基站发送时钟同步请求数据包，通过计算基站与监控中心的时钟偏移量并修正基站的本 地时钟，实现基站与监控中心的时钟同步；同理，依次实现基站与簇首节点的时钟同步，簇 首节点与簇成员节点的时钟同步，从而实现整个系统的时钟同步； 所述簇成员节点与簇首节点的通信采用ZigBee短距离无线通信技术，簇首节点和基 站的通信以及基站与移动监测设备的通信都采用GPRS远程无线通信技术。5. 根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的风电场远程实时监测系统，其特征在 于：所述无线传感器节点包括传感器模块、AD转换模块、处理器模块、存储器模块、无线通 信模块和电源模块； 所述传感器模块包括：风速传感器，用于测量传感器所在位置的风场风速；风向传感 器，用于测量传感器所在位置的风场风向；气压传感器，用于测量传感器所在位置的空气压 力；温湿度传感器，用于测量空气的温度和湿度；振动传感器，用于测量风力发电机的振动 参数；温度传感器，用于测量风机机舱内的温度；电流互感器，用于测量风力发电机的定子 电流；电压互感器，用于测量风力发电机的端电压； 所述AD转换模块采用多通道AD转换芯片；所述处理器模块采用ARM控制器，内嵌 uC/OSII实时多任务操作系统；所述存储器模块采用SD存储卡，用于存储测量数据；所述 无线通信模块采用ZigBee模块或者GPRS模块，用于数据的接收和发送，簇首节点同时采 用ZigBee模块和GPRS模块，簇成员节点只采用ZigBee模块；所述电源模块能够分别提供 ±15V、5V 和 3. 3V 电源。6. 根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的风电场远程实时监测系统，其特征在 于：所述基站包括两个节点，一个接收节点负责汇聚测量数据信息至监控中心，一个接收节 点负责将监控中心信息发送至无线传感器节点和移动监测设备； 每个基站节点的硬件组成包括处理器模块、存储器模块、无线通信模块、电源模块；所 述处理器模块采用ARM控制器，内嵌uC/OSII实时多任务操作系统；所述存储器模块采用 SD存储卡，用于存储测量数据；所述无线通信模块采用GPRS模块；所述电源模块能够分别 提供±15V、5V和3. 3V电源。7. 根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的风电场远程实时监测系统，其特征在 于：所述移动监测设备为移动手机或者手持式移动监测仪；所述手持式移动监测仪硬件组 成包括处理器模块、存储器模块、无线通信模块、电源模块、显示模块；所述处理器模块采用 ARM控制器，内嵌uC/OSII实时多任务操作系统；所述存储器模块采用SD存储卡，用于存 储测量数据；所述无线通信模块采用GPRS模块；所述电源模块能够分别提供±15V、5V和 3. 3V电源；所述显示模块采用液晶显示屏，实时显示风电场运行状态信息。8. 根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的风电场远程实时监测系统，其特征在 于：所述监控中心采用搭建Windows7操作系统的计算机，基于VS2008和SQL2005开发环境 编写的上位机软件运行在该计算机上；上位机具有以下功能： 1) 采集、存储风电场的运行数据，包括各风力发电机状态数据以及风场的气象数据，能 够进行实时数据和历史数据的显示、查询； 2) 风力发电机组状态监测：根据风力发电机的振动、温度、定子电流、端电压这些历史 数据和实时测量数据对风机进行监测，通过对振动信号和定子电流信号进行谱分析判断风 机是否故障； 3) 三维风场模拟：利用风场的风速、风向、空气压力、空气温湿度这些气象数据对整个 风场进行三维数值模拟； 4) 风速和风电功率预测：利用风速和风向数据对传感器所在位置的风场风速和风电 功率进行预测。9. 基于无线传感器网络的风电场远程实时监测方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 将无线传感器节点布置在风力发电机上，在安装之前，根据风力发电机所在位置将 无线传感器节点划分为N个分簇，每个簇选择一个簇首节点，其余为簇成员节点，簇首节点 的选择要使尽量多的簇成员节点在簇首节点的通信范围内； 2) 根据簇首节点和簇成员节点的划分在风力发电机上安装对应的无线传感器节点，簇 首节点的硬件比簇成员节点的硬件多一个GPRS模块；传感器按以下位置安装：风速、风向、 气压、空气温湿度传感器安装在机舱尾部，振动传感器、温度传感器、电流互感器、电压互感 器安装在机舱内部；给每个无线传感器节点设置不同的ID号地址并下载相应程序，开启节 点电源进彳丁初始化，然后等待； 3) 在监测中心附近安装基站，设置唯一的ID号地址并下载相应程序，开启电源进行初 始化，然后等待； 4) 开启监测中心的上位机软件，通过点击界面按钮下达时钟同步指令，时钟同步采用 NTP策略； 5) 通过操作上位机软件启动系统，每个簇的簇成员节点测量所在位置风力发电机的振 动、温度、电压、电流这些运行参数以及风场的风速、风向、空气压力、空气温湿度这些气象 数据，在属于自己通信时隙将测量数据发送至簇首节点；簇首节点汇聚簇成员节点的测量 数据，在属于自己的通信时隙将汇聚数据发送至基站，基站通过局域网将数据传送至监控 中心； 6) 监控中心采集、存储、显示风电场的运行数据，同时利用历史数据和实测数据实现对 风力发电机组状态监测、三维风场模拟、风速和风电功率预测的功能； 7) 监控中心通过基站定时向移动监测设备发送风电场的运行状态信息并实时显示，用 户也可以通过移动监测设备向监测中心发送请求指令，监测中心将会立即发送风电场的状 态信息。10.根据权利要求9所述的基于无线传感器网络的风电场远程实时监测方法，其特征 在于：在步骤4)中，基站向节点发送同步请求数据包，该数据包中包含发送时间T1，节点收 到同步请求数据包后记录下数据包到达时间T 2，然后将一个请求响应数据包发送回基站， 该数据包包括到达时间T2、节点地址、基站地址、数据包离开时间T 3这些信息；基站接收到 请求响应数据包后记录其达到时间T4;假设基站与节点的时间偏差为O不变，同步请求数 据包的传输时间和请求响应数据包的传输时间都为D不变，根据数据包往返时间关系可得 如下关系式： T2-T1= O+D (1) T4-T3= D-O (2) 由式（1)和式⑵可求出基站和节点之间时间偏移量0:节点通过计算得到时钟偏移量0,并利用该时钟偏移量0修正节点的本地时钟，实现与 基站的时钟同步； 而采用的NTP策略具体是系统定时进行一次时钟同步，首先监控中心通过局域网向基 站发送时钟同步请求数据包，通过计算基站与监控中心的时钟偏移量并修正基站的本地时 钟，实现基站与监控中心的时钟同步；同理，依次实现基站与簇首节点的时钟同步，簇首节 点与簇成员节点的时钟同步，从而实现整个系统的时钟同步。
【专利摘要】本发明公开了一种基于无线传感器网络的风电场远程实时监测系统及方法，其系统包括无线传感器节点、基站、监控中心和移动监测设备；所述无线传感器节点安装在风力发电机上负责获取风电场的运行数据，包括风力发电机的状态数据以及风场的气象数据，每个传感器节点有唯一的ID号地址；所述基站负责无线传感器节点和监控中心之间的双向信息交互；所述监控中心采集无线传感器网络的测量数据，对数据进行分析、处理、存储、显示；所述移动监测设备通过无线网络随时随地获取风电场的各种运行状态信息。本发明系统具有体积小、安装维护简单、扩展容易、通信灵活、监测方便的特点，能够对风电场进行远程实时监测。
【IPC分类】G05B19/418, G08C17/02, H04W84/18, H04L29/08, G01R31/00
【公开号】CN105427566
【申请号】CN201510908850
【发明人】吴青华, 夏候凯顺, 李梦诗, 季天瑶, 张禄亮
【申请人】华南理工大学
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年12月9日