鄔春明，楊　濤，張金強（東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院，吉林吉林132012）

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基于ZigBee的風(fēng)電機艙火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計*

鄔春明，楊濤*，張金強
（東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院，吉林吉林132012）

摘要：為了解決風(fēng)電機組中火災(zāi)隱患帶來的損失，提出了基于ZigBee的風(fēng)電機艙的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)由傳感器采集節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點，以及監(jiān)控中心節(jié)點組成。采用CC2530作為處理器來控制傳感器采集風(fēng)機艙內(nèi)主要的火災(zāi)隱患位置，在協(xié)調(diào)節(jié)點匯聚，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)處監(jiān)控中心。通過實驗和測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可靠性高，預(yù)警準(zhǔn)確，能夠有效的監(jiān)測各區(qū)域的各個時間段的運行情況，從而能夠保證風(fēng)電機組安全、穩(wěn)定的運行。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機艙；防火；CC2530；GPRS網(wǎng)絡(luò)；軟件平臺

項目來源：國家自然科學(xué)基金項目（61301257）；2013吉林省科技發(fā)展計劃項目（20130206050GX）

由于全球能源供應(yīng)緊張，環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，作為綠色能源的風(fēng)能已受到世界各國的高度關(guān)注和重視。2014年3月，中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會正式公布《2013年中國風(fēng)電裝機容量統(tǒng)計》。2013年中國（不包括臺灣地區(qū)）新增安裝風(fēng)電機組9356臺，裝機容量16 088.7 MW，累計安裝風(fēng)電機組63120臺，裝機容量91 412.89 MW，年增長21.4%。年發(fā)電量達(dá)到1 400億kW·h。預(yù)計到2020年，風(fēng)電裝機容量將達(dá)到1.5×105MW［1］。隨著風(fēng)電機組的容量的加大，風(fēng)電機組的火災(zāi)隱患也日益的突出，因此預(yù)防風(fēng)電機組火災(zāi)的發(fā)生也成為風(fēng)電機組研究的熱點課題。

機艙內(nèi)有主軸、潤滑散熱系統(tǒng)、齒輪箱、剎車系統(tǒng)、發(fā)電機、提升機、偏航軸承、偏航驅(qū)動、機艙底座、照明系統(tǒng)、傳輸電纜、控制柜等［2］。容易由于高溫運行、通風(fēng)不良、過熱老化、潤滑油泄露、高速制動和極端惡劣氣候條件等原因引起火災(zāi)［3］。

葉輪部分會因葉片遭受雷擊、電機超負(fù)荷運行、控制系統(tǒng)過熱老化擊穿等原因引起火災(zāi)。塔柱一般為中空圓柱形，設(shè)有數(shù)個平臺，內(nèi)有爬梯、傳輸控制電纜，塔架底層設(shè)有變頻柜、控制柜等。容易由于控制柜空間狹小、通風(fēng)不良、電氣元件過熱老化擊穿，電纜過流絕緣能力降低而引發(fā)火災(zāi)［4］。

目前在線監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)在農(nóng)業(yè)［5］、醫(yī)療［6-7］、航海［8］、風(fēng)電［9-10］等領(lǐng)域得到廣泛的利用，國內(nèi)外關(guān)于風(fēng)電機組在線檢測技術(shù)也比較成熟，并且開發(fā)了一些專用監(jiān)測設(shè)備［11］。其中風(fēng)電機艙是風(fēng)電機組的重要組成部分，且風(fēng)電機組的主要設(shè)備都在機艙內(nèi)，因此風(fēng)電機艙的安全、穩(wěn)定的運行是風(fēng)電機組安全運行的關(guān)鍵。本文火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)主要針對風(fēng)電機艙的監(jiān)測。

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1系統(tǒng)組成及工作原理

風(fēng)電機艙監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感器采集節(jié)點、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心節(jié)點等3部分組成，將傳感器節(jié)點部署在風(fēng)電機艙內(nèi)主要的火災(zāi)隱患易發(fā)生位置，主要監(jiān)測的關(guān)鍵部位有齒輪箱潤滑油溫度、發(fā)電機線圈溫度、發(fā)電機前軸承溫度、發(fā)電機后軸承溫度、控制柜溫度等。傳感器采集節(jié)點將采集得到的實時數(shù)據(jù)（各監(jiān)測區(qū)域的溫濕度和煙霧濃度等）匯集到協(xié)調(diào)器節(jié)點，再通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測中心，在監(jiān)測界面中設(shè)定了各數(shù)據(jù)的閾值，當(dāng)溫度或煙霧濃度超過閾值，則指示燈報紅，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到工作人員手里的手持終端，工作人員可根據(jù)手持終端開啟滅火系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

1.2協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計

協(xié)調(diào)節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)的核心部分，負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分配，是數(shù)據(jù)采集的節(jié)點的匯聚節(jié)點，將匯聚來的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪h(yuǎn)處的監(jiān)控中心，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

1.3CC2530外圍模塊電路

處理器采用CC2530芯片，芯片及外圍電路圖如圖3所示。滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM波段應(yīng)用，以及ZigBee對低成本，低功耗的要求；集成了增強型高速8051內(nèi)核處理器，8 kbyte的RAM，多達(dá)256 kbyte的閃存以及支持更大的應(yīng)用。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2　ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點模塊

圖3　CC2530外圍模塊電路

1.4電源模塊

ZigBee模塊采用3.3 V電壓供電，當(dāng)電壓達(dá)不到3.3 V時，對收發(fā)產(chǎn)生一定的影響。該系統(tǒng)通過變壓芯片，由5 V轉(zhuǎn)3.3 V，提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)［12］，電路圖如圖4所示。

圖4　電源模塊

由于大型風(fēng)電機組利用大型的機械設(shè)備進(jìn)行發(fā)電，產(chǎn)生機械振動能，將其轉(zhuǎn)換為電能，無需布線和電池，就可以提供驅(qū)動傳感器的能量，減少因更換電池帶來的不便。該設(shè)計可以安裝到狹小的空間和大型機械設(shè)備，而且在不需要維護(hù)的情況下無限期工作，尤其適合需要常使用壽命、高溫運行或者人員難以接近的應(yīng)用中。

1.5溫濕度采集節(jié)點設(shè)計

該系統(tǒng)通過采用SHT11數(shù)字溫濕度傳感器對機艙的各監(jiān)控位置的溫濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并將MCU1微控芯片進(jìn)行控制，其電路圖如圖5所示。

圖5　溫濕度采集模塊電路

1.6煙霧傳感器模塊

該系統(tǒng)的煙霧傳感器采用MQ-2，在可燃?xì)怏w或煙霧中MQ-2煙霧傳感器的電阻會有相應(yīng)的變化，電路圖如圖6所示。

圖6　煙霧傳感器電路圖

2　系統(tǒng)的軟件設(shè)計

ZigBee模塊上電后，CC2530硬件設(shè)備初始化并嘗試加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)加入到網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點進(jìn)入低功耗的休眠模式。當(dāng)定時器發(fā)生中斷，進(jìn)入工作模式，通過傳感器采集數(shù)據(jù)，并將溫度等數(shù)據(jù)向上層傳輸。之后檢查數(shù)據(jù)是否傳輸完成，成功則再次進(jìn)入休眠模式，等待下次中斷發(fā)生，否則重新發(fā)送［13］，程序流程圖如圖7所示。

協(xié)調(diào)節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)的核心部分，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分配，以及數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)，協(xié)調(diào)節(jié)點首先初始化CC2530并建立一新ZigBee網(wǎng)絡(luò)，然后進(jìn)入無線監(jiān)測模式。在此狀態(tài)下，判斷信號是入網(wǎng)信號還是傳感器的檢測數(shù)據(jù)，以此決定是分配地址或是將數(shù)據(jù)傳到GPRS模塊。

圖7　傳感器節(jié)點程序流程圖

圖8　協(xié)調(diào)節(jié)點程序流程圖

3　監(jiān)控中心模塊

監(jiān)控中心具歷史數(shù)據(jù)查詢、顯示歷史數(shù)據(jù)曲線、開始查詢、打印輸出、報警模塊、啟動和關(guān)閉滅火系統(tǒng)、以及返回監(jiān)控中心等功能，監(jiān)控中心模塊圖如圖9所示。

風(fēng)電機組運行參數(shù)監(jiān)測、故障診斷以及控制管理平臺界面如圖10所示，風(fēng)電機組正常運行時，狀態(tài)指示燈綠燈點亮；當(dāng)溫度值超過了設(shè)定的著火點的臨界值時或者煙霧傳感器感覺到煙霧濃度較大時，紅燈就會點亮，因此監(jiān)控中心工作人員可以根據(jù)實際情況控制并啟動滅火系統(tǒng)。

1號機組歷史數(shù)據(jù)查詢界面如圖11所示，顯示各個容易發(fā)生火災(zāi)故障的數(shù)據(jù)信息。

1號機組溫度曲線圖形界面如圖12所示，打印歷史數(shù)據(jù)信息，并通過描點畫出歷史溫度曲線，使監(jiān)控人員更直觀的了解溫度的走勢。

圖9　監(jiān)控中心模塊

圖10　風(fēng)電機組運行參數(shù)監(jiān)測中心

圖11　1號機組數(shù)據(jù)查詢平臺界面設(shè)計

圖12　機組溫度曲線圖

4　系統(tǒng)測試

在系統(tǒng)測試部分，采用是杭州丘捷公司生產(chǎn)的CC2530系列開發(fā)板，這套開發(fā)板包括2個Q2530EB多功能開發(fā)板和3個Q2530BB開發(fā)板，Q2530EB板和Q2530BB板擁有串口液晶顯示接口、RS232接口、5V電源接口、USB供電接口等多個接口，系統(tǒng)支持2.4GHz-IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)以及ZigBee2007/PRO標(biāo)準(zhǔn)。其開發(fā)套件實物圖如圖13所示。

圖13　ZigBee開發(fā)套件實物圖

通過溫度模塊對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集來檢驗系統(tǒng)的可靠性，終端節(jié)點采集到的溫度數(shù)據(jù)通過節(jié)點發(fā)送給協(xié)調(diào)節(jié)點，協(xié)調(diào)節(jié)點再通過串口線與電腦連接，采集到的數(shù)據(jù)就可以在顯示器中顯示出了。通過測試結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。

5　總結(jié)

該系統(tǒng)以成熟的ZigBee技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機組火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)中，通過短距離無線通信技術(shù)對風(fēng)電機艙內(nèi)的主要火災(zāi)監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行采集，最終通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)處監(jiān)控中心，進(jìn)行故障監(jiān)測，并且當(dāng)發(fā)生火災(zāi)事故或有火災(zāi)安全隱患時，啟動滅火系統(tǒng)，保證風(fēng)電機組安全、穩(wěn)定的運行。

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鄔春明（1966-），男，漢族，吉林省吉林市，碩士學(xué)位，東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，從事無線通信技術(shù)領(lǐng)域科學(xué)研究與教學(xué)工作，wuhi1966@ 126.com；

楊濤（1991-），男，漢族，江西省撫州市，東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院研究生，主要從事無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位及系統(tǒng)硬件設(shè)計的研究，452065227@qq.com；

張金強（1987-），男，漢族，河北省邯鄲市，東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院研究生，主要從事無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位，joy?brick@126.com。

Design and Implementation of Wireless Voltage Monitoring System Based on ZigBee

YANG Yong*

（Huai’an College of Information Technology School of Electronic Engineering，Huai’an Jiangsu 223003，China）

Abstract：A low cost wireless voltage monitoring system based on ZigBee wireless transmission which contains a new floating voltage sensor was proposed. It is suitable for medium and high voltage（MV/HV）of public equipment monitoring. The system uses TI-CC2530 as the controller and through reasonable hypothesis proposes a new mov?ing average voltage sensing（MAVS）algorithm，and the single-phase and three-phase voltage applied algorithm are analyzed in theory. The actual experiment finally to wireless floating voltage sensor uses in the voltage up to 30 kV，the experimental results show that the proposed low cost wireless voltage sensor can realize the functions of voltage monitoring well，error is less than 3%.

Key words：voltage monitoring；voltage sensor；ZigBee；MAVS algorithm

doi：EEACC：7310B；721010.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.045

收稿日期：2015-04-12修改日期：2015-08-31

中圖分類號：TN92

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-9490（2016）01-0216-06