CN105351152A - 一种基于ZigBee与GPRS技术的远程海上风电监测装置 - Google Patents

一种基于ZigBee与GPRS技术的远程海上风电监测装置 Download PDF

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李�瑞
周力
马霞霞
黄雨啸
罗杨
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Abstract

一种基于ZigBee与GPRS技术的远程海上风电监测装置，涉及海上风力发电领域，具体为一种远程海上风电监测通讯系统。其在海上风机的叶片、传动系统、机舱、塔架等部件安装传感器采集风机的运行参数和状态参数，通过ZigBee无线传感器网络汇聚各传感器数据，并通过GPRS网络将数据传输给远程监测平台，监测平台对数据进行解析和进一步的处理，包括实时显示风机的转速、振动、温度、电压、电流等参数，并将监测参数存储到数据库中，对风机的振动信号进行分析，及早发现风机故障，方便维护人员及时对故障进行处理，避免严重事故的发生，减少海上风机的运维成本。

Description

一种基于ZigBee与GPRS技术的远程海上风电监测装置
技术领域
本发明涉及海上风力发电领域，具体为一种远程海上风电监测通讯系统。
背景技术
目前，煤炭、石油等传统能源面临资源枯竭和环境污染两大难题，大力开发清洁能源成为发展的必然趋势。风能作为清洁的可再生能源因其资源丰富、易于开发，得到了迅猛的发展。随着陆上风力发电技术的成熟，海上风电开发备受瞩目。然而，海上风场环境相对陆上更加恶劣，增加了风机的安装和维护难度，风电机组的维护成本较大，成为阻碍海上风电发展的关键因素。目前国内外海上风机的监测大多采用原有陆上风机的监测方案改造得到，监测系统多采用有线通信方式，对于环境恶劣、难以进入的海上风电场，采用光纤、电缆等有线通信方式，布线难度大、成本高，且更易损坏，不利于海上风场的扩容和维护，降低了监测系统的可靠性。
发明内容
本发明解决的技术问题在于克服现有的海上风电监测系统采用有线通信方式的缺点，提供一种基于ZigBee与GPRS技术的远程海上风电监测系统，减少海上风电机组的运维成本，提高监测系统的可靠性。
为达到上述目的，采用的技术方案是：一种基于ZigBee与GPRS技术的远程海上风电监测装置包括：下位机ZigBee无线传感器数据采集单元，ZigBee-GPRS网关和GPRS无线远程通信单元，远程监测平台和数据存储单元；其中，ZigBee无线传感器数据采集单元作为监控设备，采集风电机组的环境、电气、状态和机械参数，并传输给ZigBee-GPRS网关，ZigBee-GPRS网关对数据进行封包后传输给GPRS无线远程通信单元，GPRS无线远程通信单元作为客户端通过GPRS网络将数据发送给远程监测平台，监测平台对数据进行接收、解析和实时显示，并将数据存储到数据库中，通过数据分析对风机状态进行监测和诊断；
其中，所述下位机ZigBee无线传感器数据采集单元包括：传感器模块和ZigBee终端组成的多个数据采集终端、ZigBee路由器、ZigBee协调器构成；其中每个数据采集终端设备采集风电设备的一项状态参数；数据采集终端设备采用无线方式将传感器采集的数据发送给ZigBee路由器，ZigBee路由器汇聚各数据采集终端设备参数后，将数据无线转发给ZigBee协调器；协调器建立和维护整个ZigBee网络，并将监测参数发送给ZigBee-GPRS网关模块。
所述数据采集终端设备采集风电设备的状态参数包括：风速、环境温度、环境温度、机舱温度、结冰状态、波浪状态、叶片桨距角、叶片应变、叶片腐蚀、塔架位移、刹车片磨损、风轮转速、风轮制动温度、风轮轴承温度、主轴位移、发电机转速、发电机线圈U温度、发电机线圈V温度、发电机线圈W温度、发电机轴承温度、发电机加速度、偏航位置、电缆扭转顺时针、电缆扭转逆时针、逆变器温度、齿轮箱油温、齿轮箱轴承温度、齿轮箱行星级轴承位移、齿轮箱中间级轴承加速度、齿轮箱高速级轴承加速度。
所述ZigBee-GPRS网关由STM8S207芯片构成，GPRS无线远程通信单元为SIM300芯片构成；ZigBee-GPRS网关采用中断方式接收ZigBee协调器发送的监测数据，并将数据进行重新封装，通过串口发送给SIM300；SIM300芯片与监测平台实现TCP/IP连接，SIM300将监测数据通过GPRS网络发送给上位机监测平台。
所述数据存储单元采用MySQL数据库，使用LabSQL工具包将监测平台和数据库进行连接，LabVIEW编程实现将接收到的监测数据存储到MySQL数据库中。
有益效果：本发明采用无线通信的方式对海上风机的各项参数进行采集，并通过远程无线通信的方式将参数传输给上位机LabVIEW，降低了风电场的监测成本，同时提高了监测系统的可靠性；采用LabVIEW作为监测平台，降低了用户开发和使用难度，提供直观友好的监测界面，同时用户可以根据实际需要调整界面；该系统具有成本小、稳定性高、易于维护等特点。
附图说明
图1是本发明的系统整体结构图；
图2是无线数据采集和远程无线通信系统结构图；
图3是ZigBee协调器组网流程图；
图4是网关数据通信流程图；
图5是LabVIEW监测平台功能示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步阐述。
首先介绍本发明的系统整体结构，如图1，其中采用风速、风向、转速、位移、加速度、温湿度等传感器采集风机的叶片、传动轴系以及塔架的电气、机械和状态各项参数，监测参数和传感器配置如表1所示。
通过无线传感器网络，对海上风机的健康状况和运行参数进行采集，通过ZigBee-GPRS无线通信网络采用无线方式将数据传输给远程上位机LabVIEW监测平台。上位机LabVIEW对采集参数接收，并进行数据分析和处理，包括风机温度监测模块、风电机组状态监测模块、数据存储和查询模块以及风机振动数据分析模块。
在图2中，将传感器和ZigBee节点通过I/O口连接作为数据采集终端节点，通过ZigBee协调器节点汇集风电机组参数，采集传感器以及ZigBee网络共同组成无线传感器网络，用于收集风电机组的运行参数和状态参数，ZigBee协调器节点通过串口将监测数据传输给网关MCU，MCU将风机监测数据传输给GPRS无线通信模块，无线通信模块通过GPRS网络将数据传输给远程监测平台，实现数据的远程传输，最后由监测中心上位机对数据进行接收和处理。
附图3为无线传感器网络组网流程，首先，终端监测设备上电初始化，判断设备类型，只有FFD设备可以作为协调器节点。若设备为FFD类型，则对网络范围内的信道进行扫描，寻找空闲信道，设置新网络的PAN标识符，建立新的ZigBee网络。ZigBee网络组建成功后，协调器进入监听状态，向网络中其他节点发送信标帧，等待其他节点加入网络。网络中其他节点收到信标帧后，向协调器节点发送入网请求命令，当节点收到入网请求应答消息时，则允许入网，协调器会为其分配一个网络地址，节点成功加入网络。本系统中协调器节点主要作用为建立和维护ZigBee网络，汇集终端节点采集的风机参数，并将接收到的数据发送给GPRS模块。
在图4中，ZigBee终端节点对风机状态参数和环境参数进行采集，通过路由节点将数据转发给协调器节点，协调器节点对数据参数进行汇集封装，通过串口发送给网关单片机，单片机采用中断的方式对串口数据进行接收，之后对接收的数据解析，重新封包，并向SIM300模块发送TCP/IP连接命令，连接成功后，将数据包发给SIM300模块，当数据成功发送时，断开网络连接。
在图5中，对上位机LabVIEW监测平台进行需求分析，根据实际海上风电监测系统的需求，远程监测平台的功能包括监测功能和管理功能。
所述监测功能包括：数据采集、数据接收和解析、数据显示和风机状态监测功能。
所述管理功能包括：历史数据查询、数据分析和远程登录功能。
该领域的技术人员应理解上述实施方式仅用于说明本发明的原理，而不限制本发明的范围，本发明还可做一定的变形和改进，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
表1

Claims (4)

1.一种基于ZigBee与GPRS技术的远程海上风电监测装置包括：下位机ZigBee无线传感器数据采集单元，ZigBee-GPRS网关和GPRS无线远程通信单元，远程监测平台和数据存储单元；其中，ZigBee无线传感器数据采集单元作为监控设备，采集风电机组的环境、电气、状态和机械参数，并传输给ZigBee-GPRS网关，ZigBee-GPRS网关对数据进行封包后传输给GPRS无线远程通信单元，GPRS无线远程通信单元作为客户端通过GPRS网络将数据发送给远程监测平台，监测平台对数据进行接收、解析和实时显示，并将数据存储到数据库中，通过数据分析对风机状态进行监测和诊断；
其中，所述下位机ZigBee无线传感器数据采集单元包括：传感器模块和ZigBee终端组成的多个数据采集终端、ZigBee路由器、ZigBee协调器构成；其中每个数据采集终端设备采集风电设备的一项状态参数；数据采集终端设备采用无线方式将传感器采集的数据发送给ZigBee路由器，ZigBee路由器汇聚各数据采集终端设备参数后，将数据无线转发给ZigBee协调器；协调器建立和维护整个ZigBee网络，并将监测参数发送给ZigBee-GPRS网关模块。
2.如权利要求1所述的一种基于ZigBee与GPRS技术的远程海上风电监测装置包括，其特征在于所述数据采集终端设备采集风电设备的状态参数包括：风速、环境温度、环境温度、机舱温度、结冰状态、波浪状态、叶片桨距角、叶片应变、叶片腐蚀、塔架位移、刹车片磨损、风轮转速、风轮制动温度、风轮轴承温度、主轴位移、发电机转速、发电机线圈U温度、发电机线圈V温度、发电机线圈W温度、发电机轴承温度、发电机加速度、偏航位置、电缆扭转顺时针、电缆扭转逆时针、逆变器温度、齿轮箱油温、齿轮箱轴承温度、齿轮箱行星级轴承位移、齿轮箱中间级轴承加速度、齿轮箱高速级轴承加速度。
3.如权利要求1所述的一种基于ZigBee与GPRS技术的远程海上风电监测装置包括，其特征在于所述ZigBee-GPRS网关由STM8S207芯片构成，GPRS无线远程通信单元为SIM300芯片构成；ZigBee-GPRS网关采用中断方式接收ZigBee协调器发送的监测数据，并将数据进行重新封装，通过串口发送给SIM300；SIM300芯片与监测平台实现TCP/IP连接，SIM300将监测数据通过GPRS网络发送给上位机监测平台。
4.如权利要求1所述的一种基于ZigBee与GPRS技术的远程海上风电监测装置包括，其特征在于所述数据存储单元采用MySQL数据库，使用LabSQL工具包将监测平台和数据库进行连接，LabVIEW编程实现将接收到的监测数据存储到MySQL数据库中。
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