基于WSNs的水輪發(fā)電機組振動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

張曉莉，馮梅琳，王 軍

（江西理工大學(xué)機電工程學(xué)院，江西贛州 341000）

0 引言

目前，國內(nèi)外水輪發(fā)電機振動和擺度監(jiān)測系統(tǒng)均采用基于信號電纜或通信電纜的有線工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，適用于單臺機組配備一套監(jiān)測系統(tǒng)的永久性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式，該模式在我國水電廠的推廣應(yīng)用過程中存在以下2個突出問題:1）對于大型水輪發(fā)電機組，一般配置使用的傳感器數(shù)量較多，且分布在水輪發(fā)電機組各個工作層面。若采用有線信號傳輸方案，則電纜敷設(shè)工作量大，并且安裝與拆卸工作量大，使用極為不便。2）對于擁有多臺發(fā)電機組的中小型水力發(fā)電廠，一般只需在機組安裝、大修后以及檢修時段對機組進行振動檢測，無需每臺機組配置一套永久性監(jiān)測系統(tǒng)，因而，采用有線信號傳輸模式的系統(tǒng)造價在眾多中小型水力發(fā)電廠難以承受，不利于推廣應(yīng)用。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）振動監(jiān)測系統(tǒng)，通過設(shè)置多個無線傳感器節(jié)點，把各個傳感器節(jié)點實時監(jiān)測到的有關(guān)被測參數(shù)發(fā)送給監(jiān)控中心的計算機，監(jiān)控中心的計算機對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理，并結(jié)合以往的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相比較，判斷水輪發(fā)電機組是否具有潛在危險，從而完全擺脫了永久性監(jiān)測系統(tǒng)的有線困擾，為采取相應(yīng)措施提供決策依據(jù)［1］。

1 無線振動監(jiān)測系統(tǒng)體系

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)和中央信息采集控制中心兩部分組成，其中，數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的Zig Bee技術(shù)進行無線數(shù)據(jù)通信，并采用Chipcon生產(chǎn)的CC2430，CC2431設(shè)計網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，是由大量的WSNs節(jié)點、匯聚節(jié)點、數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的分布式WSNs系統(tǒng);中央數(shù)據(jù)采集控制中心由數(shù)據(jù)采集監(jiān)控軟件、配置模塊、數(shù)據(jù)庫等部分組成［2］。監(jiān)測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Architecture structure diagram of monitoring system

1.2 工作流程

當(dāng)計算機發(fā)送命令以后，網(wǎng)關(guān)（匯聚節(jié)點）接收命令，首先，判斷是不是可用的命令，如果可用，根據(jù)命令判斷計算機需要哪個節(jié)點的信息，并向該節(jié)點發(fā)送命令要求將對應(yīng)數(shù)據(jù)傳回網(wǎng)關(guān)。然后，再將接收到的指定節(jié)點的信息通過傳感器網(wǎng)絡(luò)按既定格式發(fā)送給PC機，PC機經(jīng)過數(shù)據(jù)標(biāo)定處理、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)壓縮模塊、將數(shù)據(jù)送入到實時數(shù)據(jù)庫中進行實時數(shù)據(jù)處理并顯示。最后，再根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)定（如定期或者定量）將實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)送入到歷史數(shù)據(jù)庫中。

2 WSNs節(jié)點設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

WSNs節(jié)點要實現(xiàn)對信號數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理和無線傳輸。在功能上，傳感器節(jié)點一般可以劃分為傳感功能模塊（傳感器和調(diào)理電路）、處理器功能模塊（MCU和內(nèi)存）、無線通信功能模塊和電源功能模塊。傳感模塊用于獲取被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)監(jiān)測對象的信息，并進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。處理器模塊用于處理存儲傳感器采集的信息數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)傳感器節(jié)點各部分的工作。無線通信模塊負(fù)責(zé)將處理器輸出的數(shù)據(jù)通過無線信道和傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送給遠(yuǎn)程的監(jiān)控中心。電源功能模塊給傳感器節(jié)點提供所需的能量。

在設(shè)計中，系統(tǒng)采用Chipcon公司生產(chǎn)的CC2430芯片作為系統(tǒng)的射頻芯片，使得處理器模塊和無線通信模塊集成在一起。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 WSNs節(jié)點體系結(jié)構(gòu)Fig 2 Architecture structure of WSNs node

CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了Zig Bee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8位MCU（8051），具有128 kB可編程閃存和8 kB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），4個定時器（timer），AES—128協(xié)同處理器，看門狗定時器（watchdogtimer），32 kHz晶振的體眠模式定時器，上電復(fù)位電路（power-on-reset），掉電檢測電路（brown-out-detection），以及21個可編程I/O引腳。引腳與外圍電路如圖3所示。

2.2 軟件設(shè)計

圖3 CC2430外圍電路Fig 3 Peripheral circuit of CC2430

Zig Bee網(wǎng)絡(luò)支待3種類型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):星形結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)和串狀結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)使用串狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信，網(wǎng)絡(luò)配置1個網(wǎng)關(guān)、1個或多個路由器、多個傳感器節(jié)點。數(shù)據(jù)采集節(jié)點（傳感器節(jié)點）與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點（網(wǎng)關(guān)）間將通過多跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機制進行數(shù)據(jù)傳輸，其中還需要路由協(xié)議進行分組轉(zhuǎn)發(fā)操作［3］。網(wǎng)關(guān)節(jié)點CC2430數(shù)據(jù)采集軟件流程圖如圖4所示，傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)采集流程圖如圖5所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點數(shù)據(jù)采集程序流程圖Fig 4 Flow chart of gate node’s data acquisition program

圖5 傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)采集程序流程圖Fig 5 Flow chart of sensor node’s data acquisition program

3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件開發(fā)

系統(tǒng)采用VB與VC++混合編程的方法進行開發(fā)，VB與VC++混合編程代表著當(dāng)前軟件開發(fā)的一個方向，用VB可以快速開發(fā)出應(yīng)用程序的界面和數(shù)據(jù)處理等模塊;用VC++可以編寫進行底層訪問的DLL函數(shù)，以實現(xiàn)訪問內(nèi)存和硬件端口的操作等，VC++中還可以嵌入?yún)R編語言進行更底層的操作，VC與VB的兩者結(jié)合使程序開發(fā)的效率大大提高。使用VC++編制的動態(tài)鏈接庫DLL以克服VB不能直接針對輸入輸出端口的缺點，并調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的API函數(shù)來實現(xiàn)動態(tài)曲線的繪制和平滑移動等用VB難以實現(xiàn)的功能。

根據(jù)對本系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能分析，開發(fā)軟件的主要功能模塊包括以下幾個部分:實時數(shù)據(jù)采集與控制模塊、數(shù)據(jù)標(biāo)定處理模塊、數(shù)據(jù)濾波壓縮模塊、實時數(shù)據(jù)庫模塊、實時動態(tài)曲線顯示模塊、歷史數(shù)據(jù)管理模塊、系統(tǒng)管理模塊、報警數(shù)據(jù)庫及其管理模塊、多線程技術(shù)模塊、幫助模塊，如圖6所示。

圖6 機組振動監(jiān)測系統(tǒng)軟件功能圖Fig 6 Software function diagram of vibration monitoring system of hydro-generator set

4 存在的問題與解決方案

1）系統(tǒng)目前的節(jié)點數(shù)較少，如果網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴充，網(wǎng)絡(luò)探測時延會隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目的增多而加長，這種時延對時間要求不高的系統(tǒng)可以接受，但網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)拓?fù)渑c調(diào)整則出現(xiàn)明顯滯后，此問題可在路由協(xié)議和MAC協(xié)議方面做更進一步的研究解決［4］。

2）在本設(shè)計中，對各個節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)進行了壓縮處理，適當(dāng)?shù)亟档土讼到y(tǒng)的功耗，若要進一步降低功耗，可繼續(xù)深入對外部能源利用、傳感器節(jié)點協(xié)調(diào)工作、通信協(xié)議優(yōu)化等方面進行研究。

3）本設(shè)計中實現(xiàn)的水輪發(fā)電機組振動監(jiān)測系統(tǒng)仍然無法進行完全自組織組網(wǎng)，在節(jié)點加入的過程中仍然需要人工一定的干預(yù)，雖然這樣組網(wǎng)方式的安全性相對而言比較高，但是在許多的情況下組網(wǎng)缺乏便利，這個不足可通過進一步對應(yīng)用層的軟件設(shè)計進行彌補。

4）所設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊速度較慢，節(jié)點處理能力不足，通過分析可探索通過在CC2430上集成DSP組成雙處理器節(jié)點來進一步提高數(shù)據(jù)傳輸速度和節(jié)點處理能力。

5 應(yīng)用實例

某水電廠有額定功率0.9MW的水輪發(fā)電機組，額定轉(zhuǎn)速為210 r/min，實驗水頭20 m。使用本振動監(jiān)測系統(tǒng)測得的下機架垂直、水平振動曲線，水導(dǎo)X向、Y向擺度振動曲線如圖7、圖8所示。實驗結(jié)果表明:系統(tǒng)運行滿足設(shè)計要求。

圖7 下機架垂直與水平振動曲線Fig 7 Vertical＆horizontal vibration curve of lower frame

圖8 水導(dǎo)X向與Y向擺度振動曲線Fig 8 Swing vibration curve of water mediated X，Y directions

6 結(jié)論

開發(fā)了基于WSNs的水輪發(fā)電機組振動監(jiān)測系統(tǒng)，重點討論了采用CC2430完成的WSNs節(jié)點的設(shè)計，并介紹了用VB和VC++開發(fā)完成的系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)了對水輪發(fā)電機組的無線監(jiān)測。系統(tǒng)不僅擺脫了永久性監(jiān)測系統(tǒng)的有線困擾，而且能夠以更有效、更靈活、更低的成本來完成水輪發(fā)電機組振動監(jiān)測功能。因此，系統(tǒng)有著廣闊的前景。

［1］李 輝，張鵬舉，楊國清，等.基于CC2430的水輪發(fā)電機組無線振擺監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2009，25（1）:55－58.

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［3］任豐原，黃海寧，林 闖.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［J］.軟件學(xué)報，2003，14（7）:1282 －1291.

［4］李建中，李金寶，石勝飛.傳感器網(wǎng)絡(luò)及其數(shù)據(jù)管理的概念、問題與進展［J］.軟件學(xué)報，2003，14（10）:1717 －1727.