基于WSNs的水轮发电机组振动监测系统设计*

张晓莉，冯梅琳，王 军

（江西理工大学机电工程学院，江西赣州 341000）

0 引言

目前，国内外水轮发电机振动和摆度监测系统均采用基于信号电缆或通信电缆的有线工业数据采集系统，适用于单台机组配备一套监测系统的永久性系统结构模式，该模式在我国水电厂的推广应用过程中存在以下2个突出问题:1）对于大型水轮发电机组，一般配置使用的传感器数量较多，且分布在水轮发电机组各个工作层面。若采用有线信号传输方案，则电缆敷设工作量大，并且安装与拆卸工作量大，使用极为不便。2）对于拥有多台发电机组的中小型水力发电厂，一般只需在机组安装、大修后以及检修时段对机组进行振动检测，无需每台机组配置一套永久性监测系统，因而，采用有线信号传输模式的系统造价在众多中小型水力发电厂难以承受，不利于推广应用。而无线传感器网络（WSNs）振动监测系统，通过设置多个无线传感器节点，把各个传感器节点实时监测到的有关被测参数发送给监控中心的计算机，监控中心的计算机对采集到的数据进行分析处理，并结合以往的基础数据相比较，判断水轮发电机组是否具有潜在危险，从而完全摆脱了永久性监测系统的有线困扰，为采取相应措施提供决策依据［1］。

1 无线振动监测系统体系

1.1 监测系统体系结构

本系统由数据采集网络和中央信息采集控制中心两部分组成，其中，数据采集网络是基于IEEE 802.15.4标准的Zig Bee技术进行无线数据通信，并采用Chipcon生产的CC2430，CC2431设计网络节点，是由大量的WSNs节点、汇聚节点、数据传输模块组成的分布式WSNs系统;中央数据采集控制中心由数据采集监控软件、配置模块、数据库等部分组成［2］。监测系统的体系结构如图1所示。

图1 监测系统体系结构图Fig 1 Architecture structure diagram of monitoring system

1.2 工作流程

当计算机发送命令以后，网关（汇聚节点）接收命令，首先，判断是不是可用的命令，如果可用，根据命令判断计算机需要哪个节点的信息，并向该节点发送命令要求将对应数据传回网关。然后，再将接收到的指定节点的信息通过传感器网络按既定格式发送给PC机，PC机经过数据标定处理、数字滤波、数据压缩模块、将数据送入到实时数据库中进行实时数据处理并显示。最后，再根据系统的设定（如定期或者定量）将实时数据库中的数据送入到历史数据库中。

2 WSNs节点设计

2.1 硬件设计

WSNs节点要实现对信号数据的采集、预处理和无线传输。在功能上，传感器节点一般可以划分为传感功能模块（传感器和调理电路）、处理器功能模块（MCU和内存）、无线通信功能模块和电源功能模块。传感模块用于获取被监测区域内监测对象的信息，并进行数据转换。处理器模块用于处理存储传感器采集的信息数据，并负责协调传感器节点各部分的工作。无线通信模块负责将处理器输出的数据通过无线信道和传输网络传送给远程的监控中心。电源功能模块给传感器节点提供所需的能量。

在设计中，系统采用Chipcon公司生产的CC2430芯片作为系统的射频芯片，使得处理器模块和无线通信模块集成在一起。本系统的网络节点硬件结构示意图如图2所示。

图2 WSNs节点体系结构Fig 2 Architecture structure of WSNs node

CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了Zig Bee射频（RF）前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有128 kB可编程闪存和8 kB的RAM，还包含模拟数字转换器（ADC），4个定时器（timer），AES—128协同处理器，看门狗定时器（watchdogtimer），32 kHz晶振的体眠模式定时器，上电复位电路（power-on-reset），掉电检测电路（brown-out-detection），以及21个可编程I/O引脚。引脚与外围电路如图3所示。

2.2 软件设计

图3 CC2430外围电路Fig 3 Peripheral circuit of CC2430

Zig Bee网络支待3种类型拓扑结构:星形结构、网格状结构和串状结构，本系统使用串状结构网络实现通信，网络配置1个网关、1个或多个路由器、多个传感器节点。数据采集节点（传感器节点）与网络协调节点（网关）间将通过多跳数据转发机制进行数据传输，其中还需要路由协议进行分组转发操作［3］。网关节点CC2430数据采集软件流程图如图4所示，传感器节点数据采集流程图如图5所示。

图4 网关节点数据采集程序流程图Fig 4 Flow chart of gate node’s data acquisition program

图5 传感器节点数据采集程序流程图Fig 5 Flow chart of sensor node’s data acquisition program

3 监测系统软件开发

系统采用VB与VC++混合编程的方法进行开发，VB与VC++混合编程代表着当前软件开发的一个方向，用VB可以快速开发出应用程序的界面和数据处理等模块;用VC++可以编写进行底层访问的DLL函数，以实现访问内存和硬件端口的操作等，VC++中还可以嵌入汇编语言进行更底层的操作，VC与VB的两者结合使程序开发的效率大大提高。使用VC++编制的动态链接库DLL以克服VB不能直接针对输入输出端口的缺点，并调用标准的API函数来实现动态曲线的绘制和平滑移动等用VB难以实现的功能。

根据对本系统所要实现的功能分析，开发软件的主要功能模块包括以下几个部分:实时数据采集与控制模块、数据标定处理模块、数据滤波压缩模块、实时数据库模块、实时动态曲线显示模块、历史数据管理模块、系统管理模块、报警数据库及其管理模块、多线程技术模块、帮助模块，如图6所示。

图6 机组振动监测系统软件功能图Fig 6 Software function diagram of vibration monitoring system of hydro-generator set

4 存在的问题与解决方案

1）系统目前的节点数较少，如果网络规模扩充，网络探测时延会随着网络节点数目的增多而加长，这种时延对时间要求不高的系统可以接受，但网络的动态拓扑与调整则出现明显滞后，此问题可在路由协议和MAC协议方面做更进一步的研究解决［4］。

2）在本设计中，对各个节点传送的数据进行了压缩处理，适当地降低了系统的功耗，若要进一步降低功耗，可继续深入对外部能源利用、传感器节点协调工作、通信协议优化等方面进行研究。

3）本设计中实现的水轮发电机组振动监测系统仍然无法进行完全自组织组网，在节点加入的过程中仍然需要人工一定的干预，虽然这样组网方式的安全性相对而言比较高，但是在许多的情况下组网缺乏便利，这个不足可通过进一步对应用层的软件设计进行弥补。

4）所设计的监测系统数据收发模块速度较慢，节点处理能力不足，通过分析可探索通过在CC2430上集成DSP组成双处理器节点来进一步提高数据传输速度和节点处理能力。

5 应用实例

某水电厂有额定功率0.9MW的水轮发电机组，额定转速为210 r/min，实验水头20 m。使用本振动监测系统测得的下机架垂直、水平振动曲线，水导X向、Y向摆度振动曲线如图7、图8所示。实验结果表明:系统运行满足设计要求。

图7 下机架垂直与水平振动曲线Fig 7 Vertical＆horizontal vibration curve of lower frame

图8 水导X向与Y向摆度振动曲线Fig 8 Swing vibration curve of water mediated X，Y directions

6 结论

开发了基于WSNs的水轮发电机组振动监测系统，重点讨论了采用CC2430完成的WSNs节点的设计，并介绍了用VB和VC++开发完成的系统软件，实现了对水轮发电机组的无线监测。系统不仅摆脱了永久性监测系统的有线困扰，而且能够以更有效、更灵活、更低的成本来完成水轮发电机组振动监测功能。因此，系统有着广阔的前景。

［1］李 辉，张鹏举，杨国清，等.基于CC2430的水轮发电机组无线振摆监测系统研究［J］.电网与清洁能源，2009，25（1）:55－58.

［2］鲁 宁.基于Zig Bee的井下无线传感网络系统设计［J］.信息技术，2010，31（2）:13 －15.

［3］任丰原，黄海宁，林 闯.无线传感器网络［J］.软件学报，2003，14（7）:1282 －1291.

［4］李建中，李金宝，石胜飞.传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展［J］.软件学报，2003，14（10）:1717 －1727.