CN101614830B - 一种具有在线远程监控的风能资源记录仪 - Google Patents

Abstract

一种具有在线远程监控的风能资源记录仪，包括：传感器数据采集单元、DSP处理单元、现场人机交互单元和在线远程监控服务单元，DSP处理单元，对传感器数据采集单元输出的脉冲频率和电压进行读取，并计算、储存；控制在线远程监控服务单元发送电子邮件数据；控制在线远程监控服务单元实现记录仪在线远程监控管理；现场人机交互单元，通过总线与DSP处理单元连接，实现即时显示传感器数值、记录仪工作状态、记录仪功能自检、功能参数设置；在线远程监控服务单元，在DSP处理单元的控制下完成风能资源信息和记录仪自检状态的电子邮件发送；与DSP处理单元配合完成记录仪的在线远程监控管理等。本发明能够远程更改记录仪参数，实现远程读取记录仪自检状态及记录仪的主程序在线升级。

Description

一种具有在线远程监控的风能资源记录仪

技术领域

本发明涉及一种采集、记录、显示、发送风场风能资源的电子设备，特别的是指一种具有在线远程监控的风能资源记录仪。

背景技术

我国风能资源较为丰富，可开发潜力较大，在我国能源问题日趋紧张的情况下，风能作为一种清洁环保可再生能源必将在未来能源结构中占有一席之地。风能资源记录仪作为风电开发的必需产品，具有十分广阔的市场应用前景。

中国东南沿海及附近岛屿的风能密度可达300W/m²以上，3～20m/s风速年累计超过6000h。内陆风能资源最好的区域，沿内蒙古至新疆一带，风能密度也在200～300W/m²，3～20m/s风速年累计5000～6000h。这些地区适于发展风力发电和风力提水。

风能利用存在一些限制及弊端：(1)风速不稳定，产生的能量大小不稳定；(2)风能利用受地理位置限制严重；(3)风能的转换效率低；(4)风能是新型能源，相应的使用设备也不是很成熟。

为了能够较为准确地对风场环境下的风能进行采集、记录、监控等相关信息，作为风能利用的必需产品之一的风能资源记录设备应运而生，与风能相关的设备具有十分广阔的市场应用前景。

风能资源记录仪要求高密度的嵌入式功能实现，多传感器多通道的信道兼容、数据分析计算、数据非易失性保存、在线远程监控、无线数据发送。风能资源记录仪的嵌入式系统的开发和设计，包括高精度的模拟电路设计、数字信号处理、无线网络设备使用、网络通信编程、电子邮件应用及其技术的综合。风能资源记录仪的多功能和低功耗的实现、系统的稳定性设计难度较大。因此，目前国内自主研制生产的测风仪产品较少，且信息化水平不高，不能够与国外同类产品相竞争。

现有设计的风能测风仪功能单一，不能全面的反应风场环境下的风能资源。且不能实现远程控制：不能远程更改记录仪参数，不能实现远程读取记录仪故障信息，不能实现记录仪的程序升级。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种具有在线远程监控的风能资源记录仪，能够远程更改记录仪参数，实现远程读取记录仪自检状态及记录仪的主程序在线升级。

本发明的技术解决方案：一种具有在线远程监控的风能资源记录仪，其特征在于包括：传感器数据采集单元、DSP处理单元、现场人机交互单元和在线远程监控服务单元；其中：

传感器数据采集单元有两类通道：第一类是风速传感器的脉冲计数采集通道，转换结果是单位时间内脉冲的个数，即脉冲频率；第二类是其余传感器，包括风向、温度、大气压力、湿度传感器的模拟电压采集通道，转换结果是电压；

DSP处理单元，对传感器数据采集单元输出的脉冲频率和电压进行读取，并计算、储存；控制在线远程监控服务单元发送电子邮件数据；控制现场人机交互单元完成键盘和液晶显示器的人机交互；控制在线远程监控服务单元实现记录仪在线远程监控管理；

现场人机交互单元，通过总线与DSP处理单元连接，实现即时显示传感器数值、记录仪工作状态、记录仪功能自检、功能参数设置；

在线远程监控服务单元，在DSP处理单元的控制下完成风能资源信息和记录仪自检状态的电子邮件发送；与DSP处理单元配合完成记录仪的在线远程监控管理，所述的记录仪的在线远程监控管理包括记录仪接收远程控制命令，所述的控制命令包括更改系统参数、读取记录仪自检状态和更新DSP处理单元的主程序；所述的在线远程监控服务单元包括ARM和GPSR(或CDMA)模块；所述的ARM包括数据通信单元、格式转换单元、网络接入单元、邮件发送单元、邮件接收单元和命令识别单元；

所述在线远程监控服务单元工作过程为：DSP处理单元控制ARM启动，ARM的数据通信单元按照DSP与ARM的串行通信协议开始工作，DSP向ARM发送风能资源数据，当数据通信单元接收到完整的一天数据后，格式转换单元把接收到的完整的一天数据进行格式转换，格式转换指按照远程计算机能够识别的格式，把一天的风能资源信息、记录时间、记录仪参数整合到单一文件；格式转换后的文件经过邮件发送单元和网络接入单元发送；当数据发送结束后，DSP处理单元启动远程控制服务，邮件接收单元查收对应的邮箱，如果有含有控制命令的邮件，由命令识别单元对邮件中的控制命令进行识别；当收到读取记录仪自检状态命令后，DSP调用状态自检功能，记录仪自检状态结果由DSP控制ARM通过电子邮件发送；当收到更改系统参数或更新主程序的命令时，命令控制单元识别附件中的数据，并通过数据通信单元发送给DSP处理单元，DSP处理单元按次序把接收到的数据写入其存储器单元，完成系统参数或主程序的更改，该过程完成后，ARM控制DSP处理单元重启，DSP处理单元即可加载新写入的程序代码，从而完成DSP处理单元主程序的更新。

所述的传感器数据采集单元包括：多路风速传感器，多路风向、温度、大气压力和湿度传感器，过压保护电路，比较器，CPLD计数器和A/D转换芯片；多路风速传感器输出的正弦电压信号和多路风向、温度、大气压力和湿度传感器电压信号经过压保护电路后，多路风速传感器输出的正弦电压信号经过比较器转换成方波信号，输入到CPLD计数器，由DSP处理单元采集；多路风向、温度、大气压力和湿度传感器输出的电压信号经过运放调理电路输入到A/D转换芯片，由DSP处理单元采集。

所述的DSP处理单元对传感器数据采集单元输出的脉冲频率和电压进行读取，并计算、储存的过程为：

(1)对风速的处理：DSP每隔3秒读取CPLD计数器值的增量，即当前值减去上一次的计数器值，储存到缓冲区，每隔10分钟读取200组数据，从读取的200组数据中选取出最大值、最小值，计算出平均值和方差值，风速按照下述公式计算并储存，

v＝Δ×0.765+0.35，v为风速，单位为m/s，Δ为单位时间脉冲数，单位为Hz；

(2)对风向、温度、湿度、大气压力的处理：DSP每隔3秒读取A/D转换芯片的数值，储存到缓冲区，每隔10分钟读取200组数据，从读取的200组数据中选取出最大值、最小值，计算出平均值和方差值，风向、温度、湿度、大气压力四个数值按照下述公式计算并储存，

风向： $\mathrm{\θ}=\frac{U}{5}\×360,$ θ为风向角度，单位为度，U为采集的电压，单位为V，

温度：T＝U×55.55-86.38，T为温度，单位为℃，

大气压力：P＝U×21.79+10.55，P为大气压力，单位为kPa，

湿度：H＝U×20，H为湿度，单位为％。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明具有在线远程监控的优点。本发明通过DSP对ARM的控制，通过无线网接入邮箱服务器，识别邮件中远程监控命令等，实现了在线远程监控，包括远程更改记录仪参数，远程读取记录仪故障信息。

(2)实现了风能资源记录仪的主程序的在线更新，省去现场调试的人力物力花销。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为传感器数据采集单元的原理框图；

图3为DSP处理单元主程序流图；

图4为人机交互菜单结构图；

图5为远程监控服务单元的原理框图；

图6为远程监控服务单元的程序流图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括传感器数据采集单元、DSP处理单元、现场人机交互单元和在线远程监控服务单元。

传感器数据采集单元有两类通道：第一类是风速传感器的脉冲计数采集通道，转换结果是单位时间内脉冲的个数，即脉冲频率；第二类是其余传感器，包括风向、温度、大气压力、湿度传感器的模拟电压采集通道，转换结果是电压。

如图2所示，本发明实施例的传感器数据采集单元由风速传感器的脉冲计数采集通道和风向、温度、大气压力、湿度传感器组成的模拟电压通道组成，具体包括：12路风速传感器，4路风向传感器、2路温度传感器、1路大气压传感器、1路湿度传感器、过压保护电路、比较器、CPLD计数器和A/D转换芯片，过压保护电路包括压敏电阻、瞬态电压抑制二极管和三端EMC滤波器件；20路传感器输入信号经过压敏电阻、瞬态电压抑制二极管进行过压保护，经过三端EMC滤波器件滤波，12路风速传感器的正弦电压信号通过比较器转换成方波信号，输入到CPLD的计数器，由DSP处理单元采集，其余传感器，即4路风向传感器、2路温度传感器、1路大气压传感器、1路湿度传感器的电压信号经过信号调理电路输入到A/D转换芯片，由DSP处理单元采集。

如图3所示，本发明的DSP处理单元的具体处理过程如下：

(1)对传感器数据采集单元输出的脉冲频率和电压进行读取，并计算、储存的过程为：

对风速的处理：DSP每隔3秒读取CPLD计数器值的增量，即当前值减去上一次的计数器值，储存到缓冲区，每隔10分钟读取一组数据，从读取的一组数据中选取出最大值、最小值，计算出平均值和方差值，风速按照下述公式计算并储存，

v＝Δ×0.765+0.35，v为风速，单位为m/s，Δ为单位时间脉冲数，单位为Hz，

从而得到风速信息的一组10分钟特征值，即10分钟内风速信息的最大值、最小值、平均值和方差值；

对风向、温度、湿度、大气压力的处理：DSP每隔3秒读取A/D转换芯片的数值，储存到缓冲区，每隔10分钟读取一组数据，从读取的一组数据中选取出最大值、最小值，计算出平均值和方差值，风向、温度、湿度、大气压力四个数值按照下述公式计算并储存，

风向： $\mathrm{\θ}=\frac{U}{5}\×360,$ θ为风向角度，单位为度，U为采集的电压，单位为V，

温度：T＝U×55.55-86.38，T为温度，单位为℃，

大气压力：P＝U×21.79+10.55，P为大气压力，单位为kPa，

湿度：H＝U×20，H为湿度，单位为％，

从而分别得到风向、温度、湿度、大气压力信息的一组10分钟特征值，即10分钟内风向、温度、湿度、大气压力信息的最大值、最小值、平均值和方差值。

当DSP识别为整1小时的时间点，即记录了六组风速、风向、温度、湿度、大气压力信息的10分钟特征值，将这六组特征值写入FLASH非易失存储单元，防止数据丢失。

(2)发送电子邮件

当DSP识别为整1天的时间点，DSP完成了24小时的数据采集。DSP通过IO引脚控制电源模块启动ARM。ARM程序加载成功向DSP握手后，DSP通过串口把FLASH中24小时的风能资源信息、记录时间、记录仪参数发送给ARM，然后由ARM完成数据格式转换和和电子邮件发送。

(3)远程控制

DSP发送24小时数据结束后，等待ARM发送风能资源数据电子邮件结束进入在线远程监控状态。DSP接收ARM返回远程控制命令回复，并作出对命令的响应。远程控制命令包括更改系统参数、读取记录仪自检状态和更新主程序。

如表1所示，命令代码结构如下：

命令代码+命令长度+命令本体+CRC校验。

(1)当远程命令为更改系统参数时，ARM发送给DSP的数据为，

‘A’+13+1字节密码+3字节时间+3字节传感器选择+2字节经度+2字节纬度+2字节高度+CRC校验，

共16字节。DSP根据接收的命令，识别命令本体中的参数，改写FLASH中参数区的数据，完成风能资源记录仪的参数更改。

(2)当远程命令为读取记录仪自检状态时，ARM发送给DSP的数据为，

‘B’+0+CRC校验，

共3字节。DSP读取系统日志，GPRS状态、剩余储存空间、记录仪时间、电池剩余电量、软件版本，并按照以下格式发送给ARM，

‘B’+10*n+7+10*n字节系统日志+1字节GPRS状态+1字节剩余空间+3字节系统时间+1字节电池剩余电量+1字节软件版本+CRC校验，

共10*n+10字节，其中n为日志条数。

(3)当远程命令为更新主程序时，ARM发送给DSP的数据为，

‘D’+N+N字节主程序代码+CRC校验，

共N+3字节，其中N为主程序代码的长度。DSP把到的代码存储到代码缓冲区，当全部代码传送结束，CRC校验无误后，DSP再把代码缓冲区的数据写入到FLASH非易失存储器中，ARM控制DSP的RESET管脚重启完成DSP主程序的重新载入，实现记录仪主程序的更新。

(4)当DSP接收到‘X’+0+CRC校验3字节的数据，表示没有远程命令，DSP退出远程监控命令服务单元。

表1命令代码结构

          命令代码    代码长度    代码结构    CRC校验

命令含义

                                                        总长度

          (1字节)     (1字节)     (多字节)    (1字节)

                                  1字节密码

                                  3字节时间

更改系统                          3字节传感器选择

          A           13                      1         16

参数                              2字节经度

                                  2字节纬度

                                  2字节高度

                                  10*n10*n字节系统日志

                                  1字节GPRS状态

发送自检                          1字节剩余储存空间

          B           10*n+7                  1         10*n+10

状态                              3字节系统时间

                                  1字节电池剩余电量

                                  1字节软件版本

更新主程                          N字节的主程序代码长

          D           N           度          1         N+3

序

无远程命

          X           0           无          1         3

令

(4)人机交互

人机交互功能通过查询键盘输入启动。如图4所示，当键盘有任意键按下，记录仪启动人机交互功能，液晶显示器显示欢迎界面。根据显示内容提示，用户可以按下对应的按键进入传感器数值显示、系统状态显示、邮件自检和参数设置页面。在传感器数值页面下，液晶显示器显示当前传感器数值，并可以在20路传感器中切换；在系统状态页面下，液晶显示器显示系统日志代码、GPRS状态、存储空间状态、系统时间、电池电量和软件版本；在邮件自检页面下，用户可以按下对应按键发送电子邮件，测试DSP处理单元和在线远程监控服务单元是否正常工作；在参数设置页面下，用户可以通过键盘输入设置或更改记录仪密码、系统时间、传感器选择、记录仪的经度、纬度、高度。当无按键超过2分钟，液晶显示器自动关闭，记录仪退出人机交互模式。

本发明的远程监控服务单元在DSP处理单元的控制下完成风能资源信息和记录仪自检状态的邮件发送；与DSP处理单元配合完成记录仪的远程控制管理。远程控制管理包括记录仪接收远程控制命令，控制命令包括更改系统参数、读取记录仪自检状态和更新DSP处理单元的主程序。远程监控服务单元包括ARM和GPRS(或CDMA)。如图5所示，ARM中的远程监控模块包括数据通信模块，格式转换模块，邮件发送模块、网络接入模块。邮件接收模块、命令识别模块。

如图6所示，当DSP控制ARM启动后，ARM加载程序，程序启动成功后ARM与DSP握手，ARM等待并接收DSP发送的24小时数据。ARM接收24小时数据结束，启动格式转换模块，把24小时数据、记录仪参数信息整合成远程用户可以识别的格式，并转换成附件文件。ARM启动网络连接模块，控制GPRS(或CDMA)接入到无线网络，采用通用的base64编码对待发附件文件编码，使用STMP协议发送邮件到指定邮箱。

邮件发送结束后，启动邮件接收单元，查收指定邮箱的邮件，当收到含有远程监控命令的邮件时，提取邮件中的编码。

(1)当远程命令为更改系统参数时，电子邮件中的数据为：

‘A’+13+1字节密码+3字节时间+3字节传感器选择+2字节精度+2字节纬度+2字节高度+CRC校验，

ARM识别数据并发送给DSP。

(2)当远程命令为读取记录仪自检状态时，电子邮件中的数据为，

‘B’+0+CRC校验，

ARM识别数据并发送给DSP，ARM等待DSP返回如下格式数据，

‘B’+10*n+7+10*n字节系统日志+1字节GPRS状态+1字节剩余空间+3字节系统时间+1字节电池剩余电量+1字节软件版本+CRC校验

共10*n+10字节，其中n为日志条数。ARM的格式转换单元把接收到的记录仪自检状态数据进行格式转换，转换成按照远程计算机能够识别的格式，格式转换后的文件经过邮件发送单元和网络接入单元发送。

(3)当远程命令为更新主程序时，ARM发送给DSP的数据为，

‘D’+N+N字节主程序代码+CRC校验，

共N+3字节数据，其中N为主程序代码的长度。在DSP更新完FLASH区域代码后，ARM复位DSP的RESET引脚使DSP重启加载更新后的程序。

(4)当没有收到远程监控命令的邮件时，ARM向DSP发送

‘X’+0+CRC校验的数据，

共3字节数据。

当上述的远程监控命令得到执行，ARM删除服务器上的命令邮件。当上述远程监控命令未成功，ARM不删除服务器上的命令邮件，在下次启动远程监控命令的时候再次读取命令邮件，执行远程控制命令。

本发明未详细阐述部分属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种具有在线远程监控的风能资源记录仪，其特征在于包括：传感器数据采集单元、DSP处理单元、现场人机交互单元和在线远程监控服务单元；其中：

传感器数据采集单元有两类通道：第一类是风速传感器的脉冲计数采集通道，转换结果是单位时间内脉冲的个数，即脉冲频率；第二类是其余传感器，包括风向、温度、大气压力、湿度传感器的模拟电压采集通道，转换结果是电压；

DSP处理单元，对传感器数据采集单元输出的脉冲频率和电压进行读取，并计算、储存；控制在线远程监控服务单元发送电子邮件数据；控制现场人机交互单元完成键盘和液晶显示器的人机交互；控制在线远程监控服务单元实现记录仪在线远程监控管理；

现场人机交互单元，通过总线与DSP处理单元连接，实现即时显示传感器数值、记录仪工作状态、记录仪功能自检、功能参数设置；

在线远程监控服务单元，在DSP处理单元的控制下完成风能资源信息和记录仪自检状态的电子邮件发送；与DSP处理单元配合完成记录仪的在线远程监控管理，所述的记录仪的在线远程监控管理包括记录仪接收远程控制命令，所述的控制命令包括更改系统参数、读取记录仪自检状态和更新DSP处理单元的主程序；所述的在线远程监控服务单元包括ARM和GPRS模块，或ARM和CDMA模块；所述的ARM包括数据通信单元、格式转换单元、网络接入单元、邮件发送单元、邮件接收单元和命令识别单元；

所述在线远程监控服务单元工作过程为：DSP处理单元控制ARM启动，ARM的数据通信单元按照DSP与ARM的串行通信协议开始工作，DSP向ARM发送风能资源数据，当数据通信单元接收到完整的一天数据后，格式转换单元把接收到的完整的一天数据进行格式转换，格式转换指按照远程计算机能够识别的格式，把一天的风能资源信息、记录时间、记录仪参数整合到单一文件；格式转换后的文件经过邮件发送单元和网络接入单元发送；当数据发送结束后，DSP处理单元启动远程控制服务，邮件接收单元查收对应的邮箱，如果有含有控制命令的邮件，由命令识别单元对邮件中的控制命令进行识别；当收到读取记录仪自检状态命令后，DSP调用状态自检功能，记录仪自检状态结果由DSP控制ARM通过电子邮件发送；当收到更改系统参数或更新主程序的命令时，ARM的命令控制单元识别附件中的数据，并通过数据通信单元发送给DSP处理单元，DSP处理单元按次序把接收到的数据写入其存储器单元，完成系统参数或主程序的更改，该过程完成后，ARM控制DSP处理单元重启，DSP处理单元即可加载新写入的程序代码，从而完成DSP处理单元主程序的更新。

2.根据权利要求1所述的具有在线远程监控的风能资源记录仪，其特征在于：所述的传感器数据采集单元包括：多路风速传感器，多路风向、温度、大气压力和湿度传感器，过压保护电路，比较器，CPLD计数器和A/D转换芯片；多路风速传感器输出的正弦电压信号和多路风向、温度、大气压力和湿度传感器电压信号经过压保护电路后，多路风速传感器输出的正弦电压信号经过比较器转换成方波信号，输入到CPLD计数器，再由DSP处理单元采集；多路风向、温度、大气压力和湿度传感器输出的电压信号经过运放调理电路输入到A/D转换芯片，由DSP处理单元采集。

3.根据权利要求1所述的具有在线远程监控的风能资源记录仪，其特征在于：所述的DSP处理单元对传感器数据采集单元输出的脉冲频率和电压进行读取，并计算、储存的过程为：

(1)对风速的处理：DSP每隔3秒读取CPLD计数器值的增量，即当前值减去上一次的计数器值，储存到缓冲区，每隔10分钟读取一组数据，从读取的一组数据中选取出最大值、最小值，计算出平均值和方差值，风速按照下述公式计算并储存，

v＝Δ×0.765+0.35，v为风速，单位为m/s，Δ为单位时间脉冲数，单位为Hz；

(2)对风向、温度、湿度、大气压力的处理：DSP每隔3秒读取A/D转换芯片的数值，储存到缓冲区，每隔10分钟读取一组数据，从读取的一组数据中选取出最大值、最小值，计算出平均值和方差值，风向、温度、湿度、大气压力四个数值按照下述公式计算并储存，风向：θ为风向角度，单位为度，U为采集的电压，单位为V，

温度：T＝U×55.55-86.38，T为温度，单位为℃，

大气压力：P＝U×21.79+10.55，P为大气压力，单位为kPa，

湿度：H＝U×20，H为湿度，单位为％。

4.根据权利要求1所述的具有在线远程监控的风能资源记录仪，其特征在于：所述的风速传感器最多可达12路，风向、温度、湿度、大气压力传感器最多可达8路。

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