基于LabVIEW和ZigBee的垂直轴风力机无线监测系统

曹艳华，曹　阳，2，吴国庆，2，时玉娟，李巧梅

（1.南通大学机械工程学院，江苏 南通 226019；2.江苏省风能应用技术工程中心，江苏 南通 226019）

基于LabVIEW和ZigBee的垂直轴风力机无线监测系统

曹艳华1，曹阳1，2，吴国庆1，2，时玉娟1，李巧梅1

（1.南通大学机械工程学院，江苏 南通 226019；2.江苏省风能应用技术工程中心，江苏 南通 226019）

风力机监测系统对风力发电机的研究应用具有重要意义。针对目前垂直轴风力机（vertical axis wind turbine，VAWT）监测系统发展不够成熟的问题，设计一种基于ZigBee无线通信技术的垂直轴风力机在线监测系统，并基于LabVIEW虚拟仪器技术编写上位机界面，实现监测参数在线采集与数据存储。实验表明：该系统能够实时采集风力机的运行参数与环境参数，完成监测任务，具有较好的应用前景。

无线监测；垂直轴风力机；LabVIEW；ZigBee

0　引　言

风力发电机有水平轴式和垂直轴式两大类，其中垂直轴风力机是一个新的发展方向[1]，其监测系统可以准确测试风力发电机本身及其相关参数，测试结果可作为改进风力发电机性能的必要根据。因此，垂直轴风力机无线监测系统的研究对垂直轴风力机的研究、推广及应用具有重要意义[2]。

当前，国内外水平轴风力机监测技术较为成熟，如德国Pruftechnik公司的VIBXPERT FFT数据采集与信号分析仪，丹麦MitaTeknik公司的WP4086状态监测系统，新疆风能研究所的通用风电场中央及远程监控系统，阜特科技研发的SCAD系统和CMS系统等。虽然水平轴风力机监测系统比较成熟，但不能直接用于垂直轴风力机[3]。一方面由于各生产厂商之间的技术保密，导致这些监控系统只能用于特定的机型，适应性较差，另一方面垂直轴风力机和水平轴风力机在启动风速、额定转速、发电功率、叶片受力等参数方面都有很大不同。

为此，本文设计了一种基于ZigBee平台的垂直轴风力机无线监控系统，以CC2530芯片为监测终端，组成无线通信网络。通过串口总线连接电脑，用LabVIEW作为监控平台。本系统能够实现对垂直轴风力机运行参数的远程监测，将无线通信技术与虚拟仪器技术相结合，实现垂直轴风力机监测系统智能化，并且节约了人力，降低了管理成本。

1　总体方案

无线传感器节点通常在空旷的监测环境中使用，大量的传感器节点分布在被监测区域，各节点之间采用基于ZigBee协议的无线方式形成具有多跳的自组织网络，最终将监测的数据传送到监测中心。ZigBee是一种具有统一技术标准的无线通信技术，其PHY层和MAC层协议由IEEE802.15.4制定，网络层由ZigBee技术联盟制定[4]。

本文设计的垂直轴风力机无线监测系统由基于ZigBee的无线数据采集系统和基于LabVIEW的风电监测系统组成。它由上位机、协调器和传感器节点3部分组成，该系统框架如图1所示。其中，数据采集系统用于采集并处理垂直轴风力机的各种运行参数与环境参数，包括风力发电输出电流、发电机的转速、风速等。垂直轴风力机无线监测系统的运行参数经数据采集系统采集、处理后，利用ZigBee无线传输模块传送至计算机，最终在基于LabVIEW人机交互平台上显示，同时存储于计算机的硬盘中。

图1　垂直轴风力机无线监测系统结构图

2　基于ZigBee无线数据采集模块的搭建

2.1传感器的选择

风力发电机监控参数主要有以下4种[5]：1）发电机参数，包括各相电压、电流、功率、总有功功率、总无功功率、功率因数、发电量和频率等；2）环境参数，如温度、风速、风向、天气情况等；3）机械参数，如发电机转速、形变参数、振动状况等；4）状态参数，如报警状态、工作状态、变浆状态等。针对目前自主设计的垂直轴风力机，以风速、风力机转速和发电机的输出电流3个监测参数为例来介绍垂直轴风力机无线监测系统。

2.1.1风速传感器

风速是风力机监测系统中一个重要的监测参数。风速的获取是准确测量风轮的启动特性、机械输出特性、空气动力特性以及机组功率输出特性等性能参数的必要条件。因此，在监测系统中，必须选择合适的风速传感器，实现风速信号实时准确地测量。

目前，常用的风速传感器有4种：风杯风速仪、毕托管风速仪、热线热膜风速仪、超声波测风仪。本文选用风杯风速仪，因其成本低、使用方便、基本不需要维护、转速与风速基本上成线性关系、抗强风能力强、配合风向标可测风速和风向[6]。

2.1.2转速传感器

测量风力机转速与风速相结合可以检验风力机捕捉风能的能力，常用的转速传感器有霍尔效应式、电容式、光电式、变磁阻式等。本文选用的是霍尔式转速传感器。霍尔式转速传感器具有体积小、结构简单、使用寿命长、可靠性高、使用温度范围宽、可连续测量等优点，与其他类型的转速传感器相比有不受光线、大气压力、温度和振动等因素影响的特点，可以较好地满足风力机监测系统的应用需求[7]。

2.1.3电流传感器

测量发电机输出的交流电与电压数据相结合可得到系统功率输出能力参数。电流的采样选用CSM025AY型闭环霍尔电流传感器，该传感器可在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电流[8]。各传感器具体型号及参数如表1所示。

表1　传感器的选型及其具体参数

2.2网络节点的硬件设计

无线数据采集模块主要由传感器节点（从节点）和协调器节点（主节点）两部分组成。从节点和主节点都选用ZigBee模块，分为RS232（DRF2617A）、USB（DRF2618A）、RS485（DRF2619A）3种接口，用法一样，可以无线互通，如图2所示。ZigBee模块的核心是TI公司CC2530F256芯片，内部运行ZigBee 2007/PRO协议栈，具有ZigBee协议的全部特性。针对复杂的ZigBee协议，将协议栈嵌入模块内部，只留出串口，用户无需了解ZigBee协议栈，只需要读写串口，即可实现数据无线传输，简单易用，非常适合嵌入用户系统。

图2　传感器节点硬件逻辑图

表2　ZigBee模块电气参数

传感器节点是本系统的终端节点，除了ZigBee模块，还包括传感器部分、Arduino单片机、电源模块和调试接口及开关。传感器节点硬件结构如图2所示。其中Arduino单片机既可以采集传感器的数字信号也可以采集模拟信号进行数字转换，然后传送给ZigBee模块进行无线传输。

协调器节点主要负责建立、管理、维护网络，采用与传感器节点相同的ZigBee模块。因为协调器相对于传感器节点，大部分时间一直处于工作状态，所以不能采用电池供电。其电源采用220V转5V电源。其他硬件电路与传感器节点相同，其结构框架如图3所示。

图3　协调器节点硬件逻辑图

ZigBee模块用配置软件来设定及读取模块的基本参数，模块需设置4个参数：PAN ID、波特率、节点类型、无线频道。传感器节点中的模块节点类型应设置成Router，协调器节点中的模块节点类型应设置成Coordinator。同一个网络内的每个节点需要有相同的PAN ID和无线频道，所以Coordinator和Router需要设置相同的PAN ID和无线频道。同一个网络内，多个ZigBee模块与多个设备连接，并不需要全网具有同样的波特率，只需模块与设备之间具有相同的波特率。

3　基于LabVIEW的人机交互平台设计

本文所设计的垂直轴风力机无线监测系统的上位机是采用美国国家仪器NI公司的LabVIEW作为软件平台。上位机的主要功能是与节点进行通信，接收传感器节点的信息。因此上位机要实现传感器信息接收，数据显示、处理和分析以及控制指令发送等功能。上位机程序主要分为串行通信模块、数据接收模块、数据处理模块、数据显示模块和数据保存模块[9-10]。

在控制程序设计中，通过虚拟仪器软件架构（virtual instruments software architecture，VISA）控件来实现LabVIEW控制程序与硬件的通信。VISA实质上是一个I/O口软件库及其规范的总称。在LabVIEW中利用VISA节点进行串行通信编程。VISA共包含5个节点，分别实现初始化串口、串口写、串口读、中断及关闭串口等功能。在进行PC机和无线采集模块

图4　垂直轴风力机上位机监测界面

串行通信前，要先配置串口，即串口初始化，使计算机串口的各种参数设置与无线收发模块的串口参数保持一致，这样才能够保证正确的通信。

系统的监测界面如图4所示，界面可以实时显示风速、风力机转速、发电机输出电流的数值及其变化曲线，并且有传感器参数超限报警功能。该界面能够完成传感器节点数据的显示、存储、历史数据回放等功能。

4　结束语

本文针对垂直轴风力机，设计了基于ZigBee无线通信、基于LabVIEW数据处理平台的垂直轴风力机无线监测系统。系统顺利实现了LabVIEW对ZigBee网络数据的处理。通过实验调试，该无线采集系统达到了设计要求，效果良好。该系统还有很多需要优化的地方，例如，目前只能实现监测还不能实现远程控制。希望接下来的工作可以做到利用无线网络实现远程控制。

[1]戴庚，徐璋，皇甫凯林，等.垂直轴风力机研究进展[J].流体机械，2010（10）：39-43.

[2]姚英学，汤志鹏.垂直轴风力机应用概况及其展望[J].现代制造工程，2010（3）：136-139.

[3]尹少平，焦锦绣，王灵梅，等.风力发电机组无线监测系统设计[J].传感器与微系统，2014（5）：84-86.

[4]沈忠，李强.基于ZigBee技术的无线传感器网络协议的设计[J].微计算机信息，2008（19）：164-165.

[5]王成，王志新，张华强.风电场远程监控系统及无线网络技术应用研究[J].自动化仪表，2008（11）：16-20.

[6]李安迎，邓靖靖，邓世建，等.基于三杯式风速传感器的风速监测站设计[J].电测与仪表，2010（S2）：121-124.

[7]段斌.基于霍尔传感器的转速与转向测量方法[J].通信电源技术，2014（3）：55-57.

[8]马巧娟，郑萍，王晓光，等.基于ZigBee和LabVIEW的多点无线温湿度采集系统设计[J].中国仪器仪表，2009（4）：49-52.

[9]Sung W T，Hsu Y C.Designing an industrial real-time measurement and monitoring system based on embedded system and ZigBee[J].Expert Systems with Applications，2011（38）：4522-4529.

[10]王晓兰，刘徽.基于LabVIEW的风力机模拟装置上位机监控系统设计[J].电气自动化，2012（2）：28-30.

Wireless monitoring system of vertical axis wind turbines based on LabVIEW and ZigBee

CAO Yanhua1，CAO Yang1，2，WU Guoqing1，2，SHI Yujuan1，LI Qiaomei1
（1.School of Mechanical Engineering，Nantong University，Nantong 226019，China；2.Jiangsu Engineering Research Center of Wind Energy Application，Nantong 226019，China）

Wind turbine monitoring system has important meaning to the research，promotion and application of the wind turbines.Aiming at the monitoring system of the vertical axis wind turbine not mature enough，the wireless monitoring system which based on ZigBee is designed for the vertical axis wind turbines.And the PC interface is wrote based on LabVIEW virtual instrument technology.All kinds of parameters can be collected and stored in the database.The experiments show that the operation parameters of vertical axis wind turbines and environmental parameters can be collected in real-time by the system，the monitoring task can be completed and the system has a good application prospect.

wireless monitoring；VAWT；LabVIEW；ZigBee

A

1674-5124（2015）12-0067-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.12.017

2015-07-08；

2015-09-10

国家自然科学基金项目（51376096）南通市科技局应用研究计划项目（BK2011027）

曹艳华（1989-），女，江苏南通市人，硕士研究生，专业方向为风能技术的研究。