基于LPWA网络的海上风电结构健康数据采集系统

黄煊赫，姚晓东，齐 亮

(1.上海电机学院电气学院，上海 201306；2.上海电气富士电机电气技术有限公司，上海 201100)

0 引言

海上风电场处于条件极为恶劣的自然环境中，海上风机常由于海浪荷载、海上台风以及海水腐蚀等因素的影响而诱发结构损坏，在设备检修与维护不及时的情况下，容易引发安全事故[1]。因此对海上风机结构健康进行监测是保障海上风机安全稳定运行的必要措施。

现有的大部分海上风电场中使用的结构健康监测系统仍沿用了陆地风电场的方案，即利用有线总线进行数据传输，但是在海上布设线缆不仅难度大、成本高，且线缆容易受到海水腐蚀而损坏，从而影响监测系统自身的稳定性，因此有线总线的方式并不适合用于海上风电场监测中，秦旭斌[2]、O. O. ESU等[3]通过理论与实验，提出了利用ZigBee无线局域网技术来解决风电监测系统中数据传输的问题，大幅降低了系统搭建的难度与成本，但是实际海上风电场占地面积大，机组间隔长，ZigBee技术的通信距离欠匹配，网络传输效率低；近年来，LPWA技术凭借功耗低、覆盖广以及智能化程度高等特点，为一些特殊环境中的数据采集提供了新的解决思路，其中王晶等[4]、许鹏程等[5]、徐洋等[6]分别对LoRa技术、NB-lot技术进行深入研究，并分别应用于大气监测、风电维护、煤矿安全等不同领域。

针对目前海上风电结构健康监测系统中布线困难、传输效率低等问题，本文设计了一种基于LPWA(low-power wide-area)网络的海上风电结构数据采集系统，采用CC1310无线MCU为核心搭建数据采集节点，配合多种传感器实时采集海上风机运行时风机塔筒与基础结构的振动特性以及牺牲阳极阴极保护电位，并通过LPWA网络远程汇总至集总协调节点，最后可由4G网络上传至集控中心，工作人员可通过上位机实时监测各机组结构健康状况，便于在机组结构发生异常时及时进行维护与检修。经过实验测试可知，本系统具有通信距离长、传输效率高、稳定性好、组网灵活等特点。

1 系统总体设计

本系统主要由数据采集节点、集总协调节点以及集控中心服务器组成。系统通过多组传感器对机组健康结构数据进行测量，测量的数据经过信号调理电路处理后，通过I2C总线传输到以CC1310为核心的数据采集节点；节点将数据信号进行A/D转换后，再由内部射频电路调制放大并通过天线辐射发送；集总协调器接收到数据信号后由ARM8主控制器进行分析处理，并将数据保存在升压站本地服务器中，最后由4G模块打包数据并将其上传至集控中心服务器；集控中心工作人员通过上位机访问集控中心服务器便可查看各组风机实时的健康安全数据以及历史数据记录，便于对海上风机进行维护与检修。系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框架图

2 系统硬件设计

系统硬件电路主要包括传感器电路、数据采集节点与集总协调节点。传感器电路主要包括传感器与信号调理电路；数据采集节点主要包括采集控制器电路与射频前端电路；集总协调器的电路主要包括射频接收电路和4G模块等。系统硬件的具体框图如图2所示。

图2 系统硬件框架图

2.1 传感器选型与调理电路

海上风机在运行时受到风浪流多种外部动力荷载联合影响而产生风机结构振动，通过采集并分析风机结构振动特性能较好地评估海上风机运行的结构安全[7]。本系统主要采用加速度传感器以及应变式传感器对风机塔筒和基础结构运行时的振动特性进行采集。考虑精度、量程以及体积等因素，选用LIS2DS12三轴式加速度传感器与WFCA-3-11-3L防水应变片。LIS2DS12传感器与MCU通过I2C总线[8]进行通信，由于LIS2DS12传感器的工作电压为1.8 V，系统所使用的CC1310 MCU工作电压为3.3 V，需要对传感器进行电源电压转换与I/O口电平转换。LIS2DS12传感器具体电路如图3所示。

图3 LIS2DS12传感器电路图

海上风机的钢构基础长期处于海洋腐蚀环境中，应力腐蚀和腐蚀疲劳是影响风机基础寿命的主要原因[9]。牺牲阳极阴极保护方法需要定期检测被保护结构与参比电极之间的电位是否处于合理范围，判断结构的阴极保护效果。本系统采用锌参比电极，将电极探头连接风机基础结构；由于电极输出电压信号微弱，将电极输出线缆接入信号调理电路，经过滤波后将电压抬升至0.225～2.225 V，再由内部12位ADC进行数模转换。参比电极的信号调理电路如图4所示。

图4 参比电极信号调理电路图

2.2 采集控制器电路

数据采集节点选用CC1310 MCU为主控制芯片。CC1310芯片集成了高性能微控制器与支持LPWA标准的射频收发器，并设有12位ADC、定时器、GPIO等外设，有利于简化电路以保证数据采集节点体积小，便于在海上风电场中布设。CC1310设有128 KB的FLASH以及8 KB RAM的高性能CPU，支持0.8～3.8 V宽电压范围供电，待机电流仅有0.7 μA，其射频收发器符合IEEE802.15.4标准，适用于433/868/915 MHz等ISM频段。CC1310与传感器组通过I2C总线方式进行通信，通过内置ADC对数据信号进行A/D处理，最后由内部射频电路将信号调制放大到射频频段。本系统采集节点采用3.7 V锂电池供电，通过内部DC-DC转换成芯片内部电路工作电压。CC1310外围电路主要包括电源电路、晶振电路以及复位电路等。CC1310具体外围电路图如图5所示。

图5 CC1310主控芯片外围电路图

2.3 射频前端电路

本系统采集节点的射频前端电路采用了SKY66115功放芯片，其内部集成了功率放大器以及逻辑控制器，最高输出功率为20 dBm。将功放芯片CTX脚与CSD脚分别与CC1310控制芯片的DIO_1和DIO_30引脚相接，即可控制SKY66115内部开关的收发切换以及功放的休眠。射频信号经过功放增强后从ANT口输出，经过低通滤波电路减低杂散辐射后传至天线。射频天线采用螺旋型板载天线，电容ANT1、电容ANT3以及电感ANT2组成天线开关电路，另外在电路上拓展了一个天线SMA接口，可以根据实际需要选择合适的外接天线。射频前端具体电路图如图6所示。

图6 采集节点射频前端电路图

2.4 射频接收电路

集总协调节点通过LPWA网络与各风机的数据采集节点进行通信，收集汇总各海上风机的结构健康数据。集总协调器节点的射频接收电路选用CC1101射频收发芯片，该芯片接收功耗低且响应速度快，收发器灵敏度最高可达到-120 dBm，适合进行长距离通信。射频信号由天线接收，通过T型滤波电路滤去高次谐波。由电容C131、C121、C124与电感L121、L131组成的巴伦电路进行信号平衡/非平衡转换，最终信号从RF_N与RF_P差分接口进入CC1101芯片，CC1101芯片通过四线SPI与AM3352进行通信，将接收到的数据传输给AM3352进行处理。集总协调节点射频接收电路图如图7所示。

图7 协调节点射频接收电路

2.5 4G模块

本系统的集总协调节点将数据汇总后，通过4G模块将数据传输至集控中心服务器，4G网络主要起到数据中继传输的作用。EC20 4G-LTE模块是一款高性能工业级4G模块，支持130 Mbit/s最大下行速率与50 Mbit/s最大上行速率，具有响应速度快、稳定性好、体积小等特点，并能同时兼容GSM/GPRS网络。EC20模块通过USB串口线与ARM8进行通信，可使用AT命令对其进行参数配置。

3 系统软件设计

本系统软件设计主要包括采集端程序以及监测平台程序2部分。采集端程序主要功能是通过IEEE 802.15.4协议将硬件节点组建成LPWA网络，远程读取传感器组的数据，采集塔架结构振动信息、支撑结构安全信息以及阴极保护电极电位等结构健康数据，通过TCP/IP协议[10]将4G模块连接至集控中心服务器；监测平台的软件将数据解析后保存到数据库中，并可在集控中心上位机中对数据进行实时显示与历史查询。系统整体软件框图如图8所示。

图8 系统整体软件框架图

3.1 LPWA网络程序设计

由于海上风电机组数量较多且系统对机组结构健康数据的实时性要求较高，使得本系统LPWA网络中的节点数量多且节点发包频率高，大量通信节点同时工作时，由于信道数量有限，节点间会因为信道拥堵而导致数据碰撞丢失，显著降低网络的传输效率。方案中系统LPWA网络节点采用跳频方式进行工作，即节点在入网时预设好信道序列，并在约定时间内跳转到不同的信道进行工作。跳频方式可以合理分配信道，避免信道阻塞，且信道跳变的顺序受伪随机码控制[11]，利于提高数据的安全性。

LPWA网络组网基于IEEE 802.15.4协议，通过SmartRF Studio软件进行网络参数的配置。数据采集节点在通电后在空闲信道上发送异步帧进行入网请求，集总协调器收到请求后进行应答，并向采集节点分配地址、广播时间表以及跳变序列等信息。建立网络连接后节点会根据预设序列进行信道跳变，集总协调器也会周期性地更新跳频规律并向采集节点发布新的跳频序列。同时，这种组网方式较灵活方便，利于网络进一步的拓展。系统节点入网流程图如图9所示。

图9 节点入网流程图

3.2 监测平台软件设计

监测平台软件主要包括数据解析软件、数据库以及上位机软件部分。解析软件将从4G模块接收到的JSON数据包进行解析并存入Mysql数据库中；基于LabVIEW开发的上位机软件可实时显示接收到数据，并通过LabSQL插件与数据库建立连接，随时可以查看数据库中所储存的历史数据。

4 实验测试

4.1 传输性能测试

数据采集节点与集总协调节点组成的LPWA网络的通信质量直接决定了系统数据传输的效率，首先通过实验验证节点之间的数据传输性能。将节点成功建立连接后，在不同的距离下使用软件让数据采集节点向集总协调节点发送数据包，通过分析协调节点接收数据的丢包率来判断节点在此距离下的传输性能。

本次测试选在空旷的海边环境，同时测试常见的CC2430 ZigBee模块以及SI4432模块的传输性能并与本系统节点进行比较。数据包含16个有效字节，发送间隔为500 ms，发送1 000次。由于海上风机结构健康监测对于数据传输的准确性与稳定性有较高的要求，当丢包率超过1%时均认为在该条件下传输性能不能满足监测需要。各模块测试结果如表1所示。

表1 无线模块数据传输测试对比表

实验结果显示，ZigBee模块在距离超过3 km时接收端已经无法识别信号；SI4432模块虽然在3 km时仍能接收到信号，但是数据传输非常不稳定，丢包率已经远超1%；本系统所使用的CC1310节点在5 km时仍能可靠地传输数据。由此可知本系统所使用的基于LPWA网络的节点，相比于同类无线产品传输距离更长，稳定性更好，能够满足海上风电场数据传输的需要。

4.2 系统测试

将该系统安装到海上风机进行测试，将网络连接调试成功后，对海上风机的结构健康数据进行采集。通过上位机软件便可以实时查看各位置传感器采集到的数据，包括风场环境数据、风机塔筒振动特性、风机基础振动特性以及阴极保护电位等，如图10(a)所示。通过历史查询功能便可访问数据库，查看所储存的历史数据，如图10(b)所示。经过对比，本次测试所得数据与人工测试数据吻合度高，系统采集数据的精准性能够满足监测需要。

图10 上位机软件界面和数据库历史数据查询

5 结束语

本文设计了一种基于LPWA网络的海上风电结构健康数据采集系统，该系统通过数据采集节点与多种传感器的配合，对机组关键结构进行健康数据采集，使用LPWA网络进行数据汇总并通过4G网络实现数据中继传输。该系统组网简单，网络可拓展性强，相较于有线网络更加适用于海上风电场。实验测试表明，该系统通信距离长、传输效率高、稳定性好，可实现数据储存、实时显示以及历史查询等功能。工作人员在集控中心便可对海上风机的结构健康状态进行监测，便于及时对机组进行检修与维护，以保障海上风机的安全稳定运行。