基于ARM11的風電場實時采集監(jiān)測系統(tǒng)

徐海鵬，孫冬梅，何響

(南京工業(yè)大學自動化與電氣工程學院，江蘇南京 211816)

0 前言

國外風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展早，這也使得風電場數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展比較早。經(jīng)過幾代的發(fā)展，風電場數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)逐步實現(xiàn)了無線化和網(wǎng)絡化。大部分大型風電場都建立了觀測網(wǎng)。風電場監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是目前風電場中使用比較主流的系統(tǒng)。它實現(xiàn)了對風電場的實時數(shù)據(jù)的集中管理和遠程訪問、監(jiān)控等功能［1］。國內的風電場數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)起步較晚［2－4］。在20世紀90年代，國內的一些廠商開始引進國外的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)與系統(tǒng)所用的設備及傳感器，并對其進行改進和創(chuàng)新。但是對于數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)的研究仍然不夠，尤其在數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸方面，與國外相比，差距仍然很大，依然遠遠落后于西方國家。

隨著無線傳感網(wǎng)絡和無線移動通技術的發(fā)展，風電場數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)也逐漸無線化、網(wǎng)絡化和智能化。同時，對于一些環(huán)境惡劣的風電場，無線數(shù)據(jù)采集無疑是最好的方式［5］。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)多采用有線方式通信，不僅線路鋪設耗費時間長，風電場的維護成本也增加了很多［6］。作者結合近些年風電場數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展，同時考慮到數(shù)據(jù)采集的完整性、準確性和安全性，設計了基于ARM11的風電場數(shù)據(jù)實時采集監(jiān)測系統(tǒng)。

1 數(shù)據(jù)采集檢測系統(tǒng)總體結構設計

根據(jù)《風電場風能資源測量和評估技術規(guī)定》的規(guī)定，設計中的采集風速與風向的無線采集節(jié)點安裝共三層，依據(jù)小型風電場的實際情況，這里分別對應10、25 m和發(fā)電機組輪轂中心高度。系統(tǒng)結構圖中，前端數(shù)據(jù)采集采用無線傳感網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)采集器主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)存儲等，數(shù)據(jù)最終上傳到遠程的數(shù)據(jù)中心，之后數(shù)據(jù)中心對采集的數(shù)據(jù)進行相關處理。風電場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體結構

2 組成模塊介紹

風電場數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)主要由三部分組成，分別是無線傳感網(wǎng)絡部分、數(shù)據(jù)采集器部分和遠程數(shù)據(jù)中心部分。無線傳感網(wǎng)絡部分是風電場數(shù)據(jù)采集監(jiān)測的前端，采集節(jié)點上掛載相應的傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。各個節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)最終通過協(xié)調器匯總到數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器配備了嵌入式數(shù)據(jù)庫，如果網(wǎng)絡出現(xiàn)阻塞，數(shù)據(jù)會暫時存在數(shù)據(jù)庫中，如果網(wǎng)絡正常數(shù)據(jù)會通過General Packet Radio Service(GPRS)模塊上傳至遠程數(shù)據(jù)中心。

2.1 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡

網(wǎng)絡節(jié)點之間通信方式采用問答機制，數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收采用一定規(guī)則的握手協(xié)議。采用這一種方式能夠有效解決節(jié)點數(shù)據(jù)堵塞的問題。設計中采用的是TI公司的CC2430芯片，芯片運行的協(xié)議棧Zstack版本號是 1.4.2－1.1.0。

網(wǎng)絡采集節(jié)點的結構框圖如圖2所示，其主要由CC2430接口電路、傳感器電路、電源電路、晶振電路、復位電路以及編程接口等構成。其中主控芯片CC2430主要的任務就是讀取、處理和發(fā)送的功能。傳感器輸出電流的范圍是4～20 mA的電流，通過精密電阻可以將電流值轉換為電壓值。

圖2 采集節(jié)點框圖結構

2.2 數(shù)據(jù)采集器的設計與實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集器是系統(tǒng)中的關鍵設備。數(shù)據(jù)采集器的核心采用三星公司生產(chǎn)的S3C6410，芯片搭載WinCE 6.0嵌入式操作系統(tǒng)，采用的嵌入式數(shù)據(jù)庫為SQLite。GPRS模塊選用西門子公司的工業(yè)級產(chǎn)品。數(shù)據(jù)采集器采用核心板加底板的模式，方便后期維護。圖3為數(shù)據(jù)采集器的硬件框架結構。

圖3 數(shù)據(jù)采集器硬件框架結構

(1)數(shù)據(jù)采集器硬件設計

圖3中，協(xié)調器節(jié)點作為無線傳感網(wǎng)絡的核心控制傳感器的數(shù)據(jù)收發(fā)，接收到的數(shù)據(jù)會通過串口，由主控芯片S3C6410進行處理。S3C6410芯片通過串口控制GPRS模塊，并將數(shù)據(jù)上傳至遠程數(shù)據(jù)中心。

(2)數(shù)據(jù)采集器軟件設計

操作系統(tǒng)會在數(shù)接收到數(shù)據(jù)的時候會通過檢測網(wǎng)絡狀態(tài)，在網(wǎng)絡通信良好的情況下，對數(shù)據(jù)采用AES加密后通過GPRS網(wǎng)絡上傳至遠程服務器［7－8］;在網(wǎng)絡不好的情況下將數(shù)據(jù)暫時存放至本地嵌入式數(shù)據(jù)庫，等到網(wǎng)絡恢復再將數(shù)據(jù)上傳。數(shù)據(jù)采集器與遠程數(shù)據(jù)中心具備數(shù)據(jù)交互的功能，數(shù)據(jù)中心端可以通過GPRS“心跳”來完成對系統(tǒng)主設備的操作。系統(tǒng)嵌入式軟件總體框架如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)嵌入式軟件總體框架

(3)嵌入式數(shù)據(jù)庫設計

嵌入式數(shù)據(jù)庫不僅僅參與風關鍵參數(shù)的管理、同時還需要具備其他的管理，包括配置管理、用戶管理以及信息維護管理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)嵌入式軟件設計都是以數(shù)據(jù)庫為核心，采用類的概念將數(shù)據(jù)庫提出的任務進行抽象化。盡管設計最初并不知道對象里面具體的結構，但是在用例模型中也能夠找到對象的影子。系統(tǒng)類圖為設計者提供模型，將系統(tǒng)所有的對象進行抽象化，通過抽象，設計者能夠很快地清楚系統(tǒng)的結構設計。系統(tǒng)類圖主要由類和接口組成，類圖揭示了類與類之間的關聯(lián)關系，其中部分將轉化為實際的功能代碼，另外部分轉化為數(shù)據(jù)表。嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結構如圖5所示。

圖5 嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結構

2.3 數(shù)據(jù)中心軟件設計

數(shù)據(jù)中心軟件采用VS2005作為開發(fā)平臺，設計采用MFC開發(fā)方式，結合ACCESS數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)上位機管理系統(tǒng)的設計。設計的數(shù)據(jù)中心主要實現(xiàn)對風電場數(shù)據(jù)的接收、存儲、配置以及短期預測等功［9－10］。

數(shù)據(jù)中心通過調用DLL動態(tài)鏈接庫實現(xiàn)短期風速預測功能，DLL動態(tài)鏈接庫由MATLAB程序通過C++編譯器編譯而成。程序采用異步通信方式，避免數(shù)據(jù)阻塞等其他問題的發(fā)生。數(shù)據(jù)中心軟件界面如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)中心軟件界面

3 風電場采集監(jiān)測系統(tǒng)性能測試分析

3.1 系統(tǒng)各個子模塊測試

(1)串口數(shù)據(jù)接收與處理測試

測試通過數(shù)據(jù)采集器終端串口偵聽串口1的數(shù)據(jù)接收與AES加密過程中的變化過程。終端串口偵聽的結果如圖7所示。

圖7 串口1接收數(shù)據(jù)測試

(2)GPRS數(shù)據(jù)傳輸測試

連接過程中，數(shù)據(jù)采集器通過串口2發(fā)送AT指令，連接成功后始終保持網(wǎng)絡在線，然后將GPRS數(shù)據(jù)包發(fā)送至遠程數(shù)據(jù)中心。連接的命令發(fā)送完成后會有發(fā)送狀態(tài)返回。如果內容顯示OK，則證明發(fā)送指令成功。數(shù)據(jù)采集器有網(wǎng)絡狀態(tài)顯示，如果網(wǎng)絡不能連接成功，數(shù)據(jù)采集器就會自動修復網(wǎng)絡。數(shù)據(jù)采集器就處于一直重新連接狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集器終端串口0偵聽的GPRS連接結果具體如圖8所示。

圖8 GPRS連接測試

(3)數(shù)據(jù)交互測試

數(shù)據(jù)中心測試軟件的數(shù)據(jù)采集界面采用ListCtrl控件設計，方便了顯示風電場風速、風向、溫度、濕度和氣壓等參數(shù)。界面窗口始終顯示20條最新的記錄。記錄超過顯示的總數(shù)直接向上滾動。此外，在登錄系統(tǒng)之后沒有連接網(wǎng)絡運行時，管理員可以通過時間樹對數(shù)據(jù)庫的記錄進行索引并查看采集的數(shù)據(jù)。測試軟件通過ADO接口連接ACCESS數(shù)據(jù)庫，每次接收到的數(shù)據(jù)存儲至ACCESS數(shù)據(jù)庫中風參數(shù)記錄集。數(shù)據(jù)中心測試軟件數(shù)據(jù)接收如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)中心測試軟件數(shù)據(jù)接收

3.2 系統(tǒng)聯(lián)合調試測試

系統(tǒng)在經(jīng)過各個子模塊的測試之后，還要聯(lián)合調試，調試過程中發(fā)生各種問題，但是經(jīng)過不斷的完善，是能夠達到數(shù)據(jù)采集的功能。采集到的風電場相關數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 風電場數(shù)據(jù)實時采集監(jiān)測界面

數(shù)據(jù)中心接收到數(shù)據(jù)之后會參與到下一次的短期的風速預測。風速預測結果如圖11所示。

圖11 風速短期預測

4 結論

以基于ARM11架構的S3C6410作為風電場遠程采集和監(jiān)測的主控制器。該數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)使用嵌入式WinCE操作系統(tǒng)。實驗調試結果表明，該系統(tǒng)具有一定的可靠性，同時與以往的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，具有價格低廉、管理方便、拓展性能強以及安裝方便等優(yōu)勢，具有一定的市場推廣價值。

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