用于無線通訊風電場的多功能微處理器設計及開發

李堂國 曹春蘭 曹祿春 潘巖

摘 ?要：為了采集風電場振動信號、視頻信號及火災消防報警信號等關鍵參數，設計開發了用于無線通訊網絡的集成式微處理器及管理平臺。該多功能微處理可通過RS485、RS232、USB等工業級通訊方式與風力發電機組的傳感信號進行數據通訊，保證數據穩定傳輸;通過該平臺可集中管理風電設備，提高運行人員維護設備的效率。

關鍵詞：風電場;無線通訊;微處理器;平臺

中圖分類號：TP368.1 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）02-0088-03

Abstract： In order to collect the key parameters such as wind farm vibration signal， video signal and fire alarm signal， an integrated microprocessor and management platform for wireless communication network are designed and developed. The multifunctional microprocessor can communicate with the sensing signal of the wind turbine through RS485， RS232， USB and other industrial communication means to ensure stable data transmission; through this platform， the wind power equipment can be managed centrally and the efficiency of maintenance equipment can be improved.

Keywords： wind farm; wireless communication; microprocessor; platform

1 概述

傳統風力發電機組的數據采集監控大多采用有線傳輸，但受地域限制，光纖維護成本較大。隨著電廠信息化、智能化的快速發展，近年來已有風電場采用無線網絡進行數據采集和監控，但數據傳輸穩定性有待進一步加強。針對某風電場自組無線網絡，為了在采集振動信號情況下，同步增加視頻監控系統，并集成消防信號系統等，實現多類信號數據的穩定傳輸，作者設計并研發可集成RS485、RS232等不同通訊接口協議的數據采集器，保證風電機組的安全運行。

2 數據采集技術研究現狀

隨著科學技術的發展，數據采集及處理設備從剛開始僅面向軍事領域發展到如今軍民共用領域。采集裝置從各個方面進行了深入研究，如數據采集及格式轉換速度，設備的穩定性以及存儲器的存儲速度等[1]。原先采用MOS工藝的A/D采集逐步發展為了CMOS積分型，同時將數據轉換速度提高到了500Msps，分辨率提高到了24位。但仍然存在很多缺點，如增加了設備的功耗，同時存在輸出的不確定性和離散性，導致該技術只能應用在分辨率要求不高的設備中[2-4]，對于數據存儲設備，容量逐步擴大，由M級到G級以及T級別，在技術方面得到了質的發展，同時應用領域得到拓展，如在航天航海領域、工業領域、武器領域等等，常見的存儲介質有SRAM、SDRAM和FLASH等[5-8]。對于數據采集裝置，也由單片機逐步發展到了ARM、FPGA、DSP等，同時隨著需求側要求的功能的增加，數據采集裝置的性能也得到了很大的提升，這一發展有效地提高了數據采集裝置的可靠性，我國在數據采集方面的研究起步較晚，但部分方面也取得了較大進展，如中北大學研發的設備采集速率可達到數百MHz，設備的數據存儲容量達到GB級別，該設備采用的系統構架，為的DSP、ARM、FPGA等多平臺聯合控制，大大提升了數據采集系統的性能及可靠性。相比我國，國外在該方面發展較早，如DT公司在圖像的分析以及設備視角的方案解決方面具有很大優勢，以及研發了基于PCIE總線的數據采集系統[9]。

目前工業技術取得了較大的發展，數據采集存儲系統已經在日常生活中的各個領域開始應用，常見的應用領域有教育、醫療和交通。傳統的數據采集系統的應用主要集中在并行及關系數據庫方面，并以處理器為核心。但是缺乏對存儲及數據量的分析。為提升數據的處理速度，有些設備采用并行方式，但該技術過于追求容錯性及運行的一致性，無法保證該技術的可行性。為此為了解決該問題，引入了大數據的應用，可采用Map Reduce并行技術來提升數據處理速度，同時實現非結構化數據的處理。

3 多功能無線微處理器開發

3.1 微處理器功能需求

微處理器需要采集視頻監測信號、振動監測信號、避雷檢測信號和消防信號。同時，為了滿足風場其它采集或控制系統的引入，需要預留網口、RS232和485接口。采編器將所有網口、串口采集到的數據通過無線網橋節點，傳輸到升壓站，并接收來自升壓站的相應控制指令。微處理器需處理的信號類型見表1。

綜上所述，微處理器既要支持對多路網口數據的采集控制與數據轉發功能，又要支持對多路串口的同時采集與控制功能，同時網口與串口之間也能實現相互通信。

3.2 微處理器設計方案

多功能無線微處理器主要由3大功能模塊組成：電源模塊、網絡交換模塊和串口轉網口模塊。電源模塊以低紋波突發模式工作，可在低輸出電流條件下保持高效率，并能在典型應用中將輸出紋波抑制在15mV以下，結溫高達125℃，非常適用于經受高環境溫度的風機內應用。網絡交換模塊采用Marvell公司的88E6060芯片，集成6端口的快速以太網交換芯片，本處理器采用多片級聯的方式實現14口100M網口的網絡交換功能，并通過其中一片的MII接口連接到CPU中，實現CPU與其它網口設備的網絡互連。串口轉網口模塊CPU采用ST（意法半導體）的一款ARM Cortex-M4芯片，用來將TCP/UDP數據包與RS232/RS485/RS422接口實現數據的透明傳輸。

3.3 軟件設計方案

多功能微處理器實現數據的儲存，以及不同數據格式的處理和轉換，以便將數據傳向指定的串行口，微處理器軟件系統可同時與4路串行端口獨立地實現通信，需采集的數據通過以太網傳送至微處理器。微處理器若完成數據從以太網到串行口之間的傳輸，需要在軟件對數據進行解包處理后，通過TCP/IP協議的數據幀的幀頭信息，獲得該數據包的發送目標串口，采集的數據通過串口設備發送至串口服務器，借此進行數據的處理、分析以及格式轉換，完成后將數據傳至以太網口。待數據整個打包完成后，通過以太網口傳輸出去，至此便完成了數據從串行口到以太網傳輸。

微處理器的操作系統采用具有豐富源碼資源的ucosII，借助ARM cortex-M4，完成ucosII系統的移植和裁剪，同時對根文件系統進行完善，為應用層系統的研發提供平臺，該平臺具有較全面的TCP/IP協議棧。應用層系統借助ucosII系統完成接口、串口函數的調運，進而讀取數據，通過socket接口將數據發往以太網口，系統平臺接收socket端數據，并調取串口設備函數，將數據發往微處理器指定串口。

3.4 微處理器在風電場中的應用

風機內所有網口系統的數據，通過微處理器網口與無線網橋聯通，實現與風場無線網絡的互通互聯。所有串口系統終端，通過串口線連接到微處理器對應的串口，經微處理器轉換成網絡數據后與風場的無線網絡互通互聯，利用網絡實現數據的遠程傳輸與遠程監控功能，實時監控設備的運行狀態。應用示意圖見圖2。

3.5 數據測試

數據上行測試指串口設備發送信息到采編器，通過與采編器相連的無線節點將數據從網口傳輸到風場的無線網絡中。數據下行測試指升壓站通過無線網給采編器發送網絡數據，采編器接收網絡數據幀并進行格式轉換，同時判斷發往指定的串口設備。測試結果表示，數據接收和發送沒有出現丟失現象。

3.6 系統管理平臺開發

風電場無線網絡系統管理平臺用于無線局域網絡狀態的遠程監控，并實現對網絡中特定IP設備的參數配置。通過該平臺不僅能實時監測網絡內的IP設備的網絡連接情況，還可以對特殊需求的IP設備進行參數配置與集中管理，以方便用戶在多設備、連接不穩定的無線局域網絡環境下對IP設備進行管理。

平臺集成了設備管理模塊、日志管理模塊、系統配置、設備配置及第三方軟件調用等模塊，各模塊協調配合，共同實現對局域網絡及網絡中IP設備的監測與管理。

4 結束語

（1）針對風電場振動信號、視頻信號及火災消防報警信號等風場關鍵參數，開發了用于無線通訊網絡的集成式微處理器。微處理器通過RS485、RS232、USB等工業級通訊方式與風力發電機組的傳感信號進行數據通訊，將數據傳送至微基站，能同時滿足三路視頻信號同時穩定傳輸。

（2）風電場無線網絡系統管理平臺用于無線局域網絡設備的遠程監控，實現對網絡中特定IP設備的參數配置，并能直接調取風機監控畫面。通過該平臺能實時監測網絡內的IP設備的網絡連接情況，還可以對特殊需求的IP設備進行參數配置與集中管理，便于運行人員對風電設備進行維護，提高設備管理效率。

參考文獻：

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