基于WSNs的水輪發電機組振動監測系統設計*

張曉莉，馮梅琳，王 軍

（江西理工大學機電工程學院，江西贛州 341000）

0 引言

目前，國內外水輪發電機振動和擺度監測系統均采用基于信號電纜或通信電纜的有線工業數據采集系統，適用于單臺機組配備一套監測系統的永久性系統結構模式，該模式在我國水電廠的推廣應用過程中存在以下2個突出問題:1）對于大型水輪發電機組，一般配置使用的傳感器數量較多，且分布在水輪發電機組各個工作層面。若采用有線信號傳輸方案，則電纜敷設工作量大，并且安裝與拆卸工作量大，使用極為不便。2）對于擁有多臺發電機組的中小型水力發電廠，一般只需在機組安裝、大修后以及檢修時段對機組進行振動檢測，無需每臺機組配置一套永久性監測系統，因而，采用有線信號傳輸模式的系統造價在眾多中小型水力發電廠難以承受，不利于推廣應用。而無線傳感器網絡（WSNs）振動監測系統，通過設置多個無線傳感器節點，把各個傳感器節點實時監測到的有關被測參數發送給監控中心的計算機，監控中心的計算機對采集到的數據進行分析處理，并結合以往的基礎數據相比較，判斷水輪發電機組是否具有潛在危險，從而完全擺脫了永久性監測系統的有線困擾，為采取相應措施提供決策依據［1］。

1 無線振動監測系統體系

1.1 監測系統體系結構

本系統由數據采集網絡和中央信息采集控制中心兩部分組成，其中，數據采集網絡是基于IEEE 802.15.4標準的Zig Bee技術進行無線數據通信，并采用Chipcon生產的CC2430，CC2431設計網絡節點，是由大量的WSNs節點、匯聚節點、數據傳輸模塊組成的分布式WSNs系統;中央數據采集控制中心由數據采集監控軟件、配置模塊、數據庫等部分組成［2］。監測系統的體系結構如圖1所示。

圖1 監測系統體系結構圖Fig 1 Architecture structure diagram of monitoring system

1.2 工作流程

當計算機發送命令以后，網關（匯聚節點）接收命令，首先，判斷是不是可用的命令，如果可用，根據命令判斷計算機需要哪個節點的信息，并向該節點發送命令要求將對應數據傳回網關。然后，再將接收到的指定節點的信息通過傳感器網絡按既定格式發送給PC機，PC機經過數據標定處理、數字濾波、數據壓縮模塊、將數據送入到實時數據庫中進行實時數據處理并顯示。最后，再根據系統的設定（如定期或者定量）將實時數據庫中的數據送入到歷史數據庫中。

2 WSNs節點設計

2.1 硬件設計

WSNs節點要實現對信號數據的采集、預處理和無線傳輸。在功能上，傳感器節點一般可以劃分為傳感功能模塊（傳感器和調理電路）、處理器功能模塊（MCU和內存）、無線通信功能模塊和電源功能模塊。傳感模塊用于獲取被監測區域內監測對象的信息，并進行數據轉換。處理器模塊用于處理存儲傳感器采集的信息數據，并負責協調傳感器節點各部分的工作。無線通信模塊負責將處理器輸出的數據通過無線信道和傳輸網絡傳送給遠程的監控中心。電源功能模塊給傳感器節點提供所需的能量。

在設計中，系統采用Chipcon公司生產的CC2430芯片作為系統的射頻芯片，使得處理器模塊和無線通信模塊集成在一起。本系統的網絡節點硬件結構示意圖如圖2所示。

圖2 WSNs節點體系結構Fig 2 Architecture structure of WSNs node

CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構，在單個芯片上整合了Zig Bee射頻（RF）前端、內存和微控制器。它使用1個8位MCU（8051），具有128 kB可編程閃存和8 kB的RAM，還包含模擬數字轉換器（ADC），4個定時器（timer），AES—128協同處理器，看門狗定時器（watchdogtimer），32 kHz晶振的體眠模式定時器，上電復位電路（power-on-reset），掉電檢測電路（brown-out-detection），以及21個可編程I/O引腳。引腳與外圍電路如圖3所示。

2.2 軟件設計

圖3 CC2430外圍電路Fig 3 Peripheral circuit of CC2430

Zig Bee網絡支待3種類型拓撲結構:星形結構、網格狀結構和串狀結構，本系統使用串狀結構網絡實現通信，網絡配置1個網關、1個或多個路由器、多個傳感器節點。數據采集節點（傳感器節點）與網絡協調節點（網關）間將通過多跳數據轉發機制進行數據傳輸，其中還需要路由協議進行分組轉發操作［3］。網關節點CC2430數據采集軟件流程圖如圖4所示，傳感器節點數據采集流程圖如圖5所示。

圖4 網關節點數據采集程序流程圖Fig 4 Flow chart of gate node’s data acquisition program

圖5 傳感器節點數據采集程序流程圖Fig 5 Flow chart of sensor node’s data acquisition program

3 監測系統軟件開發

系統采用VB與VC++混合編程的方法進行開發，VB與VC++混合編程代表著當前軟件開發的一個方向，用VB可以快速開發出應用程序的界面和數據處理等模塊;用VC++可以編寫進行底層訪問的DLL函數，以實現訪問內存和硬件端口的操作等，VC++中還可以嵌入匯編語言進行更底層的操作，VC與VB的兩者結合使程序開發的效率大大提高。使用VC++編制的動態鏈接庫DLL以克服VB不能直接針對輸入輸出端口的缺點，并調用標準的API函數來實現動態曲線的繪制和平滑移動等用VB難以實現的功能。

根據對本系統所要實現的功能分析，開發軟件的主要功能模塊包括以下幾個部分:實時數據采集與控制模塊、數據標定處理模塊、數據濾波壓縮模塊、實時數據庫模塊、實時動態曲線顯示模塊、歷史數據管理模塊、系統管理模塊、報警數據庫及其管理模塊、多線程技術模塊、幫助模塊，如圖6所示。

圖6 機組振動監測系統軟件功能圖Fig 6 Software function diagram of vibration monitoring system of hydro-generator set

4 存在的問題與解決方案

1）系統目前的節點數較少，如果網絡規模擴充，網絡探測時延會隨著網絡節點數目的增多而加長，這種時延對時間要求不高的系統可以接受，但網絡的動態拓撲與調整則出現明顯滯后，此問題可在路由協議和MAC協議方面做更進一步的研究解決［4］。

2）在本設計中，對各個節點傳送的數據進行了壓縮處理，適當地降低了系統的功耗，若要進一步降低功耗，可繼續深入對外部能源利用、傳感器節點協調工作、通信協議優化等方面進行研究。

3）本設計中實現的水輪發電機組振動監測系統仍然無法進行完全自組織組網，在節點加入的過程中仍然需要人工一定的干預，雖然這樣組網方式的安全性相對而言比較高，但是在許多的情況下組網缺乏便利，這個不足可通過進一步對應用層的軟件設計進行彌補。

4）所設計的監測系統數據收發模塊速度較慢，節點處理能力不足，通過分析可探索通過在CC2430上集成DSP組成雙處理器節點來進一步提高數據傳輸速度和節點處理能力。

5 應用實例

某水電廠有額定功率0.9MW的水輪發電機組，額定轉速為210 r/min，實驗水頭20 m。使用本振動監測系統測得的下機架垂直、水平振動曲線，水導X向、Y向擺度振動曲線如圖7、圖8所示。實驗結果表明:系統運行滿足設計要求。

圖7 下機架垂直與水平振動曲線Fig 7 Vertical＆horizontal vibration curve of lower frame

圖8 水導X向與Y向擺度振動曲線Fig 8 Swing vibration curve of water mediated X，Y directions

6 結論

開發了基于WSNs的水輪發電機組振動監測系統，重點討論了采用CC2430完成的WSNs節點的設計，并介紹了用VB和VC++開發完成的系統軟件，實現了對水輪發電機組的無線監測。系統不僅擺脫了永久性監測系統的有線困擾，而且能夠以更有效、更靈活、更低的成本來完成水輪發電機組振動監測功能。因此，系統有著廣闊的前景。

［1］李 輝，張鵬舉，楊國清，等.基于CC2430的水輪發電機組無線振擺監測系統研究［J］.電網與清潔能源，2009，25（1）:55－58.

［2］魯 寧.基于Zig Bee的井下無線傳感網絡系統設計［J］.信息技術，2010，31（2）:13 －15.

［3］任豐原，黃海寧，林 闖.無線傳感器網絡［J］.軟件學報，2003，14（7）:1282 －1291.

［4］李建中，李金寶，石勝飛.傳感器網絡及其數據管理的概念、問題與進展［J］.軟件學報，2003，14（10）:1717 －1727.