基于ZigBee的風電場無線數據采集系統技術方案

本發明專利技術屬于智能控制領域，具體是一種基于ZigBee的風電場無線數據采集系統。本發明專利技術設計了一種無線數據采集系統，對系統硬件電路進行了詳細說明，實現了風電場無線數據采集系統。其硬件設計中最底層的傳感器節點在監測區域內負責加入協調器網絡并向其發送采集到的數據，簇狀網絡中，中間層路由器節點是數據匯聚中心，它負責接收所有傳感器節點發送的數據，并對數據進行融合處理，上層監控主機用來顯示和存儲環境監測的數據，對網絡發送命令。其軟件設計主要是ZigBee的星型組網，包括協調器節點和終端傳感器節點的設計，節點發送和接收數據的流程，最后是星型組網的實現。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術是基于ZigBee的風電場無線數據采集系統，屬于智能控制領域。
技術介紹
近幾年來由于受到全球經濟對化石燃料高度依賴的影響，以及出于對環境問題的關心，發電方式的替代選擇受到越來越多的重視。同時，在能源市場逐漸多樣化這個大趨勢下，風能可能是最有前途的可持續能源之一。風在全世界范圍內都是一種潔凈并且取之不盡用之不竭的能源。最近風力發電技術的改進已經使其成本大大降低，在很多情況下，其成本能和常規發電方式相抗衡。在“十一五”規劃指出，全國新增風電裝機容量約900萬千瓦，到2010年，風電總裝機容量達到1000萬千瓦。同時提出，在甘肅、內蒙古和蘇滬沿海等風能優勢地區，重點建設30個10萬千瓦以上的大型風電場和5個百萬千瓦的風電基地。此夕卜，在經濟發達的江蘇、福建、山東和廣東等沿海地區建成數十個10萬千瓦級的大型風電場。由此可以看出，我國投入運行的風電機組的數量正在逐年增加[2]。風電場的正常運行和發電需要很多條件的保障，其中溫度、濕度、風速、風向、壓力等氣象信息常數需要穩定的保持在一定的范圍內，所以世界上對這些參數的關注和研究早已經開始了。了解和預測風電場溫度濕度等氣象參數的變化規律是為農業生產、工業生產和日常生活服務的，具有很大的現實性，因此，采集風電場溫濕度等相關氣象信息對氣候變化的研究以及風力發電產業的快速發展具有重要的意義。過去很長一段時間內，風電場溫度、濕度等氣象參數的采集一直是人工的方式，直到現在人工觀測依然沒有完全取代，這種信息采集的方式難免會存在很多缺點，比如，時間的準確性、數據精度性不高，可靠性能差等方面的問題。為了解決這些缺點和進一步推進風電產業的發展，更好的利用風能資源為人類造福，需要準確調查、掌握、分析風電場的各種氣象參數，因此非常有必要建立一個風電場氣象參數的無線數據采集系統，實時采集和監測當地風能的狀態并進行定時的存儲，為分析風能的規律以及風能的其他應用提供可靠的數據依據和技術支持。隨著電子計算機科學技術、信息科學技術的發展以及新一代通訊設備投入使用，移動通信技術和無線傳感網絡技術得到了突飛猛進的發展。充分利用現有的無線通信網絡技術，逐步建立風電場的無線數據采集系統，可在很大程度上減小人工觀測和現場布線帶來的不便和局限性。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種基于ZigBee的風電場無線數據采集方案。具體實現包括以下步驟(I)風電場所需要采集的溫度信息是從_40°C到+65°C，使用DS18B20數字溫度傳感器采集。濕度傳感器采用SHllOO型電容式濕度傳感器。壓力傳感器型號為24PCEH12G，壓力類型為差壓，壓力量程為O到3400Pa，供電電源為O到12VDC(2)信息的傳輸風電場需要溫度、濕度、壓力等數據采集的網點很多，客觀上需要組建一個近距離無線通信網絡，所以該設計方案采用ZigBee無線通信方式。(3)微處理器及存儲方式風電場溫度濕度壓力等數據采集和無線通信系統設備的體積都很小，不方便用較大的電池供電，因此選擇CC2430芯片作為微處理器。選取SD卡進行數據的存儲。綜上所述，系統利用DALLAS公司生產的單總線器件DS18B20數字溫度傳感器和壓力傳感器，將采集到的溫度濕度壓力等數據經過模擬電路進行調理，調理完成之后送入CC2430芯片的A/D通道進行數據轉換，完成信號的采集，再將轉換后的數據通過ZigBee近距離無線通信方式傳輸到地面接收器，再經單片機處理存儲到SD卡完成對數據的存儲。本專利技術的優點在于能夠取代人工和現場布線來方便快捷的實現風電場所在環境各種氣象參數的采集，給人們提供足夠的實時信息來保障風電場的正常運行。附圖說明圖1為本專利技術的系統總體結構框圖；圖2為硬件系統設計方案；圖3為ZigBee星形網絡拓撲結構圖；圖4為協調器建立網絡和傳感器節點入網流程圖；圖5為協調器接收數據流程圖；圖6為終端子節點發送數據流程圖。具體實施例方式下面結合附圖和具體實例對本專利技術做進一步說明a)硬件系統設計結合附圖2，基于ZigBee技術的無線數據采集系統一般有協調器節點、路由器節點和傳感器節點構成，適用于星型和簇狀網絡的無線數據采集。最底層的傳感器節點在監測區域內負責加入協調器網絡并向其發送采集到的數據，簇狀網絡中，中間層路由器節點是數據匯聚中心，它負責接收所有傳感器節點發送的數據，并對數據進行融合處理，上層監控主機用來顯示和存儲環境監測的數據，對網絡發送命令。協調器是分布式處理中心，屬于全功能設備，負責建立和管理網絡，通過UART串行端口與PC機通信，用戶通過協調器節點對網絡進行配置和管理，發布監測任務和收集監測數據。b) ZigBee星形組網的設計結合附圖3，星型網絡是一個輻射狀系統，由一個協調器和若干個終端傳感器節點設備構成。在這種拓撲圖中，協調器負責網絡的管理和數據的收集工作，而終端傳感器節點利用傳感器采集數據，并把數據通過無線的方式轉發給協調器。所有終端傳感器節點只能與協調器通信，而終端傳感器節點之間的通信要通過網絡協調器的轉發來完成。結合附圖4，協調器組網所用的PAN ID和信道參數均設為默認值，不再進行選擇。每次組網前，賦給信道一個初始值。協調器在特定的信道上組網，首先要進行3次CCA檢測。若檢測3次后,信道仍為空閑則在該信道上組網,若任何一次為忙碌,則更換信道,重新進行檢測，直到檢測到空閑信道為止，然后在該空閑信道上組網。協調器接收到傳感器節點入網請求后，為子節點分配16位網絡地址，并建立鄰居列表和地址映射表，將子節點的信息加入到鄰居列表中，與其建立網絡連接關系。結合附圖5，協調器接收到傳感器節點的數據信息后，按照協議棧MAC層-NWK層-APL層的順序自底而上，層層進行數據包解析，每一層按照各自的幀格式對信息包頭進行分解。在肯定該信息為本網絡節點數據信息后對信息負載進行提取，否則丟棄。最后通過串口顯示傳感器節點采集的數據信息。結合附圖6，終端傳感器節點主要任務是加入協調器網絡并向其發送采集數據。終端傳感器節點上電初始化后，現在初始信道上進行CCA檢測。若信道空閑，才能在該信道上執行入網程序，否則就要更換信道重新檢測。本系統采樣信標不使能模式，協調器不定期廣播信標幀，節點在入網前，向網絡中協調器發送信標請求。當收到信標響應后，節點再向協調器發送連接請求，如果請求得到正確響應，則節點入網成功，從協調器得到一個可用的網絡地址作為本網絡的標識；否則，節點入網失敗。c)降低節點功耗的設計本專利技術采用ZigBee技術，很好的實現了傳感器節點低功耗的要求。這種休眠的實現是通過設置相關寄存器來完成的。其中SLEEP是睡眠模式控制寄存器，用于設置四種功能模式。RFPWR是設置射頻功率，進入休眠模式時，需要將電壓調整器的模擬部分關閉。PCON是電源模式控制器，最低位設置為I時，系統強制進入SLEEP所設定好了電源模式。設計中必須同時使用兩個寄存器，節點才能進入休眠模式。CC2430根據功耗的不同分為四種工作模式，分別為PMO，PMl, PM2和PM3。PMO是全功能模式，用于普通操作。PM3模式功耗最小，所有振蕩器不工作，通過外部中斷來轉入PMO模式，適用于在等待外部事件觸發時達到低功耗狀態的情況。PMl和PM2都可以通過重置，外部中斷或者休眠定時來喚醒轉入PMO模式，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于ZigBee的風電場無線數據采集系統，ZigBee星形網絡的實現，其特征在于：采用狀態機的方式對協議棧的各個動作進行轉換，協議棧每層都有FSM追蹤進行的操作，每一次的服務調用都會引起協議棧自頂而下的服務響應，協議棧一次只能執行一個服務，通過重復調用apsBusy()函數可以判斷協議棧是否忙著處理上一個服務，頂層的狀態機函數為apsFSM()等同于標準協議棧中的APLTask()函數。

【技術特征摘要】
1.基于ZigBee的風電場無線數據采集系統，ZigBee星形網絡的實現，其特征在于:采用狀態機的方式對協議棧的各個動作進行轉換，協議棧每層都有FSM追蹤進行的操作，每一次的服務調用都會引起協議棧自頂而下的服務響應，協議棧一次只能執行一個服務，通過重復調用apsBusyO函數可以判斷協議棧是否忙著處理上一個服務，頂層的狀態機函數SapsFSMO等同于標準協議棧中的APLTaskO函數。2.傳感器節點低功耗的實現，其特征在于:設計選用CC2430中的PM...

【專利技術屬性】
技術研發人員：彭力，韓瀟，
申請(專利權)人：江南大學，
類型：發明
國別省市：