基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测定位系统

摘要

本发明涉及风电叶片健康监测与安全评估领域，具体提供了一种基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测与定位系统。本发明一种基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测与定位系统，包括叶片裂纹数据采集无线声发射传感器节点(1)、对数据进行中继传输的簇头节点(2)、汇聚数据的网管汇聚节点(3)以及监控中心。本发明结合了无线传感器网络和声发射技术的优势，构建了一套应用于风电叶片的部署灵活、扩展性强、安装维护方便、裂纹感知灵敏的损伤监测与定位系统，克服了传统电缆布线时采集点安装难、维护难、成本高、扩展性差等问题，整个系统配置简单、安装灵活、使用便捷。

权利要求

1.一种基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测与定位系统，包括叶片裂纹数据采集无线声发射传感器节点(1)、对数据进行中继传输的簇头节点(2)、汇聚数据的网管汇聚节点(3)以及监控中心，其特征在于：每个叶片上部署多个无线声发射传感器节点（1）用于采集数据，每个叶片上的无线声发射传感器节点构成一个簇，并为每个簇分配一个作为数据中继的簇头节点（2）来管理簇内节点，簇内采集数据的无线声发射传感器节点称为簇内节点，簇内节点在规定的时隙内向簇头节点发送数据，簇内节点通过D-S证据理论和三点定位方法实现裂纹的位置定位；

簇头节点部署在叶片根部，采用电源/锂电池供电，不间断的监听簇内节点的数据，每个簇分配一个常用工作频率；簇头节点将数据发送到网管汇聚节点（3），不间断的监听簇头节点发送的数据；网管汇聚节点（3）通过以太网或者GPRS/3G网络连接现场监测网络，将裂纹数据存储入数据中心；无线声发射传感器节点（1）、簇头节点（2）和汇聚节点（3）都具有自检模块，在节点启动或者根据用户指令完成节点自检，检测节点各模块是否正常工作；如果出现异常，将及时在客户端进行显示和预警；终端用户通过监控中心实时掌握风电叶片的服役状态，实时了解叶片裂纹的扩展情况，及时预警。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：安装于风电叶片上的无线声发射传感器节点(1)包括：FPGA控制单元、数据缓存模块、电源管理模块、声发射传感器、数据高速采集模块、前置放大器、高速数据处理模块、无线射频单元；节点启动后实时监测叶片裂纹信息，利用数据采集模块实现声发射数据的高速采集，将采集的数据经过前置放大处理后，通过高速数据处理模块从采集的数据中提取声发射参数特征数据，然后利用无线射频单元将特征参数数据打包发送至中继簇头节点；无线声发射传感器节点(1)采用锂电池独立供电，具有电压监测功能，在电池电压下降到阈值时，及时报警，提醒监控中心更换电池；无线声发射传感器节点的自检模块用于节点各模块的功能检测，防止由于节点出现故障而延误裂纹数据采集。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：汇聚节点(3)包括无线射频模块、以太网控制模块、数据通信模块、数据缓存模块、微控制单元、GPRS/3G网络模块、USB和串口通讯单元、自检模块、电源管理模块，使用220V电源供电，在电源出现问题时自动切换到电池供电功能，保证数据的存储和传输；数据缓存模块用于保存临时缓存中继节点发送的数据，或者突发网络中断情况下无法发送到监控中心的数据，保证网络数据的稳定传输；汇聚节点通过以太网或者GPRS/3G网络与风电场监控网络连接，将数据传输至监控中心；汇聚节点具有频率扫描功能，在簇头节点的使用的所有频率上进行扫描，接收来自簇头节点的数据；

汇聚节点的自检模块实现节点的各硬件单元是否正常工作的自动检测。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：对数据进行中继传输的簇头节点(2)的无线射频模块具有频率扫描功能，当无线声发射传感器节点(1)感知到裂纹数据的特征值超过阈值，所有感知到这个裂纹的节点启用应急频率发送数据，当中继节点进行通道扫描时，一旦频率与无线声发射传感器节点(1)使用的应急频率一致时，无线声发射传感器节点将裂纹数据发送到簇头节点(2)，簇头节点(2)进而将数据发送到汇聚节点(3)；簇头节点的自检模块用于检测各模块能否正常工作，确保簇头节点工作正常。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：整个系统不仅包括前端基于无线声发射传感器节点（1）、簇头节点（2）和汇聚节点（3）的数据采集部分，还包括在监控中心的调度服务器、数据库服务器、应用程序服务器、Web服务器以及客户端，系统利用簇内的无线声发射传感器节点(1)通过D-S证据理论和裂纹数据达到时间对裂纹位置进行三维定位，并通过图形界面在客户端显示裂纹的三维位置信息，并能根据设定的裂纹阈值进行报警。

6.根据权利要求1所述系统，其特征在于：

当叶片产生裂纹或者裂纹扩展，无线声发射传感器节点采集裂纹相关波形数据，然后计算获得声发射特征参数，主要包括振铃计数、持续时间、能量、上升计数、上升时间；同时，无线声发射传感器节点判断特征参数是否超过了用户设定的危险阈值，如果没有超过阈值，则传感器节点将声发射特征参数打包，在规定的数据发送时隙，将数据发送到簇头节点；如果超出了阈值，则传感器节点将声发射波形数据打包，不用等待规定的时隙，立即启用规定的特殊频率，将数据发送到簇头节点；在没有超过阈值时，簇头节点将接收到所有的簇内节点数据后，打包发送到汇聚节点；如果超过了阈值，表明当前的裂纹比较危险，簇头节点将利用特殊标识对感知到危险裂纹数据的传感器节点数据进行打包，同样利用规定的特殊频率向汇聚节点发送数据；汇聚节点将接收到的数据通过以太网传输到调度服务器，调度服务器协调应用程序服务器和数据库服务器完成数据的接收和存储任务。

7.根据权利要求1所述系统，其特征在于：

用户在远程监控中心选择裂纹位置定位功能，根据要确定的裂纹位置，用户选择离这个裂纹位置近的传感器，并设定需要几个传感器用于裂纹位置定位，设定的数字必须大于

2；系统根据用户选择的传感器，利用K-NN方法或者这个传感器周围的节点；如果近邻节点只有2个传感器，则配合用户选择的传感器，则直接利用三维空间定位方法对裂纹位置进行定位；如果近邻节点达到了3个及以上，系统则利用D-S证据理论的投票方法，从多个传感器中选择2个传感器，配合用户选择的传感器，利用三个传感器节点接收到裂纹信号的时间差通过三维空间定位方法对裂纹位置进行定位。

说明书

基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测定位系

统

技术领域

[0001] 本发明涉及风电叶片健康监测与安全评估领域，具体提供了一种基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测与定位系统。

背景技术

[0002] 近年来，随着国家大力支持可再生能源的发展，风电装机容量的迅猛增长和单机容量不断增大，对风电设备的安全可靠性、运行稳定性提出了极高的要求。风力发电机组是由叶片、传动系统、发电机、储能设备、塔架及电器系统等组成的发电装置。风力发电机叶片（简称风电叶片）是其中最重要的部件，其服役状态对整个风电机组的安全运行影响极大。

[0003] 由于我国的风力发电场主要分布在三北(东北、华北、西北)以及沿海地区，风电叶片在服役过程中需要长期承受强风载荷、雨雪、砂粒冲刷、紫外线照射、大气氧化与盐雾腐蚀等外界侵蚀，相对国外风电叶片的工作环境来说，我国的风电叶片服役环境更为复杂和恶劣，对风电叶片的服役安全造成了极大威胁。因此，为了保障我国风电叶片的服役安全，减少重大经济损失，避免灾难性事故的发生,合理维修、减少维护成本,采取有效的技术手段及方法对风电叶片进行健康监测具有十分重要的理论意义和实际意义。

[0004] 风电叶片具有尺寸和重量大、服役环境恶劣、外形和载荷复杂等特点，而且我国的风电叶片主要采用玻璃钢等复合材料，制作工艺受环境和人工影响很大，有一定的随机性和不确定性。目前，对风电叶片主要采用定期停机检修的方式进行维护，缺乏行之有效的健康监测与损伤预测方法，存在重大安全隐患。然而，考虑到风电叶片自身和服役特点，利用传统的有线、有源的在线监测方式对其进行健康监测将会面临布线施工难、后期维护难、可扩展性和可维护性差的问题。

[0005] 无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种新兴的数据采集与传输技术，它利用无线通信的方式将大量的传感器节点形成一个多跳的、自组织的监控网络，具有无线通信传输、可靠性高、自组织、维护方便、扩展性好等特点，可以有效地解决风电叶片健康监测存在的问题。由于材料或构件在受到外力或内力作用时，内部的应变能以弹性波的形式迅速释放出来，声发射对材料或构件缺陷的起始和扩展具有特殊的敏感性，并且具有动态检测能力，是复合材料的损伤研究的最有效的方法之一。因此，结合无线传感器网络与声发射技术对风电叶片的损伤进行监测和定位，有利于建立实时、可靠、长期监测的风电叶片健康监测系统，为风电叶片的健康状态评价建立统一有效的标准提供理论依据和数据支持。目前，与本发明相关的公开文献如下：

[0006] (1) 中国专利（申请号：201120265063.1）公开了一种风电机组智能预警应急系统无线传感器网络装置，包括传感器模块、数据处理控制模块、无线通信模块和供电模块。该装置可以对风电机舱和塔体内控制柜内的温度、烟雾、图像等物理信息进行感知和识别，实现对机舱内温度和空气中烟谱变化情况进行精确自动监测；可以对机舱内氧气浓度进行检测，进行环境安全抱紧，以确保人员的身体健康与生命安全。

[0007] (2) 北京化工大学的杨剑锋、韩敬宇研究了基于声发射技术的风电叶片裂纹无线监测系统，论文实现了基于CC2480与ATmegal28的硬件节点，而且可进行声发射数据的特征值计算，无线通信部分则负责把这三个特征参数进行传输。

[0008] (3) 中国专利（申请号：CN200820165073.6）公开了一种植物检测装置。目的是提供的植物声发射信号检测装置应具有功耗低、可靠性强、安装及维护便利等特点，并且成本较低。该方案包括随机部署在田间不同植株茎上的一组无线传感器网络节点，每个节点包括声发射传感器和及配套模块；所述的无线传感器网络节点通过一个或数个网关、基站与远程数据库服务器通信；数据传送的过程是每个无线传感器网络节点所采集的数据通过相邻节点接力传送的方式传送回网关，网关将数据处理后转发给基站，通过基站以卫星信道或者有线网络连接的方式传送给远程数据库服务器；其特征在于所述的每个声发射传感器设置在植物茎部，以直接感知植物的声发射信号。

[0009] (4) 中国专利（申请号：CN201110065468.5）公开了一种化工场景下人员定位监测系统及定位方法。现有的定位设备成本高、定位精度低。本发明包括RS-485总线、无线传感器网络、数据转换装置和分布在各车间的分站网关。RS-485总线网络中的数据按照RS-485总线通讯协议进行通讯；无线传感器网络中的数据按照串行通讯协议通过RS-232串口进行通讯；RS-485总线网络与无线传感器通过数据转换装置和各车间分站网关连接，用于将指令和参数传输给无线传感器网络。本发明能够精确获得工作人员在车间中的位置，并提供实时动态定位数据。

[0010] (5) 中国专利（申请号：CN201010264833.0）公开了一种基于无线传感器网络的机场环境监控方法，通过搭建一个无线传感器网络和一个专用虚拟网络来实现机场环境的实时监控和预警处理，无线传感器网络由网络协调器、终端设备和监测节点构成，专用虚拟网络由监控中心、手持设备和安防系统构成，其显著效果是：监控中心采用虚拟专用网，利于数据信息的保密性和安全性，无线传感器网络在不同情况下采用不同的无线信道接入机制，保证了紧急情况下监测节点实时向监控中心汇报有效环境信息，无线传感器网络与虚拟专业网络之间采用GPRS协议，扩大了数据传送距离，监控中心能够对上传的环境信息进行实时判断和预警处理，增强了机场安防体系的智能性和完善性，可准确而实时的制止事故发生。

[0011] 综上所述，目前围绕风电叶片损伤监测、损伤定位等问题的研究，在国内外仅有少量的专利和科技论文，但是这些研究成果只解决了部分问题，还存在很多领域尚未探索。具体体现在：(1) 现有的研究成果大多针对风电机组的机舱或者塔架等，没有考虑到风电叶片的特殊性；(2) 研究成果涵盖内容较少，仅仅只是解决了前端数据采集的问题，而且研究内容只涉及数据采集的几个模块和功能，更没有对整个叶片的裂纹损伤监测的整体解决方案；(3)没有针对风电叶片裂纹损伤位置的实时定位系统，缺乏对裂纹扩展趋势的预警机制；(4)研究的无线数据采集节点处理能力有限，难以应对复杂的应用背景。本发明针对以上问题，提出了一种基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测与定位系统，克服了传统有线监测系统安装和维护成本高、扩展性差的问题，利用无线传感器网络和声发射技术，实现了一种易于安装维护、可靠性和稳定性高、适用性好、裂纹损伤位置定位准确的风电叶片裂纹损伤的监测的整体解决方案。

发明内容

[0012] 本发明的目的是要提供基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测与定位系统，整个系统避免了电源线和数据线的铺设，主动侦听到的叶片裂纹损伤数据通过两级无线方式发送到远程的监控中心，可以实现叶片裂纹的实时监测，以及裂纹位置的实时定位。为实现上述目的，本发明包括：

[0013] 本发明的技术方案如下：一种基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测与定位系统，包括叶片裂纹数据采集无线声发射传感器节点(1)、对数据进行中继传输的簇头节点(2)、汇聚数据的网管汇聚节点(3)以及监控中心，其特征在于：

[0014] 每个叶片上部署多个无线声发射传感器节点（1）用于采集数据，每个叶片上的无线声发射传感器节点构成一个簇，并为每个簇分配一个作为数据中继的簇头节点（2），无线声发射传感器节点在规定的时隙内向簇头节点发送数据，簇内节点通过D-S证据理论和三点定位方法实现裂纹的位置定位；簇头节点部署在叶片根部，采用电源/锂电池供电，不间断的监听簇内节点的数据，每个簇分配一个常用工作频率；簇头节点将数据发送到网管汇聚节点（3），不间断的监听簇头节点发送的数据；网管汇聚节点（3）通过以太网或者GPRS/3G网络连接现场监测网络，将裂纹数据存储入数据中心；无线声发射传感器节点（1）、簇头节点（2）和汇聚节点（3）都具有自检模块，在节点启动或者根据用户指令完成节点自检，检测节点各模块是否正常工作；如果出现异常，将及时在客户端进行显示和预警；终端用户通过监控中心实时掌握风电叶片的服役状态，实时了解叶片裂纹的扩展情况，及时预警。

[0015] 进一步的，安装于风电叶片上的无线声发射传感器节点(1)包括：FPGA控制单元、数据缓存模块、电源管理模块、声发射传感器、数据高速采集模块、前置放大器、高速数据处理模块、无线射频单元；节点启动后实时监测叶片裂纹信息，利用数据采集模块可以实现声发射数据的高速采集，将采集的数据经过前置放大处理后，通过高速数据处理模块从采集的数据中提取声发射参数特征数据，然后利用2.4G无线射频模块将特征参数数据打包发送至中继簇头节点；无线声发射传感器节点(1)采用锂电池独立供电，具有电压监测功能，在电池电压下降到阈值时，及时报警，提醒监控中心更换电池；无线声发射传感器节点的自检模块用于节点各模块的功能检测，防止由于节点出现故障而延误裂纹数据采集。

[0016] 进一步的，汇聚节点(3)包括无线射频模块、以太网控制模块、数据通信模块、数据缓存模块、微控制单元、GPRS/3G网络模块、USB和串口通讯单元、自检模块、电源管理模块，使用220V电源供电，在电源出现问题时自动切换到电池供电功能，保证数据的存储和传输；数据缓存模块用于保存临时缓存中继节点发送的数据，或者突发网络中断情况下无法发送到监控中心的数据，保证网络数据的稳定传输；汇聚节点可以通过以太网或者GPRS/3G网络与风电场监控网络连接，将数据传输至监控中心；汇聚节点具有频率扫描功能，在簇头节点的使用的所有频率上进行扫描，接收来自簇头节点的数据；汇聚节点的自检模块实现节点的各硬件单元是否正常工作的自动检测。

[0017] 进一步的，对数据进行中继传输的簇头节点(2)的无线射频模块具有频率扫描功能，当无线声发射传感器节点(1)感知到裂纹数据的特征值超过阈值，所有感知到这个裂纹的节点启用应急频率发送数据，当中继节点进行通道扫描时，一旦频率与无线声发射传感器节点(1)使用的应急频率一致时，无线声发射传感器节点将裂纹数据发送到簇头节点(2)，簇头节点(2)进而将数据发送到汇聚节点(3)；簇头节点的自检模块用于检测各模块能否正常工作，确保簇头节点工作正常。

[0018] 进一步的，整个系统的不仅包括前端的硬件部分，还包括在监控中心的调度服务器、数据库服务器、应用程序服务器、Web服务器以及客户端组成，系统利用簇内相关的无线声发射传感器节点(1)通过D-S证据理论和裂纹数据达到时间对裂纹位置进行三维定位，并通过图形界面在客户端显示裂纹的三维位置信息，并能根据设定的裂纹阈值进行报警。

[0019] 一种基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测方法，所述方法如下：

[0020] 当叶片产生裂纹或者裂纹扩展，无线声发射传感器节点采集裂纹相关波形数据，然后计算获得声发射特征参数，主要包括振铃计数、持续时间、能量、上升计数、上升时间等；同时，无线声发射传感器节点判断特征参数是否超过了用户设定的危险阈值，如果没有超过阈值，则传感器节点将声发射特征参数打包，在规定的数据发送时隙，将数据发送到簇头节点；如果超出了阈值，则传感器节点将声发射波形数据打包，不用等待规定的时隙，立即启用规定的特殊频率，将数据发送到簇头节点；在没有超过阈值时，簇头节点将接收到所有的簇内节点数据后，打包发送到汇聚节点；如果超过了阈值，表明当前的裂纹比较危险，簇头节点将利用特殊标识对感知到危险裂纹数据的传感器节点数据进行打包，同样利用规定的特殊频率向汇聚节点发送数据；汇聚节点将接收到的数据通过以太网传输到调度服务器，调度服务器协调应用程序服务器和数据库服务器完成数据的接收和存储任务。

[0021] 一种基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤定位方法，所述方法如下：

[0022] 用户在远程监控中心选择裂纹位置定位功能，根据要确定的裂纹位置，用户选择离这个裂纹位置近的传感器，并设定需要几个传感器用于裂纹位置定位，设定的数字必须大于2；系统根据用户选择的传感器，利用K-NN方法或者这个传感器周围的节点；如果近邻节点只有2个传感器，则配合用户选择的传感器，则直接利用三维空间定位方法对裂纹位置进行定位；如果近邻节点达到了3个及以上，系统则利用D-S证据理论的投票方法，从多个传感器中选择2个传感器，配合用户选择的传感器，利用三个传感器节点接收到裂纹信号的时间差通过三维空间定位方法对裂纹位置进行定位。

[0023] 本发明的优点在于：结合了无线传感器网络和声发射技术的优势，构建了一套应用于风电叶片的部署灵活、扩展性强、安装维护方便、裂纹感知灵敏的损伤监测与定位系统，克服了传统电缆布线时采集点安装难、维护难、成本高、扩展性差等问题，整个系统配置简单、安装灵活、使用便捷。

附图说明

[0024] 图1基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测与定位系统示意图，其中1为无线声发射传感器节点、2为数据中继簇头节点、3为汇聚节点。

[0025] 图2系统远程监控中心部署图。

[0026] 图3为无线声发射传感器节点硬件结构图。

[0027] 图4为数据中继簇头节点硬件结构图。

[0028] 图5为数据汇聚节点硬件结构图。

[0029] 图6为无线声发射传感器节点、簇头节点、汇聚节点自检功能流程图。

[0030] 图7基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测与定位系统的数据流程示意图。

[0031] 图8叶片裂纹损伤位置定位流程图。

[0032] 具体实施方式：

[0033] 图1是基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测与定位系统示意图。用户根据监测需求选择需要监测的叶片位置，主要包括根部、外壳、龙骨（即加强筋或加强框）三个部分组成，在叶尖、前缘和后缘、工作面和气动面、横梁以及曲率变化较大的应力集中处，在这些关键位置部署相应的无线声发射传感器节点。由于每个叶片长达几十米，部署无线声发射传感器节点时要考虑到叶片材料对声发射信号衰减严重以及声发射传感器的感知范围。无线声发射传感器节点负责完成裂纹数据的采集，每个叶片上部署的无线声发射传感器节点形成一个簇，每个簇分配一个数据中继簇头节点。由于每台风电机组包括三个叶片，因此每台风电机组包含三个簇，每台风电机组分配一个汇聚节点。无线声发射传感器节点在规定的时隙内采集裂纹产生或者扩展的波形数据，并通过计算获得声发射特征参数，并在规定的时隙内将数据发送到簇头节点，簇头节点再将接收到的数据打包发送到汇聚节点。簇头节点和汇聚节点都安装在风电机组的机舱附近，因此正常情况下采用电源供电，从而一直处于工作状态，当电源出现断电故障时启动锂电池供电，保证数据传输和存储。汇聚节点通过以太网或者GPRS/3G网络将数据发送到远程监控中心，远程监控中心由调度服务器、应用程序服务器、数据库服务器、Web服务器、C/S和B/S客户端组成，调度服务器作为协调和任务周转中心均衡各服务器的负载，完成用户的各类操作与请求，数据库服务器提供数据存储、查询等与数据相关的服务，Web服务器负责对B/S客户端提出的请求进行处理，应用程序服务器负责对相关算法、命令解析提供支持。

[0034] 图2系统远程监控中心部署图。远程监控中心主要负责数据的存储、显示和综合利用，由调度服务器、应用程序服务器、数据库服务器、Web服务器以及B/S和C/S客户端。调度服务器是整个系统运转和管理的核心，是系统运转的发动机和中转站，所有信息的交互都由调度服务器管理。调度服务器负责调度整个企业中来自Web服务器、客户端、数据库服务器以及应用程序服务器的各种请求，实现整个系统的负载平衡和远程互操作等。应用程序服务器是整个裂纹监测与定位系统业务逻辑运转的核心，所有裂纹监测的规则和算法实现都在这里完成，同时还负责与无线声发射传感器网络数据采集系统进行通讯和数据交互，接收无线声发射传感器网络数据采集系统中汇聚节点上传的数据，并根据用户的要求向通过汇聚节点向无线声发射传感器网络数据采集系统发送数据采集指令，或者根据用户需求更改无线声发射传感器网络数据采集系统的各种参数；负责对在线实时采集的数据进行处理，包括统计分析、图形显示等；负责将处理过的、在线或离线的数据以一定的规则和频率通过调度服务器，在整个系统资源允许的情况下才能转送到数据库服务器进行各种数据调用。数据库服务器是为了调度和预处理那些针对数据库的请求的服务器程序，负责将应用程序服务器发送来的针对数据的请求，如查询、更新、删除和插入等操作，进行调度和预处理，并最终转化为对数据库的请求提交给数据库；负责优化查询策略，采用数据挖掘技术对数据进行深层利用。Web服务器主要功能是提供系统的网上信息浏览服务，当Web浏览器（客户端）连到服务器上并请求文件时，服务器将处理该请求并将文件发送到该浏览器上，附带的信息会告诉浏览器如何查看该文件（即文件类型）。服务器使用HTTP（超文本传输协议）进行信息交流。Web服务器不仅能够存储信息，还能在用户通过Web浏览器提供的信息的基础上运行脚本和程序，用于显示系统界面，实现B/S浏览模式。

[0035] 图3为无线声发射传感器节点硬件结构图。声发射数据采样具有频率高，数据量大的特点。因此，在设计无线声发射传感器节点时，采用了FPGA和DSP的框架结构，其中FPGA作为节点的微控制单元是整个节点核心，DSP模块主要用来处理浮点数据，将声发射波形数据处理为声发射特征参数。声发射传感器感知到叶片裂纹数据后，通过前置放大器进入高速AD数据采集模块。为了缓解DSP处理模块的压力，采集的数据通过数据缓存模块缓存后送往DSP高速数据处理模块。FPGA模块连接DSP高速数据处理模块、无线数据发送模块、电源管理模块、串口通讯模块和数据缓存模块。无线声发射传感器节点采用锂电池供电。JTAG模块为DSP高速数据处理模块提供调试接口。在节点中存在两个数据缓存模块，与FPGA微控制单元连接的数据缓存模块是在应急情况下将波形数据存储在本地节点，与DSP高速数据处理模块连接的数据缓存模块主要是为了缓解DSP高速数据处理模块的计算压力，而提供的数据缓冲池。节点自检模块主要是通过微控制单元发送指令检测各个模块是否正常工作。

[0036] 图4为数据中继簇头节点硬件结构图。簇头节点主要负责簇内数据的中继传输，为簇内节点分配数据传输时隙。微控制单元是整个簇头节点的核心，连接数据缓存模块、电源管理模块，无线传输模块、串口通信模块、JTAG接口模块。其中电源管理模块主要是用于电源的电压的转换，以及当电源供电出现中断时，电源管理模块将提供协调处理，转而使用锂电池供电。数据缓存模块主要是用来接收簇内节点的数据，配合无线模块的数据发送。节点自检模块主要是通过微控制单元发送指令检测各个模块是否正常工作。

[0037] 图5为数据汇聚节点硬件结构图。汇聚节点主要负责接收来自簇头节点的数据，同时也是远程监控中心与前端无线声发射传感器网络数据采集系统的接口。汇聚节点采用ARM9作为控制单位，提供较强的数据处理和运算能力。微控制单元与无线传输模块、GPRS/3G网络通讯模块、以太网控制模块、电源管理模块、串口通讯模块、JTAG模块、USB接口模块、数据缓存模块和节点自检模块连接。汇聚节点可以通过以太网控制模块和GPRS/3G网络通讯模块向远处监控中心发送数据。节点自检模块主要是通过微控制单元发送指令检测各个模块是否正常工作。

[0038] 图6无线声发射传感器节点、簇头节点和汇聚节点的自检功能流程。其基本检测了流程是：系统上电或者用户发出自检指令后，控制单元首先接收到自检指令，向连接的各单元发送不同的校验指令，各单元判断校验码是否正确，在校验码正确的情况下分别按照规定的协议返回各自的复码，控制单元判断各单元返回的回复码正确的情况下，表明节点各模块功能正常。否则，将向用户报告节点自检失败，在客户端进行报警显示。

[0039] 图7是基于无线声发射传感器网络的风电叶片损伤监测与定位系统的数据流程示意图。当叶片产生裂纹或者裂纹扩展，无线声发射传感器节点采集裂纹相关波形数据，然后计算获得声发射特征参数，主要包括振铃计数、持续时间、能量、上升计数、上升时间等。同时，无线声发射传感器节点判断特征参数是否超过了用户设定的危险阈值，如果没有超过阈值，则传感器节点将声发射特征参数打包，在规定的数据发送时隙，将数据发送到簇头节点；如果超出了阈值，则传感器节点将声发射波形数据打包，不用等待规定的时隙，立即启用规定的特殊频率，将数据发送到簇头节点。在没有超过阈值时，簇头节点将接收到所有的簇内节点数据后，打包发送到汇聚节点。如果超过了阈值，表明当前的裂纹比较危险，簇头节点将利用特殊标识对感知到危险裂纹数据的传感器节点数据进行打包，同样利用规定的特殊频率向汇聚节点发送数据。汇聚节点将接收到的数据通过以太网传输到调度服务器，调度服务器协调应用程序服务器和数据库服务器完成数据的接收和存储任务。

[0040] 图8叶片裂纹损伤位置定位流程图。用户在远程监控中心选择裂纹位置定位功能，根据要确定的裂纹位置，用户选择离这个裂纹位置近的传感器，并设定需要几个传感器用于裂纹位置定位，设定的数字必须大于2。系统根据用户选择的传感器，利用K-NN方法或者这个传感器周围的节点。如果近邻节点只有2个传感器，则配合用户选择的传感器，则直接利用三维空间定位方法对裂纹位置进行定位。如果近邻节点达到了3个及以上，系统则利用D-S证据理论的投票方法，从多个传感器中选择2个传感器，配合用户选择的传感器，利用三个传感器节点接收到裂纹信号的时间差通过三维空间定位方法对裂纹位置进行定位。