于 洋，汪 志，伊 躍

(沈陽理工大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，沈陽 110159)

?

采用ZigBee和超聲測風(fēng)的風(fēng)電場數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

于 洋，汪 志，伊 躍

(沈陽理工大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，沈陽 110159)

為實現(xiàn)快速準(zhǔn)確地采集并監(jiān)控風(fēng)電場信息，設(shè)計一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和超聲測風(fēng)技術(shù)的風(fēng)電場數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了風(fēng)電場數(shù)據(jù)采集裝置、ZigBee網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控軟件三部分。在風(fēng)電場中，使用基于超聲測風(fēng)的數(shù)據(jù)采集裝置完成各種氣象信息的采集；利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將氣象信息上傳到監(jiān)控軟件；監(jiān)控軟件可實現(xiàn)風(fēng)電場氣象數(shù)據(jù)采集、分析、存儲等功能，并對風(fēng)力發(fā)電機組運行實時監(jiān)控，為風(fēng)電場的網(wǎng)絡(luò)化測控提出了一種新型的解決方案。

風(fēng)電場；ZigBee；超聲測風(fēng)；監(jiān)控系統(tǒng)

風(fēng)電場實時數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它是以氣象環(huán)境、風(fēng)電機組、風(fēng)能資源為測量對象，最終的目的是實現(xiàn)風(fēng)能資源的有效利用、風(fēng)能資源準(zhǔn)確評估以及風(fēng)電場的準(zhǔn)確選址。由于風(fēng)力發(fā)電的本身條件限制，風(fēng)電場多分布在地域遼闊、交通不便以及環(huán)境惡劣的邊遠(yuǎn)地區(qū)，采集風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫等相關(guān)數(shù)據(jù)存在種種不便，因此要保證風(fēng)電場實時數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的實時性、可靠性、全面性就要求采用先進(jìn)的采集技術(shù)和通信手段[1]。

目前我國的風(fēng)電場實時數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)多采用機械式的測風(fēng)儀器，通信多采用can總線、光纖以太網(wǎng)及485/422等有線通訊方式[2]。上述系統(tǒng)往往采集精度較低，通信方式在風(fēng)電場重新布置時存在布線費用浪費、線材施工困難、故障排查與維護(hù)速度慢等一系列缺點。因此，研究采用基于ZigBee和超聲測風(fēng)的無線風(fēng)電場數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)無線通信的高精度的風(fēng)電場風(fēng)速數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控具有重要的意義[3]。

1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)和超聲測風(fēng)技術(shù)

1.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)

ZigBee技術(shù)是一種近年來新興的免費頻段的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee適用于通信數(shù)據(jù)速率較低，要求成本和功耗相對較低的場合，其適用于風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)的主要原因如下：

(1)低功耗。ZigBee技術(shù)具有多種電源管理模式，可進(jìn)行節(jié)點工作和休眠模式配置，2節(jié)電池可支持節(jié)點工作6～24個月。風(fēng)電場環(huán)境惡劣，多分布在海拔較高的山區(qū)環(huán)境，維修和替換十分不便，ZigBee的低功耗特性可保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點長時間工作。

(2)自組織性。ZigBee各個節(jié)點具有自組織的能力，能夠自動進(jìn)行配置和管理。在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化時，可通過拓?fù)淇刂茩C制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動組織網(wǎng)絡(luò)。針對風(fēng)電場而言，節(jié)點可在風(fēng)機位置撤銷或變更時自動進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重建，對整個監(jiān)控系統(tǒng)不帶來任何影響。

(3)以數(shù)據(jù)為中心且可靠的數(shù)據(jù)傳輸特性。ZigBee的mac層采用CSMA/CA的碰撞避免機制，同時為固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留專用時隙。Zigbee各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不僅本身作為監(jiān)控對象，對其連接的終端裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點組成，可構(gòu)成星型、屬性和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在風(fēng)電場重新布點時，可通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變滿足系統(tǒng)需求。

1.2 超聲測風(fēng)技術(shù)

在某固定距離中，超聲波的傳播時間受順風(fēng)和逆風(fēng)的影響，通過該傳播時間差，可有效測算當(dāng)前的風(fēng)速值。

設(shè)超聲波在靜止空氣中的傳播速度為c，自然風(fēng)速為v，自然風(fēng)速在平面直角坐標(biāo)系的2個坐標(biāo)投影為vx和vy。設(shè)A點為坐標(biāo)原點(0，0)，則x軸上距A點為d的B點坐標(biāo)為(d，0)。設(shè)從A點到B點為順風(fēng)風(fēng)向。則超聲波從A點發(fā)射到達(dá)B點的時間為

(1)

同理從B點到達(dá)A點的時間為

(2)

由t1和t2表達(dá)式可以得到

(3)

由式(3)可看出：只要測出順風(fēng)、逆風(fēng)傳播時間t1，t2和傳輸時間差Δt即可測出風(fēng)速沿x軸向的分量vx。同理，可得沿直角坐標(biāo)系y軸的投影分量vy。在直角坐標(biāo)系下最終獲得的自然風(fēng)風(fēng)速v和風(fēng)向角θ為

(4)

θ=tan-1(vx/vy)

(5)

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示，該系統(tǒng)基于ZigBee的WSN技術(shù)，利用超聲波式傳感器進(jìn)行風(fēng)電場數(shù)據(jù)采集裝置的設(shè)計，監(jiān)控軟件開發(fā)平臺為VS2005。該系統(tǒng)中，采集裝置包含超聲波式傳感器、溫濕度傳感器、c8051f120單片機、液晶顯示屏、按鍵等多個子模塊，實現(xiàn)高精度，高時效性的風(fēng)電場風(fēng)速風(fēng)向、溫濕度測量；E1、E2分別代表ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端采集節(jié)點，通過UART通信方式進(jìn)行風(fēng)電場氣象參數(shù)的實時讀取，路由節(jié)點負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和入網(wǎng)子節(jié)點管理，協(xié)調(diào)器節(jié)點負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)建立與維護(hù)，并收集網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的風(fēng)電機組氣象信息，通過串口通信方式將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的信息傳輸至監(jiān)控軟件；監(jiān)控軟件實時采集網(wǎng)絡(luò)信息，基于中心數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、匯總、顯示、報表打印等工作[3]，同時還可與多種驅(qū)動電路合作完成網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的風(fēng)電機組運行狀態(tài)實時顯示與控制。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計

數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計如圖2所示，其中核心處理器選擇高速單時鐘周期的c8051f120單片機，使用22.1184M外部晶振，經(jīng)PLL(鎖相環(huán))倍頻后最快指令處理速度可達(dá)88.4736M，足以反映0.1m/S的風(fēng)速變化。數(shù)據(jù)采集裝置中，單片機產(chǎn)生的寬帶窄脈沖簇經(jīng)升壓電路后激勵超聲波式傳感器，由于超聲波式傳感器的接收信號不穩(wěn)定并十分微弱，為避免接收信號的錯誤檢測，系統(tǒng)設(shè)計兩級放大電路和濾波電路進(jìn)行信號提取。處理后的信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換電路變換為數(shù)字信號存儲等待處理。同時系統(tǒng)加載溫濕度傳感器SHT71進(jìn)行溫濕度信息采集。

圖2 數(shù)據(jù)采集裝置結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集裝置的軟件設(shè)計包括初始化程序、風(fēng)速風(fēng)向測量子程序、顯示子程序、按鍵處理子程序以及串口通信子程序。初始化結(jié)束后，主控芯片對A探頭產(chǎn)生激勵脈沖簇并記錄當(dāng)前時間，當(dāng)接收到B探頭超聲波回波脈沖記錄回波達(dá)到時間，然后再對B探頭產(chǎn)生激勵脈沖簇并以A探頭進(jìn)行回波接收。主控芯片可根據(jù)此傳播時間差計算AB方向風(fēng)速分量，CD方向風(fēng)速分量可依此進(jìn)行計算，最終可得到風(fēng)速和風(fēng)向值。數(shù)據(jù)采集裝置實物圖見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)采集裝置實物圖

為避免外界環(huán)境對風(fēng)速風(fēng)向計量值的影響，軟件設(shè)計溫濕度補償算法，利用SHT71溫濕度傳感器的檢測值進(jìn)行風(fēng)速補償。綜合多次風(fēng)速和溫度、濕度關(guān)系，利用最小二乘法尋找最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配，取多組測量值和真實值，按照線性關(guān)系擬合補償函數(shù)可得

ΔV=0.0179×T+0.0160

(6)

2.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

ZigBee網(wǎng)絡(luò)可按照邏輯功能分類為終端節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點。本系統(tǒng)中，終端節(jié)點、路由節(jié)點以及協(xié)調(diào)器節(jié)點都以CC2530射頻芯片作為主控芯片，CC2530射頻芯片具有250KBPS無線通信帶寬，兩節(jié)點之間進(jìn)行可靠傳輸?shù)闹苯油ㄐ啪嚯x為1000m。針對風(fēng)電場而言，風(fēng)機之間距離多在300～800m，可滿足風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)的通信距離。

2.2.1 ZigBee節(jié)點硬件設(shè)計

系統(tǒng)中各ZigBee節(jié)點使用最小系統(tǒng)構(gòu)成，即只包括CC2530射頻芯片、仿真接口、電源電路、開關(guān)電路以及指示電路構(gòu)成。其中仿真接口用于軟件調(diào)試與下載；開關(guān)電路為復(fù)位電路；通過UART接口實現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集裝置的UART通信；兩個指示燈分別進(jìn)行入網(wǎng)狀態(tài)指示和UART通信狀態(tài)指示，ZigBee各功能節(jié)點硬件電路設(shè)計如圖4所示。

2.2.2 ZigBee節(jié)點軟件設(shè)計

ZigBee各節(jié)點軟件設(shè)計基于TI公司的zstack2006，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中半功能設(shè)備只能進(jìn)行發(fā)送和接受信號，無轉(zhuǎn)發(fā)和路由功能，全功能可支持轉(zhuǎn)發(fā)和路由功能，因此，本系統(tǒng)中定義終端節(jié)點為半功能設(shè)備，路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器設(shè)計為全功能設(shè)備，以上設(shè)定都由zstack2006軟件設(shè)定而成。

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

圖5 ZigBee節(jié)點軟件流程圖

在本系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器的主要任務(wù)是接受來自監(jiān)控軟件串口上的數(shù)據(jù)采集命令，然后將命令通過無線發(fā)送給終端節(jié)點，并收取節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給監(jiān)控軟件。當(dāng)用戶進(jìn)行操作時，監(jiān)控軟件會通過串口向協(xié)調(diào)器發(fā)送讀取命令，該命令以數(shù)據(jù)包形式傳遞給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器針對該數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，若符合規(guī)定，則提取待測節(jié)點信息，并對該節(jié)點進(jìn)行無線命令發(fā)送要求其將對應(yīng)數(shù)據(jù)回傳至網(wǎng)關(guān)，然后再將接收到的指定節(jié)點的信息按照數(shù)據(jù)包格式發(fā)送給監(jiān)控中心，協(xié)調(diào)器軟件流程圖如圖5a所示。終端節(jié)點的主要任務(wù)是完成與風(fēng)電場數(shù)據(jù)采集裝置的通信以及節(jié)點數(shù)據(jù)信息的發(fā)送。數(shù)據(jù)采集裝置定時將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至終端節(jié)點，終端節(jié)點可依據(jù)此數(shù)據(jù)包更新風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度等信息。當(dāng)節(jié)點接收到協(xié)調(diào)器的查詢指令時，將當(dāng)前的數(shù)據(jù)信息反饋至協(xié)調(diào)器，終端節(jié)點軟件流程圖如圖5b所示。

2.3 監(jiān)控軟件設(shè)計

監(jiān)控中心管理系統(tǒng)主要有風(fēng)電場風(fēng)電機組分布情況及運行狀態(tài)查看子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)等。該軟件利用VC編程，為保證軟件的良好操作性和人機交互性，軟件加載MapInfo 11.0和SQL SEVER 2005進(jìn)行子功能服務(wù)。為保證監(jiān)控軟件的安全運行，為監(jiān)控軟件設(shè)計用戶的控制訪問，工作人員必須通過用戶名和密碼登陸軟件系統(tǒng)才可進(jìn)行相應(yīng)操作。監(jiān)控軟件主要包括以下幾個子系統(tǒng)：

1)用戶管理頁面：使用該軟件的用戶，必須提供正確的用戶名和密碼。管理員可進(jìn)行增加、刪除和查找用戶；每個用戶可進(jìn)行相應(yīng)密碼更改。

圖6 用戶管理頁面

2)數(shù)據(jù)采集頁面：軟件通過串口進(jìn)行風(fēng)電場各項數(shù)據(jù)采集。軟件提供采集串口設(shè)置，采集速度設(shè)置，采集精度設(shè)置等功能。為保證數(shù)據(jù)采集的直觀表達(dá)，軟件利用MapInfo11.0的地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行節(jié)點定位顯示。

圖7 數(shù)據(jù)采集頁面

3)數(shù)據(jù)分析頁面：已經(jīng)采集到的數(shù)據(jù)會自動存入數(shù)據(jù)庫中。為保證風(fēng)電場風(fēng)能資源的評估和優(yōu)化控制，數(shù)據(jù)分析頁面可利用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)速曲線，風(fēng)頻曲線的繪制，并可利用多重條件進(jìn)行歷史風(fēng)速數(shù)據(jù)回調(diào)。

圖8 數(shù)據(jù)分析頁面

3 實驗結(jié)果分析

根據(jù)風(fēng)電場風(fēng)電機組的分布情況以及檢測要

求，本系統(tǒng)利用多種檢測距離進(jìn)行風(fēng)電場條件模擬。實驗系統(tǒng)主要由高性能風(fēng)扇、數(shù)據(jù)采集裝置、標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)測量儀、ZigBee傳感器和監(jiān)控電腦組成。實驗采用高性能風(fēng)扇來產(chǎn)生穩(wěn)定實驗氣流，利用WS425風(fēng)速測量儀作為校準(zhǔn)儀進(jìn)行風(fēng)速值標(biāo)定，該測量儀風(fēng)速測量精度為0.1m/s。此次實驗分別在風(fēng)速近似為0、0.5、1、2、4和6m/s條件下進(jìn)行，且多次實驗環(huán)境溫度約為18°，濕度約為45%，每次測量50組數(shù)據(jù)。取50組數(shù)據(jù)的平均值作為最終測量結(jié)果，分別記錄采集裝置的測量風(fēng)速和多種距離下監(jiān)控中心的顯示風(fēng)速，驗證采集裝置的精度和ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。實驗結(jié)果見表1。

表1 系統(tǒng)初次實驗結(jié)果 m/s

為驗證溫濕度智能風(fēng)速補償算法對測量風(fēng)速的影響，數(shù)據(jù)采集裝置屏蔽溫濕度算法并進(jìn)行二次實驗。實驗系統(tǒng)組成如初次實驗，實驗條件為：溫度約為18°，濕度約為45%，風(fēng)速分別近似為0、0.5、1、2、4和6m/s下。以上每種風(fēng)速下測量50組數(shù)據(jù)，取50組數(shù)據(jù)的平均值為最終測量結(jié)果，實驗距離固定為300m。實驗結(jié)果見表2。

表2 系統(tǒng)二次實驗結(jié)果 m/s

對比表1與表2的數(shù)據(jù)，在同等實驗條件下，溫濕度智能風(fēng)速補償算法可有效提高數(shù)據(jù)采集裝置的測量精度。采用溫濕度智能風(fēng)速補償算法情況下，采集裝置與WS425測量儀的絕對誤差約為0.01；未采用溫濕度智能風(fēng)速補償算法時，該絕對誤差為0.04。因此使用溫濕度補償算法可有效提高數(shù)據(jù)采集裝置的測量精度。

依據(jù)表1的數(shù)據(jù)，同時考慮高性能風(fēng)扇所產(chǎn)生的風(fēng)速誤差與WS425風(fēng)速測量儀的精度誤差，可有效判定數(shù)據(jù)采集裝置的采集精度，在多組實驗中，數(shù)據(jù)采集裝置與WS425的測量數(shù)據(jù)的絕對誤差約為0.01m/s，相對誤差約為0.5%，考慮到系統(tǒng)誤差與偶然誤差，可近似認(rèn)為數(shù)據(jù)采集裝置與WS425具備同等測量精度，即風(fēng)速測量精度為±0.1m/s，風(fēng)向誤差為±1°。遠(yuǎn)距離傳輸過程中(500m，700m)絕對誤差分別為0.05、0.08，考慮到ZigBee芯片所允許的遠(yuǎn)距離傳輸丟包率，可判定遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸有效穩(wěn)定。

4 結(jié)論

針對風(fēng)電場數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控設(shè)計了數(shù)據(jù)采集裝置、ZigBee傳感器節(jié)點和監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測軟件。數(shù)據(jù)采集裝置以C8051F120單片機作為控制核心，利用超聲波式傳感器進(jìn)行風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)采集，并可根據(jù)當(dāng)前的溫濕度進(jìn)行智能風(fēng)速補償；ZigBee傳感器節(jié)點基于CC2530設(shè)計實現(xiàn)，利用Zstack2006協(xié)議棧設(shè)計實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)傳輸，串口響應(yīng)等功能；監(jiān)控系統(tǒng)以VS2005為平臺，綜合MapInfo，SQL SEVER2005等多個工具軟件實現(xiàn)了風(fēng)電場氣象數(shù)據(jù)采集、分析、存儲以及風(fēng)電場監(jiān)控等功能。本裝置可實現(xiàn)風(fēng)電場氣象數(shù)據(jù)的高精度采集，風(fēng)速測量精度為±0.1m/s，風(fēng)向誤差為±1°，可在風(fēng)電場風(fēng)機布點變化時自動進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重建，可高效進(jìn)行風(fēng)電場風(fēng)機定位監(jiān)控以及風(fēng)電場風(fēng)速準(zhǔn)確預(yù)測。

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(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

The Supervisory Control and Data Acquisition for Wind Farm Based on ZigBee and Ultrasonic Anemometer

YU Yang,WANG Zhi,YI Yue

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

A ZigBee and ultrasonic anemometer based on supervisory and data measurement system is presented,which can be applied in high-precision and high-speed meteorological wind farm data measurement.This system is composed of three parts,wind farm data measuring device,ZigBee network and monitoring software.In wind farm,the data measuring device based on ultrasonic anemometer will detect the information of wind farm.Secondly,this information will be uploaded to software by ZigBee network.Monitoring software will gather all information and storage them,what′s more,this software can also monitor the fan motor,which provides an advanced solution for networked measurement and wind farm control.

wind farm;ZigBee;ultrasonic anemometer;supervisory control system

2015-09-29

于洋(1963—)，男，教授，研究方向：智能儀器與控制裝置、網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)技術(shù)、故障診斷與系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)等。

1003-1251(2016)05-0011-06

TP368.1

A