基于物聯網的風電機組狀態視頻監控系統設計*

鄔春明，劉海維

(東北電力大學信息工程學院，吉林吉林132012)

基于物聯網的風電機組狀態視頻監控系統設計*

鄔春明*，劉海維

(東北電力大學信息工程學院，吉林吉林132012)

目前現有的風電機組監控系統主要是采集風電機組的實時參數，卻不能直觀全面地監視設備運行狀態。為了解決風電機組中存在的弊端，提出了基于物聯網的風電機組狀態視頻監控系統。采用嵌入式S3C6410作為核心處理器，控制USB攝像頭進行視頻數據實時采集并由TFT彩屏液晶顯示視頻信息，通過短距離無線通信模塊nrf2401將采集到的數據傳到PC機，最后經過GPRS網絡傳輸到更遠的監控中心。該視頻監控系統具有質量良好，穩定性好，具有一定的推廣前景。

物聯網;風電機組;視頻監控;Linux;nrf2401

目前現有的風電機組監控系統主要采集風電機組的溫度、濕度、風向、風速以及運行狀態等，運行人員可以根據這些參數局部的了解各個設備的運行狀態，但不能直觀全面地監視設備運行狀態，限制了運維人員對故障做出實時快速地判斷，不能及時地遠程操作設備，從而限制了快速地解決風電機組的故障［1］。隨著社會的發展，視頻監控系統日益完善，但傳統視頻采集系統一般采用基于PC機平臺的有線形式，該方案系統體積大、成本高，在遠距離、多點系統中實現困難，并且大多數是基于同軸電纜的模擬視頻監控系統受到布線、供電電源、安裝場所、安裝成本和維修等因素的限制，使其不易推廣應用，并且不適合用來實現風電機艙視頻監控［2］。在以上背景下，提出了基于物聯網的風電機組狀態的無線視頻監測系統。設計通過S3C6410核心處理器控制USB攝像頭采集視頻數據，并進行一定的壓縮處理，通過無線技術發送接收。在接收端經過一定的解碼處理，通過串口或者網卡傳輸到監控中心的PC機，再通過GPRS接入互聯網傳到更遠處的服務器，使運維人員實時全面的了解風電機組設備的運行狀況。

1 無線視頻監控系統總體設計

將一定數量的圖像采集節點合理布設于風電機艙內，要考慮無線信號傳輸的通暢，整個系統以S3C6410［3］為核心的處理器，完成視頻采集控制和視頻圖像壓縮，之后經過nRF2401無線模塊傳輸。監控中心的nRF2401無線接收模塊接收到數據后，經過S3C6410處理后，再通過串口或網口將視頻數據傳輸給PC機(即協調節點)。最后協調節點由GPRS［4］網絡傳輸到更遠的監控中心。設計可實現一對一的視頻數據傳輸，也可實現多點之間的視頻數據采集傳輸。完成風電機組的視頻監控系統，更好的保證系統的正常運行。系統結構框圖如圖1所示，一對一的視頻傳輸系統設計框圖如圖2所示。

圖1 系統結構框圖

圖2 單點視頻傳輸系統框圖

ARM系統開發硬件結構，即感知節點結構如圖3所示。主控模塊包含主控芯片模塊、電源管理模塊、時鐘模塊、Flash和SDRAM存儲模塊，RS232接口、RJ45接口等。

圖3 處理器模塊

2 部分硬件電路圖

2.1 無線模塊

nRF2401是單片射頻收發芯片，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗非常低，以-5 dBm的功率發射時，工作電流只有10.5 mA，接收時工作電流只有18 mA，多種低功率工作模式，節能設計更方便。其DuoCeiverTM技術使nRF2401可以使用同一天線，同時接收兩個不同頻道的數據。nRF2401適用于多種無線通信的場合［5-6］。

從表1幾種短距離無線通信技術的介紹中可以看出，Zigbee技術由于傳輸速率較低，所以采用Zigbee技術傳輸視頻，對于圖像處理技術要求比較高，而且算法要求比較嚴格，所以工作量較大，而從功耗、安全性和距離等方面考慮，采用nrf2401模塊作為物聯網的網絡層實現此系統要優于其他幾種無線技術。

表1 幾種無線通信技術的介紹［7］

系統通過nrf2401芯片的DATA、CE、CS、CLK1、DR1和PWR 6個引腳設置器件的工作模式，實現讀/寫緩存數據及讀/寫狀態寄存器等功能。通過CLK1、DR1和DATA引腳的狀態選擇通道工作為方式1，通過 CS引腳狀態來設置工作模式選擇，nrf2401引腳圖如圖4所示。

2.2 串口和網口模塊

如圖5所示，串口采用的是MAX3232和DB9九針孔芯片，可以直接與計算機的串口相連。而網口芯片則采用DM9000芯片和HR911105A以太網接口，通過路由器與電腦相連。通過兩種方法中的任意一種將視頻數據傳輸到電腦上。

圖4 無線模塊芯片

圖5 串口與網口連接模塊

2.3 電源模塊

由于無線模塊nrf2401供電電源為3.3V，而且當電源達不到3.3V時會影響接收和發送數據。整個系統的電源原理圖如圖6所示。

圖6 電源模塊

3 系統軟件平臺

嵌入式操作系統是嵌入式的重要組成部分，它為應用程序提供了一個開發軟件平臺。實現嵌入式系統功能的第1步是進行系統移植，其實包括驅動、內核、文件系統的移植。本文選用了s3c-linux-2.6. 24這個linux操作系統，它具有內核小、效率高、源代碼開放、內核直接提供網絡支持等優點，只需對內核各種功能和模塊進行裁剪，選擇本系統嵌入式設備所需要的功能模塊，如需要串口驅動、USB攝像頭接口驅動，無線模塊驅動等，再編譯創建鏡像文件，使整個系統能夠存放到容量較小的Flash中。作為一個操作系統，Linux內核主要負責程序的管理與調度、內存的管理及對外設的驅動和管理等［8-12］。

3.1 Linux設備驅動的移植

驅動程序屏蔽了硬件實現上的細節，向應用程序提供訪問硬件設備的接口，應用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設備進行操作。本文中主要用到攝像頭、串口等驅動，這些驅動的源碼都能在網上找到，可以很方便的完成驅動的移植工作。

3.2 系統應用程序開發

整個系統以 S3C6410處理器為核心并通過USB接口接收攝像頭數據，并經過處理器進行編碼，再經過無線nrf2401模塊完成視頻的傳輸。軟件方面，Bootloader為引導程序，linux內核和設備驅動程序形成基本的嵌入式運行環境，應用層負責視頻的采集、編碼、傳輸。視頻采集的具體步驟如下: (1)打開視頻設備，(2)讀取設備信息，(3)進行視頻采集，(4)對視頻進行處理，(5)關閉視頻。最后通過無線通信模塊操作，將采集的視頻數據進行傳輸處理，視頻采集節點流程圖如圖7所示。

圖7 視頻采集節點流程圖

無線接收節點程序設計中，首先同樣進行一定的程序初始化，通過無線模塊接收發送過來的壓縮后的圖像數據，之后對采集的視頻圖像數據解壓縮及解碼等處理，最后將采集的數據通過TFT液晶屏顯示或者通過串口和網卡傳到PC機上進行實時的顯示監控，視頻接收節點程序流程圖如圖8所示。

圖8 無線接收節點流程圖

無線通信模塊采用nrf2401，編程時首先通過處理器向無線模塊中寫命令控制字，nrf2401上電進入待機狀態，之后再通過處理器向無線模塊寫命令控制字，將其配置為發送或者接受模式，最后往寄存器中裝入要發送的數據，調用發送數據函數［12］。無線模塊程序流程圖如圖9所示。

圖9 無線模塊程序流程圖

4 實際監測情況

圖10為視頻監測系統工作平臺，視頻通過S3C6410處理器采集后，經過nrf2401傳輸到協調節點的處理器模塊上，最終通過網口傳輸到PC機上，視頻效果較好，具有一定的應用價值。

圖10 視頻監控系統實物圖

5 結束語

隨著嵌入式和物聯網技術的不斷發展，視頻監控系統也正從模擬時代向數字時代和網絡時代過渡，正從有線向無線的發展。視頻技術還將研發出更多的實用功能，既可以減少布線的復雜度以及線路老化帶來的不便，又可以減輕工作人員的工作強度，成為人們工作、生活的得力助手。將無線視頻監控系統應用到風電機組狀態監控上，對風電故障檢測技術也是一種飛躍，該設計實現的視頻監控系統質量良好，穩定性好，也適合于醫療、家庭、森林防火等安保系統中，具有廣闊的發展前景。

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鄔春明(1966- )，男，漢族，吉林省吉林市人，東北電力大學信息工程學院教授，碩士學位，從事信息類專業的教學與科研工作，wuhi1966@126.com;

劉海維(1986- )男，漢，吉林省吉林市人，東北電力大學信息工程學院碩士生，無線通信技術方向，525472025@qq.com。

Design of Video Monitoring and Control System of Wind Turbine Based on the Internet of Thing*

WU Chunming*，LIU Haiwei
(Information Engineering College Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012，China)

The currently wind turbine monitoring system is major getting the wind turbine parameters in real time，but it is not monitoring the full status of the operation.In order to solve the disadvantages of the wind turbine，the video surveillance system is supplied for wind turbine，which is based on the Internet of things.Using S3C6410 as core processor，controlling USB cameras to acquire video data real-time and display video information by TFT，sending the collected data to PC by short-distance wireless communication module nrf2401.Finally，transmitting to the monitoring center by the GPRS network，the video monitoring system has good quality and very stability.

internet of thing;wind turbine;video surveillance;Linux;nrf2401

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.029

TN913.6

A

1005－9490(2014)02－0302－05

項目來源:2013吉林省科技發展計劃項目(20130206050GX);東北電力大學博士科研啟動基金項目(bsjxm-201104)

2013-06-04修改日期:2013-07-09

EEACC:7210B