徐海鵬，孫冬梅，何響

(南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，江蘇南京 211816)

0 前言

國(guó)外風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展早，這也使得風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展比較早。經(jīng)過幾代的發(fā)展，風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)逐步實(shí)現(xiàn)了無(wú)線化和網(wǎng)絡(luò)化。大部分大型風(fēng)電場(chǎng)都建立了觀測(cè)網(wǎng)。風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是目前風(fēng)電場(chǎng)中使用比較主流的系統(tǒng)。它實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的集中管理和遠(yuǎn)程訪問、監(jiān)控等功能［1］。國(guó)內(nèi)的風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)起步較晚［2－4］。在20世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)的一些廠商開始引進(jìn)國(guó)外的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與系統(tǒng)所用的設(shè)備及傳感器，并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。但是對(duì)于數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)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(guó)外相比，差距仍然很大，依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于西方國(guó)家。

隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線移動(dòng)通技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也逐漸無(wú)線化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。同時(shí)，對(duì)于一些環(huán)境惡劣的風(fēng)電場(chǎng)，無(wú)線數(shù)據(jù)采集無(wú)疑是最好的方式［5］。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多采用有線方式通信，不僅線路鋪設(shè)耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，風(fēng)電場(chǎng)的維護(hù)成本也增加了很多［6］。作者結(jié)合近些年風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展，同時(shí)考慮到數(shù)據(jù)采集的完整性、準(zhǔn)確性和安全性，設(shè)計(jì)了基于ARM11的風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 數(shù)據(jù)采集檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源測(cè)量和評(píng)估技術(shù)規(guī)定》的規(guī)定，設(shè)計(jì)中的采集風(fēng)速與風(fēng)向的無(wú)線采集節(jié)點(diǎn)安裝共三層，依據(jù)小型風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際情況，這里分別對(duì)應(yīng)10、25 m和發(fā)電機(jī)組輪轂中心高度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中，前端數(shù)據(jù)采集采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)采集器主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，數(shù)據(jù)最終上傳到遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)中心，之后數(shù)據(jù)中心對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理。風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 組成模塊介紹

風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由三部分組成，分別是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)部分、數(shù)據(jù)采集器部分和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心部分。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)部分是風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)的前端，采集節(jié)點(diǎn)上掛載相應(yīng)的傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)最終通過協(xié)調(diào)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(kù)，如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)阻塞，數(shù)據(jù)會(huì)暫時(shí)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，如果網(wǎng)絡(luò)正常數(shù)據(jù)會(huì)通過General Packet Radio Service(GPRS)模塊上傳至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。

2.1 ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間通信方式采用問答機(jī)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(diǎn)數(shù)據(jù)堵塞的問題。設(shè)計(jì)中采用的是TI公司的CC2430芯片，芯片運(yùn)行的協(xié)議棧Zstack版本號(hào)是 1.4.2－1.1.0。

網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)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(fù)位電路以及編程接口等構(gòu)成。其中主控芯片CC2430主要的任務(wù)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(zhuǎn)換為電壓值。

圖2 采集節(jié)點(diǎn)框圖結(jié)構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集器是系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)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(kù)為SQLite。GPRS模塊選用西門子公司的工業(yè)級(jí)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(hù)。圖3為數(shù)據(jù)采集器的硬件框架結(jié)構(gòu)。

圖3 數(shù)據(jù)采集器硬件框架結(jié)構(gòu)

(1)數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì)

圖3中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)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(huì)通過串口，由主控芯片S3C6410進(jìn)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(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。

(2)數(shù)據(jù)采集器軟件設(shè)計(jì)

操作系統(tǒng)會(huì)在數(shù)接收到數(shù)據(jù)的時(shí)候會(huì)通過檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，在網(wǎng)絡(luò)通信良好的情況下，對(duì)數(shù)據(jù)采用AES加密后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器［7－8］;在網(wǎng)絡(luò)不好的情況下將數(shù)據(jù)暫時(shí)存放至本地嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，等到網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)再將數(shù)據(jù)上傳。數(shù)據(jù)采集器與遠(yuǎn)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(lái)完成對(duì)系統(tǒng)主設(shè)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(kù)設(shè)計(jì)

嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)不僅僅參與風(fēng)關(guān)鍵參數(shù)的管理、同時(shí)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(hù)管理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)嵌入式軟件設(shè)計(jì)都是以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，采用類的概念將數(shù)據(jù)庫(kù)提出的任務(wù)進(jìn)行抽象化。盡管設(shè)計(jì)最初并不知道對(duì)象里面具體的結(jié)構(gòu)，但是在用例模型中也能夠找到對(duì)象的影子。系統(tǒng)類圖為設(shè)計(jì)者提供模型，將系統(tǒng)所有的對(duì)象進(jìn)行抽象化，通過抽象，設(shè)計(jì)者能夠很快地清楚系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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(guān)聯(lián)關(guān)系，其中部分將轉(zhuǎn)化為實(shí)際的功能代碼，另外部分轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)表。嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)

2.3 數(shù)據(jù)中心軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心軟件采用VS2005作為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)采用MFC開發(fā)方式，結(jié)合ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)中心主要實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、配置以及短期預(yù)測(cè)等功［9－10］。

數(shù)據(jù)中心通過調(diào)用DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)實(shí)現(xiàn)短期風(fēng)速預(yù)測(cè)功能，DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)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(fēng)電場(chǎng)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能測(cè)試分析

3.1 系統(tǒng)各個(gè)子模塊測(cè)試

(1)串口數(shù)據(jù)接收與處理測(cè)試

測(cè)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(jié)果如圖7所示。

圖7 串口1接收數(shù)據(jù)測(cè)試

(2)GPRS數(shù)據(jù)傳輸測(cè)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(luò)在線，然后將GPRS數(shù)據(jù)包發(fā)送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。連接的命令發(fā)送完成后會(huì)有發(fā)送狀態(tài)返回。如果內(nèi)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(luò)狀態(tài)顯示，如果網(wǎng)絡(luò)不能連接成功，數(shù)據(jù)采集器就會(huì)自動(dòng)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)。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(jié)果具體如圖8所示。

圖8 GPRS連接測(cè)試

(3)數(shù)據(jù)交互測(cè)試

數(shù)據(jù)中心測(cè)試軟件的數(shù)據(jù)采集界面采用ListCtrl控件設(shè)計(jì)，方便了顯示風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速、風(fēng)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(dòng)。此外，在登錄系統(tǒng)之后沒有連接網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)，管理員可以通過時(shí)間樹對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的記錄進(jìn)行索引并查看采集的數(shù)據(jù)。測(cè)試軟件通過ADO接口連接ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)，每次接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)中風(fēng)參數(shù)記錄集。數(shù)據(jù)中心測(cè)試軟件數(shù)據(jù)接收如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)中心測(cè)試軟件數(shù)據(jù)接收

3.2 系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試測(cè)試

系統(tǒng)在經(jīng)過各個(gè)子模塊的測(cè)試之后，還要聯(lián)合調(diào)試，調(diào)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(dá)到數(shù)據(jù)采集的功能。采集到的風(fēng)電場(chǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)界面

數(shù)據(jù)中心接收到數(shù)據(jù)之后會(huì)參與到下一次的短期的風(fēng)速預(yù)測(cè)。風(fēng)速預(yù)測(cè)結(jié)果如圖11所示。

圖11 風(fēng)速短期預(yù)測(cè)

4 結(jié)論

以基于ARM11架構(gòu)的S3C6410作為風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)程采集和監(jiān)測(cè)的主控制器。該數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用嵌入式WinCE操作系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有一定的可靠性，同時(shí)與以往的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，具有價(jià)格低廉、管理方便、拓展性能強(qiáng)以及安裝方便等優(yōu)勢(shì)，具有一定的市場(chǎng)推廣價(jià)值。

［1］楊斌.風(fēng)電場(chǎng)氣象參數(shù)采集與管理系統(tǒng)［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)，2011.

［2］胡學(xué)敏.測(cè)風(fēng)塔選址及數(shù)據(jù)采集對(duì)風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)能評(píng)估的影響［J］.農(nóng)業(yè)工程技術(shù)(新能源產(chǎn)業(yè))，2011(2):21－22.

［3］郭淵博，楊奎武，趙儉，等.ZigBee技術(shù)與應(yīng)用:CC2430設(shè)計(jì)、開發(fā)與實(shí)踐［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

［4］趙敏.基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)［D］.太原:太原理工大學(xué)，2008.

［5］楊斌.風(fēng)電場(chǎng)氣象參數(shù)采集與管理系統(tǒng)［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)，2011.

［6］楊文華.風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀和趨勢(shì)綜述［J］.寧夏電力，2011，04(4):51－53.

［7］岳樂鵬.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速風(fēng)向采集及無(wú)線通信系統(tǒng)研究［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)，2010.

［8］姚明旭，周旭，朱開樂，等.網(wǎng)絡(luò)信息安全中加密算法的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2011(28):6880－6883.

［9］王樹森，武亞.基于ARM-Linux的嵌入式SQLite研究與應(yīng)用［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2010(20):5410－5412.

［10］PITOURA E，BHARGAVA B.Revising Transaction Concepts for Mobile Computing［C］//Proceeding of The IEEE Work shop on Mobile Systems and applications SantaCruz，CA，USA，1994:164－167.