6 mm)封裝，體積小、功耗低，非常適用于對體積和功耗要求較高的應用場合；最大傳輸速率可達1 Mb/s，靈敏度為-90 dBm，最大發射功率為0 dBm；在較為理想的環境中，室內傳輸距離可達30～40 m，室外傳輸距離可達100～200 m；其工作電壓為1.9～3.3 V，工作溫度范圍為－40 ℃～+80 ℃。
    信號采集和發射模塊的電路原理圖如圖5所示，單片機的D6口接收傳感器的脈沖信號，PB0～PB2口與DS1302的RST 、I/O、SCLK引腳相連，單片機通過TXD和RXD與發射模塊進行通信。32.768 kHz的晶振為時鐘芯片提供計時脈沖。nRF24E1的運行程序放在外部串行EEPROM中,開始工作時,內部引導程序會自動把主程序導入SRAM中并執行。

３ 系統軟件的實現

    單片機選用內部自帶的1 MHz晶振，B口接收DS1302的時間數據，D6口接收振動信號。單片機收到上位機采集信號的請求后，通過INIT0中斷把單片機從睡眠模式中喚醒，然后給nRF24E1返回一個準備完畢的信號“*”。初始化NRF24E1，首先送握手信號“#”，待確認后，調用發射程序，把數據通過USART發給接收模塊，當監測到UCSAR的TXC為置位時，發送結束，系統重新進入睡眠狀態。發射數據時NFRF24E1工作在ShockBurst模式下，可使數據發送時間大大縮短。軟件采用了LabVIEW語言編程，可以方便地實現系統對數據的采集和分析處理。單片機控制的軟件流程如圖6所示。
4 系統測試數據
    系統在實驗室組裝調試成功后，在室內轉動的吊扇葉片上進行了測試，測試數據如圖7所示。圖7(a)是葉片慢速轉動時的部分數據曲線， 圖7(b)是給了一個激勵后的振動數據曲線。采集的數據結果表明，系統數據傳輸穩定可靠，對激勵信號反應靈敏，能夠對風機葉片的低頻振動信號進行可靠的采集。

    該系統以計算機為上位機，利用無線通信方式實現風電機組葉片振動測量，解決了一般有線測量方法在葉片上難以安裝的難題。通過選用低功耗的器件以及電路的優化設計和軟件的處理，使系統能夠工作在更低功耗狀態，抗干擾性更強，并具有良好的人機對話界面，系統整體集成度高，擴展性強，軟件編程簡單，可開發能力強。實驗結果表明，該系統能夠滿足葉片低頻振動測量的需要。
參考文獻
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[9] nRF24E1 and nRF24E2 RF layouts[DB/OL].[2011-11-06].http://www.freqchina.com.