基于LabVIEW和ZigBee的垂直軸風力機無線監測系統

曹艷華，曹　陽，2，吳國慶，2，時玉娟，李巧梅

（1.南通大學機械工程學院，江蘇 南通 226019；2.江蘇省風能應用技術工程中心，江蘇 南通 226019）

基于LabVIEW和ZigBee的垂直軸風力機無線監測系統

曹艷華1，曹陽1，2，吳國慶1，2，時玉娟1，李巧梅1

（1.南通大學機械工程學院，江蘇 南通 226019；2.江蘇省風能應用技術工程中心，江蘇 南通 226019）

風力機監測系統對風力發電機的研究應用具有重要意義。針對目前垂直軸風力機（vertical axis wind turbine，VAWT）監測系統發展不夠成熟的問題，設計一種基于ZigBee無線通信技術的垂直軸風力機在線監測系統，并基于LabVIEW虛擬儀器技術編寫上位機界面，實現監測參數在線采集與數據存儲。實驗表明：該系統能夠實時采集風力機的運行參數與環境參數，完成監測任務，具有較好的應用前景。

無線監測；垂直軸風力機；LabVIEW；ZigBee

0　引　言

風力發電機有水平軸式和垂直軸式兩大類，其中垂直軸風力機是一個新的發展方向[1]，其監測系統可以準確測試風力發電機本身及其相關參數，測試結果可作為改進風力發電機性能的必要根據。因此，垂直軸風力機無線監測系統的研究對垂直軸風力機的研究、推廣及應用具有重要意義[2]。

當前，國內外水平軸風力機監測技術較為成熟，如德國Pruftechnik公司的VIBXPERT FFT數據采集與信號分析儀，丹麥MitaTeknik公司的WP4086狀態監測系統，新疆風能研究所的通用風電場中央及遠程監控系統，阜特科技研發的SCAD系統和CMS系統等。雖然水平軸風力機監測系統比較成熟，但不能直接用于垂直軸風力機[3]。一方面由于各生產廠商之間的技術保密，導致這些監控系統只能用于特定的機型，適應性較差，另一方面垂直軸風力機和水平軸風力機在啟動風速、額定轉速、發電功率、葉片受力等參數方面都有很大不同。

為此，本文設計了一種基于ZigBee平臺的垂直軸風力機無線監控系統，以CC2530芯片為監測終端，組成無線通信網絡。通過串口總線連接電腦，用LabVIEW作為監控平臺。本系統能夠實現對垂直軸風力機運行參數的遠程監測，將無線通信技術與虛擬儀器技術相結合，實現垂直軸風力機監測系統智能化，并且節約了人力，降低了管理成本。

1　總體方案

無線傳感器節點通常在空曠的監測環境中使用，大量的傳感器節點分布在被監測區域，各節點之間采用基于ZigBee協議的無線方式形成具有多跳的自組織網絡，最終將監測的數據傳送到監測中心。ZigBee是一種具有統一技術標準的無線通信技術，其PHY層和MAC層協議由IEEE802.15.4制定，網絡層由ZigBee技術聯盟制定[4]。

本文設計的垂直軸風力機無線監測系統由基于ZigBee的無線數據采集系統和基于LabVIEW的風電監測系統組成。它由上位機、協調器和傳感器節點3部分組成，該系統框架如圖1所示。其中，數據采集系統用于采集并處理垂直軸風力機的各種運行參數與環境參數，包括風力發電輸出電流、發電機的轉速、風速等。垂直軸風力機無線監測系統的運行參數經數據采集系統采集、處理后，利用ZigBee無線傳輸模塊傳送至計算機，最終在基于LabVIEW人機交互平臺上顯示，同時存儲于計算機的硬盤中。

圖1　垂直軸風力機無線監測系統結構圖

2　基于ZigBee無線數據采集模塊的搭建

2.1傳感器的選擇

風力發電機監控參數主要有以下4種[5]：1）發電機參數，包括各相電壓、電流、功率、總有功功率、總無功功率、功率因數、發電量和頻率等；2）環境參數，如溫度、風速、風向、天氣情況等；3）機械參數，如發電機轉速、形變參數、振動狀況等；4）狀態參數，如報警狀態、工作狀態、變漿狀態等。針對目前自主設計的垂直軸風力機，以風速、風力機轉速和發電機的輸出電流3個監測參數為例來介紹垂直軸風力機無線監測系統。

2.1.1風速傳感器

風速是風力機監測系統中一個重要的監測參數。風速的獲取是準確測量風輪的啟動特性、機械輸出特性、空氣動力特性以及機組功率輸出特性等性能參數的必要條件。因此，在監測系統中，必須選擇合適的風速傳感器，實現風速信號實時準確地測量。

目前，常用的風速傳感器有4種：風杯風速儀、畢托管風速儀、熱線熱膜風速儀、超聲波測風儀。本文選用風杯風速儀，因其成本低、使用方便、基本不需要維護、轉速與風速基本上成線性關系、抗強風能力強、配合風向標可測風速和風向[6]。

2.1.2轉速傳感器

測量風力機轉速與風速相結合可以檢驗風力機捕捉風能的能力，常用的轉速傳感器有霍爾效應式、電容式、光電式、變磁阻式等。本文選用的是霍爾式轉速傳感器。霍爾式轉速傳感器具有體積小、結構簡單、使用壽命長、可靠性高、使用溫度范圍寬、可連續測量等優點，與其他類型的轉速傳感器相比有不受光線、大氣壓力、溫度和振動等因素影響的特點，可以較好地滿足風力機監測系統的應用需求[7]。

2.1.3電流傳感器

測量發電機輸出的交流電與電壓數據相結合可得到系統功率輸出能力參數。電流的采樣選用CSM025AY型閉環霍爾電流傳感器，該傳感器可在電隔離條件下測量直流、交流、脈沖以及各種不規則波形的電流[8]。各傳感器具體型號及參數如表1所示。

表1　傳感器的選型及其具體參數

2.2網絡節點的硬件設計

無線數據采集模塊主要由傳感器節點（從節點）和協調器節點（主節點）兩部分組成。從節點和主節點都選用ZigBee模塊，分為RS232（DRF2617A）、USB（DRF2618A）、RS485（DRF2619A）3種接口，用法一樣，可以無線互通，如圖2所示。ZigBee模塊的核心是TI公司CC2530F256芯片，內部運行ZigBee 2007/PRO協議棧，具有ZigBee協議的全部特性。針對復雜的ZigBee協議，將協議棧嵌入模塊內部，只留出串口，用戶無需了解ZigBee協議棧，只需要讀寫串口，即可實現數據無線傳輸，簡單易用，非常適合嵌入用戶系統。

圖2　傳感器節點硬件邏輯圖

表2　ZigBee模塊電氣參數

傳感器節點是本系統的終端節點，除了ZigBee模塊，還包括傳感器部分、Arduino單片機、電源模塊和調試接口及開關。傳感器節點硬件結構如圖2所示。其中Arduino單片機既可以采集傳感器的數字信號也可以采集模擬信號進行數字轉換，然后傳送給ZigBee模塊進行無線傳輸。

協調器節點主要負責建立、管理、維護網絡，采用與傳感器節點相同的ZigBee模塊。因為協調器相對于傳感器節點，大部分時間一直處于工作狀態，所以不能采用電池供電。其電源采用220V轉5V電源。其他硬件電路與傳感器節點相同，其結構框架如圖3所示。

圖3　協調器節點硬件邏輯圖

ZigBee模塊用配置軟件來設定及讀取模塊的基本參數，模塊需設置4個參數：PAN ID、波特率、節點類型、無線頻道。傳感器節點中的模塊節點類型應設置成Router，協調器節點中的模塊節點類型應設置成Coordinator。同一個網絡內的每個節點需要有相同的PAN ID和無線頻道，所以Coordinator和Router需要設置相同的PAN ID和無線頻道。同一個網絡內，多個ZigBee模塊與多個設備連接，并不需要全網具有同樣的波特率，只需模塊與設備之間具有相同的波特率。

3　基于LabVIEW的人機交互平臺設計

本文所設計的垂直軸風力機無線監測系統的上位機是采用美國國家儀器NI公司的LabVIEW作為軟件平臺。上位機的主要功能是與節點進行通信，接收傳感器節點的信息。因此上位機要實現傳感器信息接收，數據顯示、處理和分析以及控制指令發送等功能。上位機程序主要分為串行通信模塊、數據接收模塊、數據處理模塊、數據顯示模塊和數據保存模塊[9-10]。

在控制程序設計中，通過虛擬儀器軟件架構（virtual instruments software architecture，VISA）控件來實現LabVIEW控制程序與硬件的通信。VISA實質上是一個I/O口軟件庫及其規范的總稱。在LabVIEW中利用VISA節點進行串行通信編程。VISA共包含5個節點，分別實現初始化串口、串口寫、串口讀、中斷及關閉串口等功能。在進行PC機和無線采集模塊

圖4　垂直軸風力機上位機監測界面

串行通信前，要先配置串口，即串口初始化，使計算機串口的各種參數設置與無線收發模塊的串口參數保持一致，這樣才能夠保證正確的通信。

系統的監測界面如圖4所示，界面可以實時顯示風速、風力機轉速、發電機輸出電流的數值及其變化曲線，并且有傳感器參數超限報警功能。該界面能夠完成傳感器節點數據的顯示、存儲、歷史數據回放等功能。

4　結束語

本文針對垂直軸風力機，設計了基于ZigBee無線通信、基于LabVIEW數據處理平臺的垂直軸風力機無線監測系統。系統順利實現了LabVIEW對ZigBee網絡數據的處理。通過實驗調試，該無線采集系統達到了設計要求，效果良好。該系統還有很多需要優化的地方，例如，目前只能實現監測還不能實現遠程控制。希望接下來的工作可以做到利用無線網絡實現遠程控制。

[1]戴庚，徐璋，皇甫凱林，等.垂直軸風力機研究進展[J].流體機械，2010（10）：39-43.

[2]姚英學，湯志鵬.垂直軸風力機應用概況及其展望[J].現代制造工程，2010（3）：136-139.

[3]尹少平，焦錦繡，王靈梅，等.風力發電機組無線監測系統設計[J].傳感器與微系統，2014（5）：84-86.

[4]沈忠，李強.基于ZigBee技術的無線傳感器網絡協議的設計[J].微計算機信息，2008（19）：164-165.

[5]王成，王志新，張華強.風電場遠程監控系統及無線網絡技術應用研究[J].自動化儀表，2008（11）：16-20.

[6]李安迎，鄧靖靖，鄧世建，等.基于三杯式風速傳感器的風速監測站設計[J].電測與儀表，2010（S2）：121-124.

[7]段斌.基于霍爾傳感器的轉速與轉向測量方法[J].通信電源技術，2014（3）：55-57.

[8]馬巧娟，鄭萍，王曉光，等.基于ZigBee和LabVIEW的多點無線溫濕度采集系統設計[J].中國儀器儀表，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]王曉蘭，劉徽.基于LabVIEW的風力機模擬裝置上位機監控系統設計[J].電氣自動化，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

國家自然科學基金項目（51376096）南通市科技局應用研究計劃項目（BK2011027）

曹艷華（1989-），女，江蘇南通市人，碩士研究生，專業方向為風能技術的研究。