鄔春明，劉海維

(東北電力大學信息工程學院，吉林吉林132012)

基于物聯(lián)網(wǎng)的風電機組狀態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計*

鄔春明*，劉海維

(東北電力大學信息工程學院，吉林吉林132012)

目前現(xiàn)有的風電機組監(jiān)控系統(tǒng)主要是采集風電機組的實時參數(shù)，卻不能直觀全面地監(jiān)視設備運行狀態(tài)。為了解決風電機組中存在的弊端，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的風電機組狀態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。采用嵌入式S3C6410作為核心處理器，控制USB攝像頭進行視頻數(shù)據(jù)實時采集并由TFT彩屏液晶顯示視頻信息，通過短距離無線通信模塊nrf2401將采集到的數(shù)據(jù)傳到PC機，最后經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡傳輸?shù)礁h的監(jiān)控中心。該視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有質(zhì)量良好，穩(wěn)定性好，具有一定的推廣前景。

物聯(lián)網(wǎng);風電機組;視頻監(jiān)控;Linux;nrf2401

目前現(xiàn)有的風電機組監(jiān)控系統(tǒng)主要采集風電機組的溫度、濕度、風向、風速以及運行狀態(tài)等，運行人員可以根據(jù)這些參數(shù)局部的了解各個設備的運行狀態(tài)，但不能直觀全面地監(jiān)視設備運行狀態(tài)，限制了運維人員對故障做出實時快速地判斷，不能及時地遠程操作設備，從而限制了快速地解決風電機組的故障［1］。隨著社會的發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)日益完善，但傳統(tǒng)視頻采集系統(tǒng)一般采用基于PC機平臺的有線形式，該方案系統(tǒng)體積大、成本高，在遠距離、多點系統(tǒng)中實現(xiàn)困難，并且大多數(shù)是基于同軸電纜的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)受到布線、供電電源、安裝場所、安裝成本和維修等因素的限制，使其不易推廣應用，并且不適合用來實現(xiàn)風電機艙視頻監(jiān)控［2］。在以上背景下，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的風電機組狀態(tài)的無線視頻監(jiān)測系統(tǒng)。設計通過S3C6410核心處理器控制USB攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)，并進行一定的壓縮處理，通過無線技術發(fā)送接收。在接收端經(jīng)過一定的解碼處理，通過串口或者網(wǎng)卡傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的PC機，再通過GPRS接入互聯(lián)網(wǎng)傳到更遠處的服務器，使運維人員實時全面的了解風電機組設備的運行狀況。

1 無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設計

將一定數(shù)量的圖像采集節(jié)點合理布設于風電機艙內(nèi)，要考慮無線信號傳輸?shù)耐〞常麄€系統(tǒng)以S3C6410［3］為核心的處理器，完成視頻采集控制和視頻圖像壓縮，之后經(jīng)過nRF2401無線模塊傳輸。監(jiān)控中心的nRF2401無線接收模塊接收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過S3C6410處理后，再通過串口或網(wǎng)口將視頻數(shù)據(jù)傳輸給PC機(即協(xié)調(diào)節(jié)點)。最后協(xié)調(diào)節(jié)點由GPRS［4］網(wǎng)絡傳輸?shù)礁h的監(jiān)控中心。設計可實現(xiàn)一對一的視頻數(shù)據(jù)傳輸，也可實現(xiàn)多點之間的視頻數(shù)據(jù)采集傳輸。完成風電機組的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，更好的保證系統(tǒng)的正常運行。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示，一對一的視頻傳輸系統(tǒng)設計框圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

圖2 單點視頻傳輸系統(tǒng)框圖

ARM系統(tǒng)開發(fā)硬件結構，即感知節(jié)點結構如圖3所示。主控模塊包含主控芯片模塊、電源管理模塊、時鐘模塊、Flash和SDRAM存儲模塊，RS232接口、RJ45接口等。

圖3 處理器模塊

2 部分硬件電路圖

2.1 無線模塊

nRF2401是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗非常低，以-5 dBm的功率發(fā)射時，工作電流只有10.5 mA，接收時工作電流只有18 mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設計更方便。其DuoCeiverTM技術使nRF2401可以使用同一天線，同時接收兩個不同頻道的數(shù)據(jù)。nRF2401適用于多種無線通信的場合［5-6］。

從表1幾種短距離無線通信技術的介紹中可以看出，Zigbee技術由于傳輸速率較低，所以采用Zigbee技術傳輸視頻，對于圖像處理技術要求比較高，而且算法要求比較嚴格，所以工作量較大，而從功耗、安全性和距離等方面考慮，采用nrf2401模塊作為物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡層實現(xiàn)此系統(tǒng)要優(yōu)于其他幾種無線技術。

表1 幾種無線通信技術的介紹［7］

系統(tǒng)通過nrf2401芯片的DATA、CE、CS、CLK1、DR1和PWR 6個引腳設置器件的工作模式，實現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù)及讀/寫狀態(tài)寄存器等功能。通過CLK1、DR1和DATA引腳的狀態(tài)選擇通道工作為方式1，通過 CS引腳狀態(tài)來設置工作模式選擇，nrf2401引腳圖如圖4所示。

2.2 串口和網(wǎng)口模塊

如圖5所示，串口采用的是MAX3232和DB9九針孔芯片，可以直接與計算機的串口相連。而網(wǎng)口芯片則采用DM9000芯片和HR911105A以太網(wǎng)接口，通過路由器與電腦相連。通過兩種方法中的任意一種將視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上。

圖4 無線模塊芯片

圖5 串口與網(wǎng)口連接模塊

2.3 電源模塊

由于無線模塊nrf2401供電電源為3.3V，而且當電源達不到3.3V時會影響接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)的電源原理圖如圖6所示。

圖6 電源模塊

3 系統(tǒng)軟件平臺

嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式的重要組成部分，它為應用程序提供了一個開發(fā)軟件平臺。實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的第1步是進行系統(tǒng)移植，其實包括驅(qū)動、內(nèi)核、文件系統(tǒng)的移植。本文選用了s3c-linux-2.6. 24這個linux操作系統(tǒng)，它具有內(nèi)核小、效率高、源代碼開放、內(nèi)核直接提供網(wǎng)絡支持等優(yōu)點，只需對內(nèi)核各種功能和模塊進行裁剪，選擇本系統(tǒng)嵌入式設備所需要的功能模塊，如需要串口驅(qū)動、USB攝像頭接口驅(qū)動，無線模塊驅(qū)動等，再編譯創(chuàng)建鏡像文件，使整個系統(tǒng)能夠存放到容量較小的Flash中。作為一個操作系統(tǒng)，Linux內(nèi)核主要負責程序的管理與調(diào)度、內(nèi)存的管理及對外設的驅(qū)動和管理等［8-12］。

3.1 Linux設備驅(qū)動的移植

驅(qū)動程序屏蔽了硬件實現(xiàn)上的細節(jié)，向應用程序提供訪問硬件設備的接口，應用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設備進行操作。本文中主要用到攝像頭、串口等驅(qū)動，這些驅(qū)動的源碼都能在網(wǎng)上找到，可以很方便的完成驅(qū)動的移植工作。

3.2 系統(tǒng)應用程序開發(fā)

整個系統(tǒng)以 S3C6410處理器為核心并通過USB接口接收攝像頭數(shù)據(jù)，并經(jīng)過處理器進行編碼，再經(jīng)過無線nrf2401模塊完成視頻的傳輸。軟件方面，Bootloader為引導程序，linux內(nèi)核和設備驅(qū)動程序形成基本的嵌入式運行環(huán)境，應用層負責視頻的采集、編碼、傳輸。視頻采集的具體步驟如下: (1)打開視頻設備，(2)讀取設備信息，(3)進行視頻采集，(4)對視頻進行處理，(5)關閉視頻。最后通過無線通信模塊操作，將采集的視頻數(shù)據(jù)進行傳輸處理，視頻采集節(jié)點流程圖如圖7所示。

圖7 視頻采集節(jié)點流程圖

無線接收節(jié)點程序設計中，首先同樣進行一定的程序初始化，通過無線模塊接收發(fā)送過來的壓縮后的圖像數(shù)據(jù)，之后對采集的視頻圖像數(shù)據(jù)解壓縮及解碼等處理，最后將采集的數(shù)據(jù)通過TFT液晶屏顯示或者通過串口和網(wǎng)卡傳到PC機上進行實時的顯示監(jiān)控，視頻接收節(jié)點程序流程圖如圖8所示。

圖8 無線接收節(jié)點流程圖

無線通信模塊采用nrf2401，編程時首先通過處理器向無線模塊中寫命令控制字，nrf2401上電進入待機狀態(tài)，之后再通過處理器向無線模塊寫命令控制字，將其配置為發(fā)送或者接受模式，最后往寄存器中裝入要發(fā)送的數(shù)據(jù)，調(diào)用發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)［12］。無線模塊程序流程圖如圖9所示。

圖9 無線模塊程序流程圖

4 實際監(jiān)測情況

圖10為視頻監(jiān)測系統(tǒng)工作平臺，視頻通過S3C6410處理器采集后，經(jīng)過nrf2401傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)節(jié)點的處理器模塊上，最終通過網(wǎng)口傳輸?shù)絇C機上，視頻效果較好，具有一定的應用價值。

圖10 視頻監(jiān)控系統(tǒng)實物圖

5 結束語

隨著嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)也正從模擬時代向數(shù)字時代和網(wǎng)絡時代過渡，正從有線向無線的發(fā)展。視頻技術還將研發(fā)出更多的實用功能，既可以減少布線的復雜度以及線路老化帶來的不便，又可以減輕工作人員的工作強度，成為人們工作、生活的得力助手。將無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)應用到風電機組狀態(tài)監(jiān)控上，對風電故障檢測技術也是一種飛躍，該設計實現(xiàn)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)質(zhì)量良好，穩(wěn)定性好，也適合于醫(yī)療、家庭、森林防火等安保系統(tǒng)中，具有廣闊的發(fā)展前景。

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鄔春明(1966- )，男，漢族，吉林省吉林市人，東北電力大學信息工程學院教授，碩士學位，從事信息類專業(yè)的教學與科研工作，wuhi1966@126.com;

劉海維(1986- )男，漢，吉林省吉林市人，東北電力大學信息工程學院碩士生，無線通信技術方向，525472025@qq.com。

Design of Video Monitoring and Control System of Wind Turbine Based on the Internet of Thing*

WU Chunming*，LIU Haiwei
(Information Engineering College Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012，China)

The currently wind turbine monitoring system is major getting the wind turbine parameters in real time，but it is not monitoring the full status of the operation.In order to solve the disadvantages of the wind turbine，the video surveillance system is supplied for wind turbine，which is based on the Internet of things.Using S3C6410 as core processor，controlling USB cameras to acquire video data real-time and display video information by TFT，sending the collected data to PC by short-distance wireless communication module nrf2401.Finally，transmitting to the monitoring center by the GPRS network，the video monitoring system has good quality and very stability.

internet of thing;wind turbine;video surveillance;Linux;nrf2401

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.029

TN913.6

A

1005－9490(2014)02－0302－05

項目來源:2013吉林省科技發(fā)展計劃項目(20130206050GX);東北電力大學博士科研啟動基金項目(bsjxm-201104)

2013-06-04修改日期:2013-07-09

EEACC:7210B