基于ARM11的风电场实时采集监测系统

徐海鹏，孙冬梅，何响

(南京工业大学自动化与电气工程学院，江苏南京 211816)

0 前言

国外风电产业发展早，这也使得风电场数据采集监测系统发展比较早。经过几代的发展，风电场数据采集监测系统逐步实现了无线化和网络化。大部分大型风电场都建立了观测网。风电场监控与数据采集系统是目前风电场中使用比较主流的系统。它实现了对风电场的实时数据的集中管理和远程访问、监控等功能［1］。国内的风电场数据采集监测系统起步较晚［2－4］。在20世纪90年代，国内的一些厂商开始引进国外的数据采集监测系统与系统所用的设备及传感器，并对其进行改进和创新。但是对于数据采集监测系统的研究仍然不够，尤其在数据采集与数据传输方面，与国外相比，差距仍然很大，依然远远落后于西方国家。

随着无线传感网络和无线移动通技术的发展，风电场数据采集监测系统也逐渐无线化、网络化和智能化。同时，对于一些环境恶劣的风电场，无线数据采集无疑是最好的方式［5］。传统的数据采集监测系统多采用有线方式通信，不仅线路铺设耗费时间长，风电场的维护成本也增加了很多［6］。作者结合近些年风电场数据采集监测系统的发展，同时考虑到数据采集的完整性、准确性和安全性，设计了基于ARM11的风电场数据实时采集监测系统。

1 数据采集检测系统总体结构设计

根据《风电场风能资源测量和评估技术规定》的规定，设计中的采集风速与风向的无线采集节点安装共三层，依据小型风电场的实际情况，这里分别对应10、25 m和发电机组轮毂中心高度。系统结构图中，前端数据采集采用无线传感网络，数据采集器主要实现数据接收、数据传输以及数据存储等，数据最终上传到远程的数据中心，之后数据中心对采集的数据进行相关处理。风电场数据采集系统总体结构如图1所示。

图1 数据采集系统总体结构

2 组成模块介绍

风电场数据采集监测系统主要由三部分组成，分别是无线传感网络部分、数据采集器部分和远程数据中心部分。无线传感网络部分是风电场数据采集监测的前端，采集节点上挂载相应的传感器实现数据的采集。各个节点采集到的数据最终通过协调器汇总到数据采集器。数据采集器配备了嵌入式数据库，如果网络出现阻塞，数据会暂时存在数据库中，如果网络正常数据会通过General Packet Radio Service(GPRS)模块上传至远程数据中心。

2.1 ZigBee无线传感网络

网络节点之间通信方式采用问答机制，数据的发送与接收采用一定规则的握手协议。采用这一种方式能够有效解决节点数据堵塞的问题。设计中采用的是TI公司的CC2430芯片，芯片运行的协议栈Zstack版本号是 1.4.2－1.1.0。

网络采集节点的结构框图如图2所示，其主要由CC2430接口电路、传感器电路、电源电路、晶振电路、复位电路以及编程接口等构成。其中主控芯片CC2430主要的任务就是读取、处理和发送的功能。传感器输出电流的范围是4～20 mA的电流，通过精密电阻可以将电流值转换为电压值。

图2 采集节点框图结构

2.2 数据采集器的设计与实现

数据采集器是系统中的关键设备。数据采集器的核心采用三星公司生产的S3C6410，芯片搭载WinCE 6.0嵌入式操作系统，采用的嵌入式数据库为SQLite。GPRS模块选用西门子公司的工业级产品。数据采集器采用核心板加底板的模式，方便后期维护。图3为数据采集器的硬件框架结构。

图3 数据采集器硬件框架结构

(1)数据采集器硬件设计

图3中，协调器节点作为无线传感网络的核心控制传感器的数据收发，接收到的数据会通过串口，由主控芯片S3C6410进行处理。S3C6410芯片通过串口控制GPRS模块，并将数据上传至远程数据中心。

(2)数据采集器软件设计

操作系统会在数接收到数据的时候会通过检测网络状态，在网络通信良好的情况下，对数据采用AES加密后通过GPRS网络上传至远程服务器［7－8］;在网络不好的情况下将数据暂时存放至本地嵌入式数据库，等到网络恢复再将数据上传。数据采集器与远程数据中心具备数据交互的功能，数据中心端可以通过GPRS“心跳”来完成对系统主设备的操作。系统嵌入式软件总体框架如图4所示。

图4 系统嵌入式软件总体框架

(3)嵌入式数据库设计

嵌入式数据库不仅仅参与风关键参数的管理、同时还需要具备其他的管理，包括配置管理、用户管理以及信息维护管理。数据采集系统嵌入式软件设计都是以数据库为核心，采用类的概念将数据库提出的任务进行抽象化。尽管设计最初并不知道对象里面具体的结构，但是在用例模型中也能够找到对象的影子。系统类图为设计者提供模型，将系统所有的对象进行抽象化，通过抽象，设计者能够很快地清楚系统的结构设计。系统类图主要由类和接口组成，类图揭示了类与类之间的关联关系，其中部分将转化为实际的功能代码，另外部分转化为数据表。嵌入式系统数据库结构如图5所示。

图5 嵌入式系统数据库结构

2.3 数据中心软件设计

数据中心软件采用VS2005作为开发平台，设计采用MFC开发方式，结合ACCESS数据库实现上位机管理系统的设计。设计的数据中心主要实现对风电场数据的接收、存储、配置以及短期预测等功［9－10］。

数据中心通过调用DLL动态链接库实现短期风速预测功能，DLL动态链接库由MATLAB程序通过C++编译器编译而成。程序采用异步通信方式，避免数据阻塞等其他问题的发生。数据中心软件界面如图6所示。

图6 数据中心软件界面

3 风电场采集监测系统性能测试分析

3.1 系统各个子模块测试

(1)串口数据接收与处理测试

测试通过数据采集器终端串口侦听串口1的数据接收与AES加密过程中的变化过程。终端串口侦听的结果如图7所示。

图7 串口1接收数据测试

(2)GPRS数据传输测试

连接过程中，数据采集器通过串口2发送AT指令，连接成功后始终保持网络在线，然后将GPRS数据包发送至远程数据中心。连接的命令发送完成后会有发送状态返回。如果内容显示OK，则证明发送指令成功。数据采集器有网络状态显示，如果网络不能连接成功，数据采集器就会自动修复网络。数据采集器就处于一直重新连接状态。数据采集器终端串口0侦听的GPRS连接结果具体如图8所示。

图8 GPRS连接测试

(3)数据交互测试

数据中心测试软件的数据采集界面采用ListCtrl控件设计，方便了显示风电场风速、风向、温度、湿度和气压等参数。界面窗口始终显示20条最新的记录。记录超过显示的总数直接向上滚动。此外，在登录系统之后没有连接网络运行时，管理员可以通过时间树对数据库的记录进行索引并查看采集的数据。测试软件通过ADO接口连接ACCESS数据库，每次接收到的数据存储至ACCESS数据库中风参数记录集。数据中心测试软件数据接收如图9所示。

图9 数据中心测试软件数据接收

3.2 系统联合调试测试

系统在经过各个子模块的测试之后，还要联合调试，调试过程中发生各种问题，但是经过不断的完善，是能够达到数据采集的功能。采集到的风电场相关数据如图10所示。

图10 风电场数据实时采集监测界面

数据中心接收到数据之后会参与到下一次的短期的风速预测。风速预测结果如图11所示。

图11 风速短期预测

4 结论

以基于ARM11架构的S3C6410作为风电场远程采集和监测的主控制器。该数据采集与监测系统使用嵌入式WinCE操作系统。实验调试结果表明，该系统具有一定的可靠性，同时与以往的数据采集系统相比，具有价格低廉、管理方便、拓展性能强以及安装方便等优势，具有一定的市场推广价值。

［1］杨斌.风电场气象参数采集与管理系统［D］.哈尔滨:哈尔滨理工大学，2011.

［2］胡学敏.测风塔选址及数据采集对风电场产能评估的影响［J］.农业工程技术(新能源产业)，2011(2):21－22.

［3］郭渊博，杨奎武，赵俭，等.ZigBee技术与应用:CC2430设计、开发与实践［M］.北京:国防工业出版社，2010.

［4］赵敏.基于GPRS网络的无线通信系统的研究和实现［D］.太原:太原理工大学，2008.

［5］杨斌.风电场气象参数采集与管理系统［D］.哈尔滨:哈尔滨理工大学，2011.

［6］杨文华.风电场监控系统现状和趋势综述［J］.宁夏电力，2011，04(4):51－53.

［7］岳乐鹏.风电场风速风向采集及无线通信系统研究［D］.哈尔滨:哈尔滨理工大学，2010.

［8］姚明旭，周旭，朱开乐，等.网络信息安全中加密算法的研究与实现［J］.电脑知识与技术，2011(28):6880－6883.

［9］王树森，武亚.基于ARM-Linux的嵌入式SQLite研究与应用［J］.电脑知识与技术，2010(20):5410－5412.

［10］PITOURA E，BHARGAVA B.Revising Transaction Concepts for Mobile Computing［C］//Proceeding of The IEEE Work shop on Mobile Systems and applications SantaCruz，CA，USA，1994:164－167.