本发明属于风电监测技术领域，具体涉及一种基于气动噪声的风机叶片监测系统。
背景技术：
风力发电机的使用环境通常为海边和山脉，其叶片容易被侵蚀，产生磨损、裂纹、砂眼等损伤，可直接影响到整机的平稳运作和发电质量，工作人员往往通过“听”和“看”的方式进行故障排查，人工成本高，效率低下。
目前常用的风机叶片故障检测技术有振动检测技术，声发射检测技术，光纤光栅检测技术，电阻应变检测技术，超声波检测技术和红外热成像检测技术。振动检测和声发射检测需要在叶片上打孔安装传感器，不但会让叶片原有结构的破坏，而且传感器的安装与后期维护较为困难，所需传感器比较多。光纤光栅检测与电阻应变片检测需要在叶片制造过程中在材料内部埋设光纤光栅传感器或在叶片表面粘贴传感器，难以实现传感器与叶片的一体化制造，传感器数量以及布放位置对检测结果影响较大，且接触式传感器自身存在局限性，长时间运行后传感器可能会出现掉落，失效，损坏等情况，在风机叶片运行过程中无法对传感器进行维护。超声波检测方法更适于叶片出厂前的静态检测，红外热成像检测对于比较深的损伤位置的检测灵敏度不高，且环境因素的影响较大，对叶片进行实时健康监测有一定困难。
因此急需提供一种检测效率高，健康监测时间长，安装维护成本低的基于气动噪声的风机叶片监测系统。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有基于气动噪声的风机叶片监测系统的不足，提供一种基于气动噪声的风机叶片监测系统。
本发明提供了如下的技术方案：
一种基于气动噪声的风机叶片监测系统，包括音频采集模块、编码控制模块、无线网络数据传输模块、电源管理模块、云服务器和监控客户端；
所述音频采集模块和所述无线网络数据传输模块分别与所述电源管理模块连接，所述音频采集模块、所述无线网络数据传输模块和所述电源管理模块分别与所述编码控制模块连接，所述云服务器与所述无线网络数据传输模块通过无线连接，所述监控客户端与所述云服务器通过互联网连接；
下位机系统由所述音频采集模块、所述编码控制模块、所述无线网络数据传输模块和所述电源管理模块组成，所述音频采集模块、所述编码控制模块、所述无线网络数据传输模块和所述电源管理模块均配置有风机。
进一步地，所述音频采集模块包括拾音传感器、放大滤波电路和模数转换电路。
进一步地，所述编码控制模块包括音频编码器和微控制器。
进一步地，所述无线网络数据传输模块包括4g单元和高增益天线。
进一步地，所述电源管理模块包括锂电池、电源管理芯片、太阳能电池板。
基于上述结构，本发明还提供一种使用方法，包括以下步骤：
s1.音频采集模块包括麦克风、放大电路、滤波电路和音频均衡电路，通过音频采集模块获取叶片气动噪声；
s2.编码控制模块包括音频编码器单元和微控制器单元，音频编码器单元用于对音频信号进行编码，编码控制模块信号输入端与音频采集模块信号输出端连接；
s3.微控制器单元包括单片机和sd卡存储单元，用于对其它模块进行控制初始化以及存储和转发音频数据；
s4.sd卡存储单元与单片机sdio接口相连，无线数据传输模块与编码控制模块相连，串行接口单元与单片机uart接口相连，通过串行传输方式将编码的音频信号发送给4g无线透传单元；
s5.电源管理模块包括锂电池、太阳能电池板、电源管理电路，电源管理模块与其它所有模块相连，将输入电压转换为各模块需要的工作电压；
s6.云服务器通过网络与无线数据传输模块相连；
s7.监控客户端为pc端应用软件，通过网络与云服务器相连，获取分析结果并实时显示在屏幕，在异常情况下发出警告。
本发明的有益效果是：
(1)在正常状态下运转只有叶轮扫风的声音，发生故障时会出现异响，其声音特征性会发生改变，检测效率高；
(2)非接触式的、动态无损的检测方法，可适于风机叶片的长期健康监测；
(3)传声器的安装位置在风机塔座底部，安装与维护不会影响风机叶片的正常运行，即使发生传声器损坏，失效等情况，传声器的更换维修也无须停机，从而避免经济损失，安装维护成本低。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中各模块信息处理流程图。
图中标记为：1、音频采集模块；2、编码控制模块；3、无线数据传输模块；4、电源管理模块；5、云服务器；6、监控客户端。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种基于气动噪声的风机叶片监测系统，包括音频采集模块1、编码控制模块2、无线网络数据传输模块、电源管理模块4、云服务器5和监控客户端6，音频采集模块1包括拾音传感器、放大滤波电路和模数转换电路，用于将叶片气动噪声信号转换为数字音频信号。编码控制模块2包括音频编码器和微控制器。无线网络数据传输模块包括4g单元和高增益天线。电源管理模块4包括锂电池、电源管理芯片、太阳能电池板，音频信号由音频采集模块1输入，并输出到编码控制模块2，经编码的音频数据输入到无线网络数据传输模块，并无线发送到云服务器5。
音频采集模块1和无线网络数据传输模块分别与电源管理模块4连接，音频采集模块1、无线网络数据传输模块和电源管理模块4分别与编码控制模块2连接，云服务器5与无线网络数据传输模块通过无线连接，云服务器5用于存储音频数据并进行数据分析处理，监控客户端6与云服务器5通过互联网连接，客户端接收云服务器5推送的计算结果，进行显示并预警。
下位机系统由音频采集模块1、编码控制模块2、无线网络数据传输模块和电源管理模块4组成，音频采集模块1、编码控制模块2、无线网络数据传输模块和电源管理模块4均配置有风机。
使用方式为：音频采集模块1包括麦克风、放大电路、滤波电路和音频均衡电路，通过音频采集模块1获取叶片气动噪声，麦克风数量不唯一，选用两个互补麦克风可以提高音频信号的信噪比和保真度，采用一款电容式拾音器相比于驻极式拾音器有更高的灵敏度和频带响应范围；
编码控制模块2包括音频编码器单元和微控制器单元，音频编码器单元用于对音频信号进行编码，采用wav格式进行编码，vs1053音频编码器支持两种编码形式的wav录音，包括pcm编码和imaadpcm编码，使用未经任何压缩的pcm编码形式，wav是使用pcm编码的一种音频文件格式，vs1053音频编码器作为一款内置dsp的可编程器件，可以通过写入该芯片相关寄存器，设置需要的工作参数。寄存器sci_mode设置编码格式，寄存器sci_aictrl0设置采样率，寄存器sci_aictrl1设置增益，寄存器sci_aictrl3设置编码声道，编码控制模块2信号输入端与音频采集模块1信号输出端连接；
微控制器单元包括单片机和sd卡存储单元，用于对其它模块进行控制初始化以及存储和转发音频数据，单片机采用stm32系列，其工作温度范围在-40摄氏度到 105摄氏度，适合大多数户外条件下使用，时钟频率最高可达72mhz，并且i/o口还具备sdio接口，uart接口，体积较小；
sd卡存储单元与单片机sdio接口相连，采用fatfs文件系统，该文件系统使用c语言编写，其中最顶层为应用层，在这一层，用户只能接触到一些封装函数，这些函数的功能是进行文件管理的操作，中间层fatfs模块是fatfs文件系统进行读写操作的协议层，使用时，一般情况下不对此部分代码做修改，最下面一层是软件和硬件的接口层，是移植过程中需要根据硬件接口进行代码修改的部分；
无线数据传输模块3与编码控制模块2相连，串行接口单元与单片机uart接口相连，通过串行传输方式将编码的音频信号发送给4g无线透传单元，4g无线透传单元采用usr-lte-7s4通讯模块，通过串口使用at指令对该模块进行初始化，设置工作模式为透传模式指令为at wkmod＝net，使能socketa指令为at sockaen＝on，设置socketa为tcpclient指令为at socka＝tcp,域名，端口，设置socketa为长连接指令为at sockasl，重启指令为at z，并且硬件上设计有看门狗，在运行出现异常时能够自动重启，以保证长时间工作的稳定性，无线数据传输模块3的传输方式可选5g、nb-iot、wifi、射频，zigbee等；
电源管理模块4包括锂电池、太阳能电池板、电源管理电路，电源管理模块4与其它所有模块相连，锂电池采用12v，3a输出规格，太阳能电池板白天为锂电池充电，则无需外接市电，实现系统独立运行，将输入电压转换为各模块需要的工作电压，采用分压电阻，adc转换采集电压信号，若锂电池电压大于13.7v则断开太阳能电池板，若锂电池电压小于12.3v则接通太阳能电池板进行充电，采用低压差稳压芯片输出12v供银屏采集模块和无线数据传输模块3，采用线性稳压芯片输出5v供编码控制模块2；
云服务器5通过网络与无线数据传输模块3相连，服务器通信协议采用tcp/ip，硬件配置2核4g，带宽5m；监控客户端6为pc端应用软件，通过网络与云服务器5相连，获取分析结果并实时显示在屏幕，在异常情况下发出警告。
为保证数据传输的稳定性，软件在设计时增加了超时重发的功能，避免网络波动造成的影响，以确保数据的完整性。协议描述如下：
(1)编码控制模块2在发送一个音频文件时，首先完整的数据包的开头以大写的字符“s”开始，然后发送该文件的数据大小，再发送音频文件，之间使用字符“##”隔开。最后以字符“f”作为结束位；
(2)云服务器5程序在接收到字符“s”后，准备接收音频数据，首先程序收到文件大小的数据后，得知接下来所要接收的文件数据大小，在接收完编码控制模块2发来的音频数据后，计算实际接收的音频数据大小，与数据包中应该接收到的数据大小做比较，以确保数据接收的完整性。
监控客户端6为pc端应用软件，通过网络与云服务器5相连，获取分析结果实时显示在屏幕上，并在异常情况下发出告警。优选的，使用c 语言在qt图形界面框架下进行开发，qt中有专门针对tcp/ip通信的套接字qtcpserver和qtcpsocket，其中qtcpserver负责服务器端的监听操作，qtcpsocket负责与客户端的通信操作。
实施例2
如图2所示，一种基于气动噪声的风机叶片监测系统，包括音频采集模块1、编码控制模块2、无线网络数据传输模块、电源管理模块4、云服务器5和监控客户端6，音频采集模块1包括拾音传感器、放大滤波电路和模数转换电路，用于将叶片气动噪声信号转换为数字音频信号。编码控制模块2包括音频编码器和微控制器。无线网络数据传输模块包括4g单元和高增益天线。电源管理模块4包括锂电池、电源管理芯片、太阳能电池板，音频信号由音频采集模块1输入，并输出到编码控制模块2，经编码的音频数据输入到无线网络数据传输模块，并无线发送到云服务器5。
音频采集模块1和无线网络数据传输模块分别与电源管理模块4连接，音频采集模块1、无线网络数据传输模块和电源管理模块4分别与编码控制模块2连接，云服务器5与无线网络数据传输模块通过无线连接，云服务器5用于存储音频数据并进行数据分析处理，监控客户端6与云服务器5通过互联网连接，客户端接收云服务器5推送的计算结果，进行显示并预警。
下位机系统由音频采集模块1、编码控制模块2、无线网络数据传输模块和电源管理模块4组成，音频采集模块1、编码控制模块2、无线网络数据传输模块和电源管理模块4均配置有风机。
其各模块信息处理流程步骤如下：
s1.系统通电后，进行stm32单片机的时钟配置，引脚端口模式配置，串口工作参数配置，定时器参数配置，以及音频编码器vs1053的初始化操作，通讯模块的检测，外部存储设备sd卡的检测；
s2.当初始化异常时，重新进行初始化；
s3.编码控制模块2通过4g网络接入云服务器5，若接入失败，则重新进行初始化；
s4.单片机通过与vs1053的spi通信接口，向vs1053写入开始采集的指令，开始进行现场叶片气动音频信号的采集，以pcm编码形式的音频文件，发送给单片机；
s5.单片机将vs1053发来的pcm音频数据保存在外部存储设备sd卡上；
s6.单片机将wav格式文件的数据头添加到pcm数据起始位置，并最终在sd卡上保存为wav格式的音频文件；
s7.最后读取sd卡里的wav音频文件上传到云服务器5，供服务器程序后续进行数据分析处理；
s8.由于风力发电机现场所处的位置一般较为偏僻，偶有4g信号弱甚至没有的时候，针对这一情况，在通信时设置一个超时限制，当数据超时传输时，即认为此刻信号偏弱，传输超时，需重新进行传输。
通过采集风机叶片气动噪声信号，进行编码保存为wav格式音频文件，通过4g网络传输到云服务器5，有服务器对信号进行分析处理，将结果推送给监控客户端6，实现了一种全天候，实时的，网络化的，自动的风机叶片远程状态监测系统。
基于气动噪声的音频健康监测目前在轴承、电机等诊断方面已有实际价值产生，利用音频信号处理技术和机器分类算法可以实现风机叶片健康状况无损检测，基于气动噪声的风机叶片监测是一种数字化、网络化的自动远程监测系统，具有高效、智能、全天候的特点。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种基于气动噪声的风机叶片监测系统，其特征在于，包括音频采集模块、编码控制模块、无线网络数据传输模块、电源管理模块、云服务器和监控客户端；
所述音频采集模块和所述无线网络数据传输模块分别与所述电源管理模块连接，所述音频采集模块、所述无线网络数据传输模块和所述电源管理模块分别与所述编码控制模块连接，所述云服务器与所述无线网络数据传输模块通过无线连接，所述监控客户端与所述云服务器通过互联网连接；
下位机系统由所述音频采集模块、所述编码控制模块、所述无线网络数据传输模块和所述电源管理模块组成，所述音频采集模块、所述编码控制模块、所述无线网络数据传输模块和所述电源管理模块均配置有风机。
2.根据权利要求1所述的基于气动噪声的风机叶片监测系统，其特征在于，所述音频采集模块包括拾音传感器、放大滤波电路和模数转换电路。
3.根据权利要求1所述的基于气动噪声的风机叶片监测系统，其特征在于，所述编码控制模块包括音频编码器和微控制器。
4.根据权利要求1所述的基于气动噪声的风机叶片监测系统，其特征在于，所述无线网络数据传输模块包括4g单元和高增益天线。
5.根据权利要求1所述的基于气动噪声的风机叶片监测系统，其特征在于，所述电源管理模块包括锂电池、电源管理芯片、太阳能电池板。
6.一种使用如权利要求1-5所述的基于气动噪声的风机叶片监测系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1.音频采集模块包括麦克风、放大电路、滤波电路和音频均衡电路，通过音频采集模块获取叶片气动噪声；
s2.编码控制模块包括音频编码器单元和微控制器单元，音频编码器单元用于对音频信号进行编码，编码控制模块信号输入端与音频采集模块信号输出端连接；
s3.微控制器单元包括单片机和sd卡存储单元，用于对其它模块进行控制初始化以及存储和转发音频数据；
s4.sd卡存储单元与单片机sdio接口相连，无线数据传输模块与编码控制模块相连，串行接口单元与单片机uart接口相连，通过串行传输方式将编码的音频信号发送给4g无线透传单元；
s5.电源管理模块包括锂电池、太阳能电池板、电源管理电路，电源管理模块与其它所有模块相连，将输入电压转换为各模块需要的工作电压；
s6.云服务器通过网络与无线数据传输模块相连；
s7.监控客户端为pc端应用软件，通过网络与云服务器相连，获取分析结果并实时显示在屏幕，在异常情况下发出警告。
技术总结