基于ZigBee的風電機艙火災預警系統設計*

鄔春明，楊　濤，張金強（東北電力大學信息工程學院，吉林吉林132012）

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基于ZigBee的風電機艙火災預警系統設計*

鄔春明，楊濤*，張金強
（東北電力大學信息工程學院，吉林吉林132012）

摘要：為了解決風電機組中火災隱患帶來的損失，提出了基于ZigBee的風電機艙的火災預警系統。系統由傳感器采集節點、網絡協調節點，以及監控中心節點組成。采用CC2530作為處理器來控制傳感器采集風機艙內主要的火災隱患位置，在協調節點匯聚，通過GPRS網絡傳送到遠處監控中心。通過實驗和測試，系統運行穩定，可靠性高，預警準確，能夠有效的監測各區域的各個時間段的運行情況，從而能夠保證風電機組安全、穩定的運行。

關鍵詞：風電機艙；防火；CC2530；GPRS網絡；軟件平臺

項目來源：國家自然科學基金項目（61301257）；2013吉林省科技發展計劃項目（20130206050GX）

由于全球能源供應緊張，環境污染問題的日益嚴重，作為綠色能源的風能已受到世界各國的高度關注和重視。2014年3月，中國可再生能源學會風能專業委員會正式公布《2013年中國風電裝機容量統計》。2013年中國（不包括臺灣地區）新增安裝風電機組9356臺，裝機容量16 088.7 MW，累計安裝風電機組63120臺，裝機容量91 412.89 MW，年增長21.4%。年發電量達到1 400億kW·h。預計到2020年，風電裝機容量將達到1.5×105MW［1］。隨著風電機組的容量的加大，風電機組的火災隱患也日益的突出，因此預防風電機組火災的發生也成為風電機組研究的熱點課題。

機艙內有主軸、潤滑散熱系統、齒輪箱、剎車系統、發電機、提升機、偏航軸承、偏航驅動、機艙底座、照明系統、傳輸電纜、控制柜等［2］。容易由于高溫運行、通風不良、過熱老化、潤滑油泄露、高速制動和極端惡劣氣候條件等原因引起火災［3］。

葉輪部分會因葉片遭受雷擊、電機超負荷運行、控制系統過熱老化擊穿等原因引起火災。塔柱一般為中空圓柱形，設有數個平臺，內有爬梯、傳輸控制電纜，塔架底層設有變頻柜、控制柜等。容易由于控制柜空間狹小、通風不良、電氣元件過熱老化擊穿，電纜過流絕緣能力降低而引發火災［4］。

目前在線監測技術已經在農業［5］、醫療［6-7］、航海［8］、風電［9-10］等領域得到廣泛的利用，國內外關于風電機組在線檢測技術也比較成熟，并且開發了一些專用監測設備［11］。其中風電機艙是風電機組的重要組成部分，且風電機組的主要設備都在機艙內，因此風電機艙的安全、穩定的運行是風電機組安全運行的關鍵。本文火災預警系統主要針對風電機艙的監測。

1　系統硬件設計

1.1系統組成及工作原理

風電機艙監控系統主要由傳感器采集節點、GPRS無線網絡、監控中心節點等3部分組成，將傳感器節點部署在風電機艙內主要的火災隱患易發生位置，主要監測的關鍵部位有齒輪箱潤滑油溫度、發電機線圈溫度、發電機前軸承溫度、發電機后軸承溫度、控制柜溫度等。傳感器采集節點將采集得到的實時數據（各監測區域的溫濕度和煙霧濃度等）匯集到協調器節點，再通過GPRS模塊將數據發送至監測中心，在監測界面中設定了各數據的閾值，當溫度或煙霧濃度超過閾值，則指示燈報紅，并通過GPRS網絡發送到工作人員手里的手持終端，工作人員可根據手持終端開啟滅火系統。系統結構圖如下圖1所示。

1.2協調器節點設計

協調節點是整個網絡的核心部分，負責整個網絡協議的分配，是數據采集的節點的匯聚節點，將匯聚來的數據通過GPRS網絡傳輸的遠處的監控中心，系統框圖如圖2所示。

1.3CC2530外圍模塊電路

處理器采用CC2530芯片，芯片及外圍電路圖如圖3所示。滿足以ZigBee為基礎的2.4 GHz ISM波段應用，以及ZigBee對低成本，低功耗的要求；集成了增強型高速8051內核處理器，8 kbyte的RAM，多達256 kbyte的閃存以及支持更大的應用。

圖1　系統總體結構圖

圖2　ZigBee協調節點模塊

圖3　CC2530外圍模塊電路

1.4電源模塊

ZigBee模塊采用3.3 V電壓供電，當電壓達不到3.3 V時，對收發產生一定的影響。該系統通過變壓芯片，由5 V轉3.3 V，提供穩定的電源供應［12］，電路圖如圖4所示。

圖4　電源模塊

由于大型風電機組利用大型的機械設備進行發電，產生機械振動能，將其轉換為電能，無需布線和電池，就可以提供驅動傳感器的能量，減少因更換電池帶來的不便。該設計可以安裝到狹小的空間和大型機械設備，而且在不需要維護的情況下無限期工作，尤其適合需要常使用壽命、高溫運行或者人員難以接近的應用中。

1.5溫濕度采集節點設計

該系統通過采用SHT11數字溫濕度傳感器對機艙的各監控位置的溫濕度進行數據的采集，并將MCU1微控芯片進行控制，其電路圖如圖5所示。

圖5　溫濕度采集模塊電路

1.6煙霧傳感器模塊

該系統的煙霧傳感器采用MQ-2，在可燃氣體或煙霧中MQ-2煙霧傳感器的電阻會有相應的變化，電路圖如圖6所示。

圖6　煙霧傳感器電路圖

2　系統的軟件設計

ZigBee模塊上電后，CC2530硬件設備初始化并嘗試加入無線傳感器網絡，當加入到網絡，傳感器節點進入低功耗的休眠模式。當定時器發生中斷，進入工作模式，通過傳感器采集數據，并將溫度等數據向上層傳輸。之后檢查數據是否傳輸完成，成功則再次進入休眠模式，等待下次中斷發生，否則重新發送［13］，程序流程圖如圖7所示。

協調節點是整個網絡的核心部分，負責網絡協議的分配，以及數據的中轉，協調節點首先初始化CC2530并建立一新ZigBee網絡，然后進入無線監測模式。在此狀態下，判斷信號是入網信號還是傳感器的檢測數據，以此決定是分配地址或是將數據傳到GPRS模塊。

圖7　傳感器節點程序流程圖

圖8　協調節點程序流程圖

3　監控中心模塊

監控中心具歷史數據查詢、顯示歷史數據曲線、開始查詢、打印輸出、報警模塊、啟動和關閉滅火系統、以及返回監控中心等功能，監控中心模塊圖如圖9所示。

風電機組運行參數監測、故障診斷以及控制管理平臺界面如圖10所示，風電機組正常運行時，狀態指示燈綠燈點亮；當溫度值超過了設定的著火點的臨界值時或者煙霧傳感器感覺到煙霧濃度較大時，紅燈就會點亮，因此監控中心工作人員可以根據實際情況控制并啟動滅火系統。

1號機組歷史數據查詢界面如圖11所示，顯示各個容易發生火災故障的數據信息。

1號機組溫度曲線圖形界面如圖12所示，打印歷史數據信息，并通過描點畫出歷史溫度曲線，使監控人員更直觀的了解溫度的走勢。

圖9　監控中心模塊

圖10　風電機組運行參數監測中心

圖11　1號機組數據查詢平臺界面設計

圖12　機組溫度曲線圖

4　系統測試

在系統測試部分，采用是杭州丘捷公司生產的CC2530系列開發板，這套開發板包括2個Q2530EB多功能開發板和3個Q2530BB開發板，Q2530EB板和Q2530BB板擁有串口液晶顯示接口、RS232接口、5V電源接口、USB供電接口等多個接口，系統支持2.4GHz-IEEE 802.15.4標準以及ZigBee2007/PRO標準。其開發套件實物圖如圖13所示。

圖13　ZigBee開發套件實物圖

通過溫度模塊對溫度數據進行采集來檢驗系統的可靠性，終端節點采集到的溫度數據通過節點發送給協調節點，協調節點再通過串口線與電腦連接，采集到的數據就可以在顯示器中顯示出了。通過測試結果表明，系統運行穩定、可靠。

5　總結

該系統以成熟的ZigBee技術應用于風力發電機組火災監測系統中，通過短距離無線通信技術對風電機艙內的主要火災監測參數進行采集，最終通過GPRS網絡傳輸到遠處監控中心，進行故障監測，并且當發生火災事故或有火災安全隱患時，啟動滅火系統，保證風電機組安全、穩定的運行。

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鄔春明（1966-），男，漢族，吉林省吉林市，碩士學位，東北電力大學信息工程學院教授，碩士生導師，從事無線通信技術領域科學研究與教學工作，wuhi1966@ 126.com；

楊濤（1991-），男，漢族，江西省撫州市，東北電力大學信息工程學院研究生，主要從事無線傳感網絡定位及系統硬件設計的研究，452065227@qq.com；

張金強（1987-），男，漢族，河北省邯鄲市，東北電力大學信息工程學院研究生，主要從事無線傳感網絡定位，joy?brick@126.com。

Design and Implementation of Wireless Voltage Monitoring System Based on ZigBee

YANG Yong*

（Huai’an College of Information Technology School of Electronic Engineering，Huai’an Jiangsu 223003，China）

Abstract：A low cost wireless voltage monitoring system based on ZigBee wireless transmission which contains a new floating voltage sensor was proposed. It is suitable for medium and high voltage（MV/HV）of public equipment monitoring. The system uses TI-CC2530 as the controller and through reasonable hypothesis proposes a new mov?ing average voltage sensing（MAVS）algorithm，and the single-phase and three-phase voltage applied algorithm are analyzed in theory. The actual experiment finally to wireless floating voltage sensor uses in the voltage up to 30 kV，the experimental results show that the proposed low cost wireless voltage sensor can realize the functions of voltage monitoring well，error is less than 3%.

Key words：voltage monitoring；voltage sensor；ZigBee；MAVS algorithm

doi：EEACC：7310B；721010.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.045

收稿日期：2015-04-12修改日期：2015-08-31

中圖分類號：TN92

文獻標識碼：A

文章編號：1005-9490（2016）01-0216-06