基于物聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

鄔春明，劉海維

(東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院，吉林吉林132012)

基于物聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

鄔春明*，劉海維

(東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院，吉林吉林132012)

目前現(xiàn)有的風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)主要是采集風(fēng)電機(jī)組的實(shí)時(shí)參數(shù)，卻不能直觀全面地監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。為了解決風(fēng)電機(jī)組中存在的弊端，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)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(jìn)行視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集并由TFT彩屏液晶顯示視頻信息，通過(guò)短距離無(wú)線通信模塊nrf2401將采集到的數(shù)據(jù)傳到PC機(jī)，最后經(jīng)過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁h(yuǎn)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(fēng)電機(jī)組;視頻監(jiān)控;Linux;nrf2401

目前現(xiàn)有的風(fēng)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)主要采集風(fēng)電機(jī)組的溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速以及運(yùn)行狀態(tài)等，運(yùn)行人員可以根據(jù)這些參數(shù)局部的了解各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，但不能直觀全面地監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，限制了運(yùn)維人員對(duì)故障做出實(shí)時(shí)快速地判斷，不能及時(shí)地遠(yuǎn)程操作設(shè)備，從而限制了快速地解決風(fēng)電機(jī)組的故障［1］。隨著社會(huì)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(jī)平臺(tái)的有線形式，該方案系統(tǒng)體積大、成本高，在遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)系統(tǒng)中實(shí)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(chǎng)所、安裝成本和維修等因素的限制，使其不易推廣應(yīng)用，并且不適合用來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組狀態(tài)的無(wú)線視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)通過(guò)S3C6410核心處理器控制USB攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)，并進(jìn)行一定的壓縮處理，通過(guò)無(wú)線技術(shù)發(fā)送接收。在接收端經(jīng)過(guò)一定的解碼處理，通過(guò)串口或者網(wǎng)卡傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的PC機(jī)，再通過(guò)GPRS接入互聯(lián)網(wǎng)傳到更遠(yuǎn)處的服務(wù)器，使運(yùn)維人員實(shí)時(shí)全面的了解風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的運(yùn)行狀況。

1 無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

將一定數(shù)量的圖像采集節(jié)點(diǎn)合理布設(shè)于風(fēng)電機(jī)艙內(nèi)，要考慮無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)耐〞?，整個(gè)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(guò)nRF2401無(wú)線模塊傳輸。監(jiān)控中心的nRF2401無(wú)線接收模塊接收到數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)S3C6410處理后，再通過(guò)串口或網(wǎng)口將視頻數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)(即協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn))。最后協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)由GPRS［4］網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁h(yuǎn)的監(jiān)控中心。設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的視頻數(shù)據(jù)傳輸，也可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)之間的視頻數(shù)據(jù)采集傳輸。完成風(fēng)電機(jī)組的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，更好的保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，一對(duì)一的視頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 單點(diǎn)視頻傳輸系統(tǒng)框圖

ARM系統(tǒng)開(kāi)發(fā)硬件結(jié)構(gòu)，即感知節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。主控模塊包含主控芯片模塊、電源管理模塊、時(shí)鐘模塊、Flash和SDRAM存儲(chǔ)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(wú)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(guò)程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以-5 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有10.5 mA，接收時(shí)工作電流只有18 mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。其DuoCeiverTM技術(shù)使nRF2401可以使用同一天線，同時(shí)接收兩個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù)。nRF2401適用于多種無(wú)線通信的場(chǎng)合［5-6］。

從表1幾種短距離無(wú)線通信技術(shù)的介紹中可以看出，Zigbee技術(shù)由于傳輸速率較低，所以采用Zigbee技術(shù)傳輸視頻，對(duì)于圖像處理技術(shù)要求比較高，而且算法要求比較嚴(yán)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(luò)層實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)要優(yōu)于其他幾種無(wú)線技術(shù)。

表1 幾種無(wú)線通信技術(shù)的介紹［7］

系統(tǒng)通過(guò)nrf2401芯片的DATA、CE、CS、CLK1、DR1和PWR 6個(gè)引腳設(shè)置器件的工作模式，實(shí)現(xiàn)讀/寫(xiě)緩存數(shù)據(jù)及讀/寫(xiě)狀態(tài)寄存器等功能。通過(guò)CLK1、DR1和DATA引腳的狀態(tài)選擇通道工作為方式1，通過(guò) CS引腳狀態(tài)來(lái)設(shè)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(jì)算機(jī)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(guò)路由器與電腦相連。通過(guò)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(wú)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(wú)線模塊nrf2401供電電源為3.3V，而且當(dāng)電源達(dá)不到3.3V時(shí)會(huì)影響接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。整個(gè)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(tái)

嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式的重要組成部分，它為應(yīng)用程序提供了一個(gè)開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的第1步是進(jìn)行系統(tǒng)移植，其實(shí)包括驅(qū)動(dòng)、內(nèi)核、文件系統(tǒng)的移植。本文選用了s3c-linux-2.6. 24這個(gè)linux操作系統(tǒng)，它具有內(nèi)核小、效率高、源代碼開(kāi)放、內(nèi)核直接提供網(wǎng)絡(luò)支持等優(yōu)點(diǎn)，只需對(duì)內(nèi)核各種功能和模塊進(jìn)行裁剪，選擇本系統(tǒng)嵌入式設(shè)備所需要的功能模塊，如需要串口驅(qū)動(dòng)、USB攝像頭接口驅(qū)動(dòng)，無(wú)線模塊驅(qū)動(dòng)等，再編譯創(chuàng)建鏡像文件，使整個(gè)系統(tǒng)能夠存放到容量較小的Flash中。作為一個(gè)操作系統(tǒng)，Linux內(nèi)核主要負(fù)責(zé)程序的管理與調(diào)度、內(nèi)存的管理及對(duì)外設(shè)的驅(qū)動(dòng)和管理等［8-12］。

3.1 Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的移植

驅(qū)動(dòng)程序屏蔽了硬件實(shí)現(xiàn)上的細(xì)節(jié)，向應(yīng)用程序提供訪問(wèn)硬件設(shè)備的接口，應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作。本文中主要用到攝像頭、串口等驅(qū)動(dòng)，這些驅(qū)動(dòng)的源碼都能在網(wǎng)上找到，可以很方便的完成驅(qū)動(dòng)的移植工作。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)

整個(gè)系統(tǒng)以 S3C6410處理器為核心并通過(guò)USB接口接收攝像頭數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)處理器進(jìn)行編碼，再經(jīng)過(guò)無(wú)線nrf2401模塊完成視頻的傳輸。軟件方面，Bootloader為引導(dǎo)程序，linux內(nèi)核和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序形成基本的嵌入式運(yùn)行環(huán)境，應(yīng)用層負(fù)責(zé)視頻的采集、編碼、傳輸。視頻采集的具體步驟如下: (1)打開(kāi)視頻設(shè)備，(2)讀取設(shè)備信息，(3)進(jìn)行視頻采集，(4)對(duì)視頻進(jìn)行處理，(5)關(guān)閉視頻。最后通過(guò)無(wú)線通信模塊操作，將采集的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸處理，視頻采集節(jié)點(diǎn)流程圖如圖7所示。

圖7 視頻采集節(jié)點(diǎn)流程圖

無(wú)線接收節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)中，首先同樣進(jìn)行一定的程序初始化，通過(guò)無(wú)線模塊接收發(fā)送過(guò)來(lái)的壓縮后的圖像數(shù)據(jù)，之后對(duì)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(guò)TFT液晶屏顯示或者通過(guò)串口和網(wǎng)卡傳到PC機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示監(jiān)控，視頻接收節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖8所示。

圖8 無(wú)線接收節(jié)點(diǎn)流程圖

無(wú)線通信模塊采用nrf2401，編程時(shí)首先通過(guò)處理器向無(wú)線模塊中寫(xiě)命令控制字，nrf2401上電進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，之后再通過(guò)處理器向無(wú)線模塊寫(xiě)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(wú)線模塊程序流程圖如圖9所示。

圖9 無(wú)線模塊程序流程圖

4 實(shí)際監(jiān)測(cè)情況

圖10為視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作平臺(tái)，視頻通過(guò)S3C6410處理器采集后，經(jīng)過(guò)nrf2401傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的處理器模塊上，最終通過(guò)網(wǎng)口傳輸?shù)絇C機(jī)上，視頻效果較好，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

圖10 視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)物圖

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)也正從模擬時(shí)代向數(shù)字時(shí)代和網(wǎng)絡(luò)時(shí)代過(guò)渡，正從有線向無(wú)線的發(fā)展。視頻技術(shù)還將研發(fā)出更多的實(shí)用功能，既可以減少布線的復(fù)雜度以及線路老化帶來(lái)的不便，又可以減輕工作人員的工作強(qiáng)度，成為人們工作、生活的得力助手。將無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)控上，對(duì)風(fēng)電故障檢測(cè)技術(shù)也是一種飛躍，該設(shè)計(jì)實(shí)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(xué)信息工程學(xué)院教授，碩士學(xué)位，從事信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)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(xué)信息工程學(xué)院碩士生，無(wú)線通信技術(shù)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(xiàng)目來(lái)源:2013吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20130206050GX);東北電力大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(bsjxm-201104)

2013-06-04修改日期:2013-07-09

EEACC:7210B