风机叶片监测系统设计

黄跃娟 ,薛莹 ,魏颖

摘要：文章基于RK3288处理器所设计的风机叶片监测系统通过对风机叶片转动声音频率的实时监测来判断风电机组的运行状态，具有体积小、操作简单、远程监控、可适应复杂外部环境等特点。在无人值守的严苛户外环境下，可持续对音频信号进行采集，并上传至用户端，通过对音频数据的处理、分析达到风电机组远程监控的目的。

关键词：风机；音频；远程监控

1 引言

风能极为适合缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带。我国有辽阔的土地和多样的地貌，风能资源极为丰富，可开发利用的风能储量约10亿KW，随着风电机组量的日益增长，基于风力发电设备多处于无人值守的偏远地区，一旦损坏维修成本及其高昂，为了合理的运营和完善的维护风电场，提高风力发电机组的运行效率和可靠性，文章基于瑞芯微RK3288研制了一款可用于监测风力发电设备运行状态的处理系统，主要功能有音频采集、网络数据传输等功能，产品具有体积小、性能强、可靠性高、适用于复杂外部环境等优点。

2 系统硬件设计

风机叶片监测系统主要由主控板和外壳构成。其中主控板核心电路采用一片瑞芯微公司出产的A17架构的RK3288 ARM芯片，两片容量为256M的三星公司LPDDR3，一片容量为8G的三星公司的eMMC，采用4路80P连接器与底板进行连接。外围电路包括音频、232串口、一路百兆网口、1路USB HOST、1路USB OTG、LED，RTC电池供电等电路。控制板上集成电源管理电路，输入DC24V，采用DC-DC转换成12V，依次输出3.3V、1.8V、5V，3.3V和1.8V为核心板以及外围电路芯片供电，5V为USB接口供电，整个风机叶片监测系统硬件设计框图如图1所示。

图1 系统结构设计框图

(1) 音频电路设计

风机叶片监测系统采集音频信号的质量对风机状态监测尤为重要，音频电路的设计好坏直接决定了整个监测系统的设计是否成功。风机地处高空，不经过处理的音频信号会引入大量的风噪，对后续风机转动音频分析产生影响。风噪主要能量一般集中在45Hz左右，去除低频噪声对抑制风噪有较好的效果，因此在硬件设计方面需要加入滤波电路，文章所设计的监测系统音频信号采用差分端输入，以便减少共膜噪声，并引入高通滤波电路，去除风噪，音频电路原理设计如图2。

图2 音频信号处理电路

(2) USB OTG和网口

USB OTG主要作用为系统下载与更新，电路设计不需要扩展芯片，直接与RK3288的USB控制引脚连接，外围电路有ESD保护。USB工作模式由EN引脚确定，连接芯片4脚的OTG_VBUS_DRV对USB进行检测控制上电与掉电。

以太网接口主要用于多机远程调试，采用RTL8211E芯片，该芯片支持10M/100M网络信号传输，支持3.3V及2.5V RGMII、GMII信号；可由外部提供25/50MHz时钟并能为MAC提供125MHz时钟信号；芯片采用单电源3.3V供电，由内置的开关电源产生1.05V为数字电路供电。

3系统调试

系统预装debian-linux操作平台，根据需求对debian系统进行桌面裁剪，使用命令行格式对串口、网口、音频功能进行调试，保证用户软件能够正常运行。通过对ARM主控芯片、嵌入式Linux操作系统、以太网、USB等通讯协议的开发以及底层驱动修改来实现对外围应用场景的控制。

(1)系统烧写

风机叶片监测系统使用USB OTG功能进行系统烧写，烧写工具为瑞芯微开发的上位机软件，设计时系统硬件上留有系统升级及烧写按键，按住按键的同时给系统上电即可进行烧写工作。

(2) 网络调试

文章所设计的风机叶片监测系统带有RS232接口，通过串口可以设置系统的IP地址，并使用Xmanager4软件中的SHELL进行系统的网络调试，PC机网段需与系统相同，图5为网络测试界面。

(3) 音频调试

网络连接成功后，在命令行界面输入arecord –d 20 –f cd test.wav即可开始录音，该命令的含义是在44100Hz的频率下进行20秒的录音，音频文件名保存为test.wav。录音结束后可通过Xmanager4软件FTP功能将录音文件导出，以便后续对音频分析处理。

4结论

文章基于国产瑞芯微RK3288研制了一款可用于监测风力发电设备运行状态的处理系统，系统具有体积小、抗干扰性强、可25米长线高品质音频传输等优点。系统的设计为风力发电设备运行状态监测提供了一个有力的手段，目前已大规模在电网公司应用并取得良好的应用效果。

参考文献：

[1]郑崇伟，李崇银．中国南海岛礁建设:风力发电、海浪发电［J］．中国海洋大学学报( 自然科学版)，2015，45(9):7－14.

[2]Dying.深挖四核潜力 瑞芯微RK3288浅析[J]．电脑迷，2014(6):24.