基于LabVIEW和ZigBee的垂直軸風(fēng)力機(jī)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

曹艷華，曹　陽(yáng)，2，吳國(guó)慶，2，時(shí)玉娟，李巧梅

（1.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.江蘇省風(fēng)能應(yīng)用技術(shù)工程中心，江蘇 南通 226019）

基于LabVIEW和ZigBee的垂直軸風(fēng)力機(jī)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

曹艷華1，曹陽(yáng)1，2，吳國(guó)慶1，2，時(shí)玉娟1，李巧梅1

（1.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.江蘇省風(fēng)能應(yīng)用技術(shù)工程中心，江蘇 南通 226019）

風(fēng)力機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究應(yīng)用具有重要意義。針對(duì)目前垂直軸風(fēng)力機(jī)（vertical axis wind turbine，VAWT）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展不夠成熟的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的垂直軸風(fēng)力機(jī)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)編寫(xiě)上位機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)參數(shù)在線(xiàn)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行參數(shù)與環(huán)境參數(shù)，完成監(jiān)測(cè)任務(wù)，具有較好的應(yīng)用前景。

無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)；垂直軸風(fēng)力機(jī)；LabVIEW；ZigBee

0　引　言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)有水平軸式和垂直軸式兩大類(lèi)，其中垂直軸風(fēng)力機(jī)是一個(gè)新的發(fā)展方向[1]，其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測(cè)試風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身及其相關(guān)參數(shù)，測(cè)試結(jié)果可作為改進(jìn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能的必要根據(jù)。因此，垂直軸風(fēng)力機(jī)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)的研究、推廣及應(yīng)用具有重要意義[2]。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外水平軸風(fēng)力機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)較為成熟，如德國(guó)Pruftechnik公司的VIBXPERT FFT數(shù)據(jù)采集與信號(hào)分析儀，丹麥MitaTeknik公司的WP4086狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，新疆風(fēng)能研究所的通用風(fēng)電場(chǎng)中央及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，阜特科技研發(fā)的SCAD系統(tǒng)和CMS系統(tǒng)等。雖然水平軸風(fēng)力機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)比較成熟，但不能直接用于垂直軸風(fēng)力機(jī)[3]。一方面由于各生產(chǎn)廠(chǎng)商之間的技術(shù)保密，導(dǎo)致這些監(jiān)控系統(tǒng)只能用于特定的機(jī)型，適應(yīng)性較差，另一方面垂直軸風(fēng)力機(jī)和水平軸風(fēng)力機(jī)在啟動(dòng)風(fēng)速、額定轉(zhuǎn)速、發(fā)電功率、葉片受力等參數(shù)方面都有很大不同。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee平臺(tái)的垂直軸風(fēng)力機(jī)無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)，以CC2530芯片為監(jiān)測(cè)終端，組成無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)串口總線(xiàn)連接電腦，用LabVIEW作為監(jiān)控平臺(tái)。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)運(yùn)行參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，將無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)垂直軸風(fēng)力機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)智能化，并且節(jié)約了人力，降低了管理成本。

1　總體方案

無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)通常在空曠的監(jiān)測(cè)環(huán)境中使用，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)分布在被監(jiān)測(cè)區(qū)域，各節(jié)點(diǎn)之間采用基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線(xiàn)方式形成具有多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)，最終將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測(cè)中心。ZigBee是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，其PHY層和MAC層協(xié)議由IEEE802.15.4制定，網(wǎng)絡(luò)層由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟制定[4]。

本文設(shè)計(jì)的垂直軸風(fēng)力機(jī)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和基于LabVIEW的風(fēng)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。它由上位機(jī)、協(xié)調(diào)器和傳感器節(jié)點(diǎn)3部分組成，該系統(tǒng)框架如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集并處理垂直軸風(fēng)力機(jī)的各種運(yùn)行參數(shù)與環(huán)境參數(shù)，包括風(fēng)力發(fā)電輸出電流、發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、風(fēng)速等。垂直軸風(fēng)力機(jī)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集、處理后，利用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸模塊傳送至計(jì)算機(jī)，最終在基于LabVIEW人機(jī)交互平臺(tái)上顯示，同時(shí)存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)的硬盤(pán)中。

圖1　垂直軸風(fēng)力機(jī)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　基于ZigBee無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊的搭建

2.1傳感器的選擇

風(fēng)力發(fā)電機(jī)監(jiān)控參數(shù)主要有以下4種[5]：1）發(fā)電機(jī)參數(shù)，包括各相電壓、電流、功率、總有功功率、總無(wú)功功率、功率因數(shù)、發(fā)電量和頻率等；2）環(huán)境參數(shù)，如溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、天氣情況等；3）機(jī)械參數(shù)，如發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、形變參數(shù)、振動(dòng)狀況等；4）狀態(tài)參數(shù)，如報(bào)警狀態(tài)、工作狀態(tài)、變漿狀態(tài)等。針對(duì)目前自主設(shè)計(jì)的垂直軸風(fēng)力機(jī)，以風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)的輸出電流3個(gè)監(jiān)測(cè)參數(shù)為例來(lái)介紹垂直軸風(fēng)力機(jī)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.1.1風(fēng)速傳感器

風(fēng)速是風(fēng)力機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中一個(gè)重要的監(jiān)測(cè)參數(shù)。風(fēng)速的獲取是準(zhǔn)確測(cè)量風(fēng)輪的啟動(dòng)特性、機(jī)械輸出特性、空氣動(dòng)力特性以及機(jī)組功率輸出特性等性能參數(shù)的必要條件。因此，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，必須選擇合適的風(fēng)速傳感器，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速信號(hào)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量。

目前，常用的風(fēng)速傳感器有4種：風(fēng)杯風(fēng)速儀、畢托管風(fēng)速儀、熱線(xiàn)熱膜風(fēng)速儀、超聲波測(cè)風(fēng)儀。本文選用風(fēng)杯風(fēng)速儀，因其成本低、使用方便、基本不需要維護(hù)、轉(zhuǎn)速與風(fēng)速基本上成線(xiàn)性關(guān)系、抗強(qiáng)風(fēng)能力強(qiáng)、配合風(fēng)向標(biāo)可測(cè)風(fēng)速和風(fēng)向[6]。

2.1.2轉(zhuǎn)速傳感器

測(cè)量風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)速相結(jié)合可以檢驗(yàn)風(fēng)力機(jī)捕捉風(fēng)能的能力，常用的轉(zhuǎn)速傳感器有霍爾效應(yīng)式、電容式、光電式、變磁阻式等。本文選用的是霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器?；魻柺睫D(zhuǎn)速傳感器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、可靠性高、使用溫度范圍寬、可連續(xù)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，與其他類(lèi)型的轉(zhuǎn)速傳感器相比有不受光線(xiàn)、大氣壓力、溫度和振動(dòng)等因素影響的特點(diǎn)，可以較好地滿(mǎn)足風(fēng)力機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用需求[7]。

2.1.3電流傳感器

測(cè)量發(fā)電機(jī)輸出的交流電與電壓數(shù)據(jù)相結(jié)合可得到系統(tǒng)功率輸出能力參數(shù)。電流的采樣選用CSM025AY型閉環(huán)霍爾電流傳感器，該傳感器可在電隔離條件下測(cè)量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電流[8]。各傳感器具體型號(hào)及參數(shù)如表1所示。

表1　傳感器的選型及其具體參數(shù)

2.2網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊主要由傳感器節(jié)點(diǎn)（從節(jié)點(diǎn)）和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（主節(jié)點(diǎn)）兩部分組成。從節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)都選用ZigBee模塊，分為RS232（DRF2617A）、USB（DRF2618A）、RS485（DRF2619A）3種接口，用法一樣，可以無(wú)線(xiàn)互通，如圖2所示。ZigBee模塊的核心是TI公司CC2530F256芯片，內(nèi)部運(yùn)行ZigBee 2007/PRO協(xié)議棧，具有ZigBee協(xié)議的全部特性。針對(duì)復(fù)雜的ZigBee協(xié)議，將協(xié)議棧嵌入模塊內(nèi)部，只留出串口，用戶(hù)無(wú)需了解ZigBee協(xié)議棧，只需要讀寫(xiě)串口，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸，簡(jiǎn)單易用，非常適合嵌入用戶(hù)系統(tǒng)。

圖2　傳感器節(jié)點(diǎn)硬件邏輯圖

表2　ZigBee模塊電氣參數(shù)

傳感器節(jié)點(diǎn)是本系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)，除了ZigBee模塊，還包括傳感器部分、Arduino單片機(jī)、電源模塊和調(diào)試接口及開(kāi)關(guān)。傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中Arduino單片機(jī)既可以采集傳感器的數(shù)字信號(hào)也可以采集模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，然后傳送給ZigBee模塊進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)建立、管理、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，采用與傳感器節(jié)點(diǎn)相同的ZigBee模塊。因?yàn)閰f(xié)調(diào)器相對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)，大部分時(shí)間一直處于工作狀態(tài)，所以不能采用電池供電。其電源采用220V轉(zhuǎn)5V電源。其他硬件電路與傳感器節(jié)點(diǎn)相同，其結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

圖3　協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件邏輯圖

ZigBee模塊用配置軟件來(lái)設(shè)定及讀取模塊的基本參數(shù)，模塊需設(shè)置4個(gè)參數(shù)：PAN ID、波特率、節(jié)點(diǎn)類(lèi)型、無(wú)線(xiàn)頻道。傳感器節(jié)點(diǎn)中的模塊節(jié)點(diǎn)類(lèi)型應(yīng)設(shè)置成Router，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中的模塊節(jié)點(diǎn)類(lèi)型應(yīng)設(shè)置成Coordinator。同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要有相同的PAN ID和無(wú)線(xiàn)頻道，所以Coordinator和Router需要設(shè)置相同的PAN ID和無(wú)線(xiàn)頻道。同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，多個(gè)ZigBee模塊與多個(gè)設(shè)備連接，并不需要全網(wǎng)具有同樣的波特率，只需模塊與設(shè)備之間具有相同的波特率。

3　基于LabVIEW的人機(jī)交互平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的垂直軸風(fēng)力機(jī)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)是采用美國(guó)國(guó)家儀器NI公司的LabVIEW作為軟件平臺(tái)。上位機(jī)的主要功能是與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，接收傳感器節(jié)點(diǎn)的信息。因此上位機(jī)要實(shí)現(xiàn)傳感器信息接收，數(shù)據(jù)顯示、處理和分析以及控制指令發(fā)送等功能。上位機(jī)程序主要分為串行通信模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)保存模塊[9-10]。

在控制程序設(shè)計(jì)中，通過(guò)虛擬儀器軟件架構(gòu)（virtual instruments software architecture，VISA）控件來(lái)實(shí)現(xiàn)LabVIEW控制程序與硬件的通信。VISA實(shí)質(zhì)上是一個(gè)I/O口軟件庫(kù)及其規(guī)范的總稱(chēng)。在LabVIEW中利用VISA節(jié)點(diǎn)進(jìn)行串行通信編程。VISA共包含5個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別實(shí)現(xiàn)初始化串口、串口寫(xiě)、串口讀、中斷及關(guān)閉串口等功能。在進(jìn)行PC機(jī)和無(wú)線(xiàn)采集模塊

圖4　垂直軸風(fēng)力機(jī)上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面

串行通信前，要先配置串口，即串口初始化，使計(jì)算機(jī)串口的各種參數(shù)設(shè)置與無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的串口參數(shù)保持一致，這樣才能夠保證正確的通信。

系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)界面如圖4所示，界面可以實(shí)時(shí)顯示風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)輸出電流的數(shù)值及其變化曲線(xiàn)，并且有傳感器參數(shù)超限報(bào)警功能。該界面能夠完成傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)回放等功能。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)，設(shè)計(jì)了基于ZigBee無(wú)線(xiàn)通信、基于LabVIEW數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的垂直軸風(fēng)力機(jī)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)順利實(shí)現(xiàn)了LabVIEW對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理。通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，該無(wú)線(xiàn)采集系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，效果良好。該系統(tǒng)還有很多需要優(yōu)化的地方，例如，目前只能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)還不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。希望接下來(lái)的工作可以做到利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

[1]戴庚，徐璋，皇甫凱林，等.垂直軸風(fēng)力機(jī)研究進(jìn)展[J].流體機(jī)械，2010（10）：39-43.

[2]姚英學(xué)，湯志鵬.垂直軸風(fēng)力機(jī)應(yīng)用概況及其展望[J].現(xiàn)代制造工程，2010（3）：136-139.

[3]尹少平，焦錦繡，王靈梅，等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014（5）：84-86.

[4]沈忠，李強(qiáng).基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008（19）：164-165.

[5]王成，王志新，張華強(qiáng).風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用研究[J].自動(dòng)化儀表，2008（11）：16-20.

[6]李安迎，鄧靖靖，鄧世建，等.基于三杯式風(fēng)速傳感器的風(fēng)速監(jiān)測(cè)站設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表，2010（S2）：121-124.

[7]段斌.基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向測(cè)量方法[J].通信電源技術(shù)，2014（3）：55-57.

[8]馬巧娟，鄭萍，王曉光，等.基于ZigBee和LabVIEW的多點(diǎn)無(wú)線(xiàn)溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)儀器儀表，2009（4）：49-52.

[9]Sung W T，Hsu Y C.Designing an industrial real-time measurement and monitoring system based on embedded system and ZigBee[J].Expert Systems with Applications，2011（38）：4522-4529.

[10]王曉蘭，劉徽.基于LabVIEW的風(fēng)力機(jī)模擬裝置上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電氣自動(dòng)化，2012（2）：28-30.

Wireless monitoring system of vertical axis wind turbines based on LabVIEW and ZigBee

CAO Yanhua1，CAO Yang1，2，WU Guoqing1，2，SHI Yujuan1，LI Qiaomei1
（1.School of Mechanical Engineering，Nantong University，Nantong 226019，China；2.Jiangsu Engineering Research Center of Wind Energy Application，Nantong 226019，China）

Wind turbine monitoring system has important meaning to the research，promotion and application of the wind turbines.Aiming at the monitoring system of the vertical axis wind turbine not mature enough，the wireless monitoring system which based on ZigBee is designed for the vertical axis wind turbines.And the PC interface is wrote based on LabVIEW virtual instrument technology.All kinds of parameters can be collected and stored in the database.The experiments show that the operation parameters of vertical axis wind turbines and environmental parameters can be collected in real-time by the system，the monitoring task can be completed and the system has a good application prospect.

wireless monitoring；VAWT；LabVIEW；ZigBee

A

1674-5124（2015）12-0067-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.12.017

2015-07-08；

2015-09-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51376096）南通市科技局應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目（BK2011027）

曹艷華（1989-），女，江蘇南通市人，碩士研究生，專(zhuān)業(yè)方向?yàn)轱L(fēng)能技術(shù)的研究。