基于ZigBee的风电机舱火灾预警系统设计*

邬春明，杨　涛，张金强（东北电力大学信息工程学院，吉林吉林132012）



基于ZigBee的风电机舱火灾预警系统设计*

邬春明，杨涛*，张金强
（东北电力大学信息工程学院，吉林吉林132012）

摘要：为了解决风电机组中火灾隐患带来的损失，提出了基于ZigBee的风电机舱的火灾预警系统。系统由传感器采集节点、网络协调节点，以及监控中心节点组成。采用CC2530作为处理器来控制传感器采集风机舱内主要的火灾隐患位置，在协调节点汇聚，通过GPRS网络传送到远处监控中心。通过实验和测试，系统运行稳定，可靠性高，预警准确，能够有效的监测各区域的各个时间段的运行情况，从而能够保证风电机组安全、稳定的运行。

关键词：风电机舱；防火；CC2530；GPRS网络；软件平台

项目来源：国家自然科学基金项目（61301257）；2013吉林省科技发展计划项目（20130206050GX）

由于全球能源供应紧张，环境污染问题的日益严重，作为绿色能源的风能已受到世界各国的高度关注和重视。2014年3月，中国可再生能源学会风能专业委员会正式公布《2013年中国风电装机容量统计》。2013年中国（不包括台湾地区）新增安装风电机组9356台，装机容量16 088.7 MW，累计安装风电机组63120台，装机容量91 412.89 MW，年增长21.4%。年发电量达到1 400亿kW·h。预计到2020年，风电装机容量将达到1.5×105MW［1］。随着风电机组的容量的加大，风电机组的火灾隐患也日益的突出，因此预防风电机组火灾的发生也成为风电机组研究的热点课题。

机舱内有主轴、润滑散热系统、齿轮箱、刹车系统、发电机、提升机、偏航轴承、偏航驱动、机舱底座、照明系统、传输电缆、控制柜等［2］。容易由于高温运行、通风不良、过热老化、润滑油泄露、高速制动和极端恶劣气候条件等原因引起火灾［3］。

叶轮部分会因叶片遭受雷击、电机超负荷运行、控制系统过热老化击穿等原因引起火灾。塔柱一般为中空圆柱形，设有数个平台，内有爬梯、传输控制电缆，塔架底层设有变频柜、控制柜等。容易由于控制柜空间狭小、通风不良、电气元件过热老化击穿，电缆过流绝缘能力降低而引发火灾［4］。

目前在线监测技术已经在农业［5］、医疗［6-7］、航海［8］、风电［9-10］等领域得到广泛的利用，国内外关于风电机组在线检测技术也比较成熟，并且开发了一些专用监测设备［11］。其中风电机舱是风电机组的重要组成部分，且风电机组的主要设备都在机舱内，因此风电机舱的安全、稳定的运行是风电机组安全运行的关键。本文火灾预警系统主要针对风电机舱的监测。

1　系统硬件设计

1.1系统组成及工作原理

风电机舱监控系统主要由传感器采集节点、GPRS无线网络、监控中心节点等3部分组成，将传感器节点部署在风电机舱内主要的火灾隐患易发生位置，主要监测的关键部位有齿轮箱润滑油温度、发电机线圈温度、发电机前轴承温度、发电机后轴承温度、控制柜温度等。传感器采集节点将采集得到的实时数据（各监测区域的温湿度和烟雾浓度等）汇集到协调器节点，再通过GPRS模块将数据发送至监测中心，在监测界面中设定了各数据的阈值，当温度或烟雾浓度超过阈值，则指示灯报红，并通过GPRS网络发送到工作人员手里的手持终端，工作人员可根据手持终端开启灭火系统。系统结构图如下图1所示。

1.2协调器节点设计

协调节点是整个网络的核心部分，负责整个网络协议的分配，是数据采集的节点的汇聚节点，将汇聚来的数据通过GPRS网络传输的远处的监控中心，系统框图如图2所示。

1.3CC2530外围模块电路

处理器采用CC2530芯片，芯片及外围电路图如图3所示。满足以ZigBee为基础的2.4 GHz ISM波段应用，以及ZigBee对低成本，低功耗的要求；集成了增强型高速8051内核处理器，8 kbyte的RAM，多达256 kbyte的闪存以及支持更大的应用。

图1　系统总体结构图

图2　ZigBee协调节点模块

图3　CC2530外围模块电路

1.4电源模块

ZigBee模块采用3.3 V电压供电，当电压达不到3.3 V时，对收发产生一定的影响。该系统通过变压芯片，由5 V转3.3 V，提供稳定的电源供应［12］，电路图如图4所示。

图4　电源模块

由于大型风电机组利用大型的机械设备进行发电，产生机械振动能，将其转换为电能，无需布线和电池，就可以提供驱动传感器的能量，减少因更换电池带来的不便。该设计可以安装到狭小的空间和大型机械设备，而且在不需要维护的情况下无限期工作，尤其适合需要常使用寿命、高温运行或者人员难以接近的应用中。

1.5温湿度采集节点设计

该系统通过采用SHT11数字温湿度传感器对机舱的各监控位置的温湿度进行数据的采集，并将MCU1微控芯片进行控制，其电路图如图5所示。

图5　温湿度采集模块电路

1.6烟雾传感器模块

该系统的烟雾传感器采用MQ-2，在可燃气体或烟雾中MQ-2烟雾传感器的电阻会有相应的变化，电路图如图6所示。

图6　烟雾传感器电路图

2　系统的软件设计

ZigBee模块上电后，CC2530硬件设备初始化并尝试加入无线传感器网络，当加入到网络，传感器节点进入低功耗的休眠模式。当定时器发生中断，进入工作模式，通过传感器采集数据，并将温度等数据向上层传输。之后检查数据是否传输完成，成功则再次进入休眠模式，等待下次中断发生，否则重新发送［13］，程序流程图如图7所示。

协调节点是整个网络的核心部分，负责网络协议的分配，以及数据的中转，协调节点首先初始化CC2530并建立一新ZigBee网络，然后进入无线监测模式。在此状态下，判断信号是入网信号还是传感器的检测数据，以此决定是分配地址或是将数据传到GPRS模块。

图7　传感器节点程序流程图

图8　协调节点程序流程图

3　监控中心模块

监控中心具历史数据查询、显示历史数据曲线、开始查询、打印输出、报警模块、启动和关闭灭火系统、以及返回监控中心等功能，监控中心模块图如图9所示。

风电机组运行参数监测、故障诊断以及控制管理平台界面如图10所示，风电机组正常运行时，状态指示灯绿灯点亮；当温度值超过了设定的着火点的临界值时或者烟雾传感器感觉到烟雾浓度较大时，红灯就会点亮，因此监控中心工作人员可以根据实际情况控制并启动灭火系统。

1号机组历史数据查询界面如图11所示，显示各个容易发生火灾故障的数据信息。

1号机组温度曲线图形界面如图12所示，打印历史数据信息，并通过描点画出历史温度曲线，使监控人员更直观的了解温度的走势。

图9　监控中心模块

图10　风电机组运行参数监测中心

图11　1号机组数据查询平台界面设计

图12　机组温度曲线图

4　系统测试

在系统测试部分，采用是杭州丘捷公司生产的CC2530系列开发板，这套开发板包括2个Q2530EB多功能开发板和3个Q2530BB开发板，Q2530EB板和Q2530BB板拥有串口液晶显示接口、RS232接口、5V电源接口、USB供电接口等多个接口，系统支持2.4GHz-IEEE 802.15.4标准以及ZigBee2007/PRO标准。其开发套件实物图如图13所示。

图13　ZigBee开发套件实物图

通过温度模块对温度数据进行采集来检验系统的可靠性，终端节点采集到的温度数据通过节点发送给协调节点，协调节点再通过串口线与电脑连接，采集到的数据就可以在显示器中显示出了。通过测试结果表明，系统运行稳定、可靠。

5　总结

该系统以成熟的ZigBee技术应用于风力发电机组火灾监测系统中，通过短距离无线通信技术对风电机舱内的主要火灾监测参数进行采集，最终通过GPRS网络传输到远处监控中心，进行故障监测，并且当发生火灾事故或有火灾安全隐患时，启动灭火系统，保证风电机组安全、稳定的运行。

参考文献：

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［2］郝国文.大型风电机组传动系统故障诊断信息分析方法研究与应用［D］.燕山大学，2011.

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［4］张红玲.风电快速发展中的火灾隐患不容忽视［J］.内蒙古科技与经济，2012，251（1）：107-108.

［5］常超，鲜晓东，胡颖.基于WSN的精准农业远程环境监测系统设计［J］.传感技术学报，2011，24（6）：879-884.

［6］彭兰地，米明.基于3G技术的远程医疗监护系统设计［J］.计算机与现代化，2013，209（1）：88-91.

［7］王竹林，秦会斌，胡炜薇，等.基于ZigBee的无线呼叫系统的设计与实现［J］.电子器件，2009，32（3）：612-615.

［8］Kõuts T，Lilover M J，Vahter K. On-Line System for Monitoring and Forecast of Ship Resistance in Ice，Supporting Winter Naviga⁃tion in the Baltic Sea［J］. Baltic International Symposium（BAL⁃TIC），The Republic of Estonia，Tallinn，2014：1-5.

［9］Michal Kovalˇcík，Peter Feciíak，František Jakab. Control and Moni⁃toring System of Small Water and Wind Power Plant Emerging eL⁃earning Technologies and Applications（ICETA），2013：235-238.

［10］苏连成，李兴林，李小俚，等.风电机组轴承的状态监测和故障诊断与运行维护［J］.轴承，2012，（1）：47-53.

［11］American Wind Energy Association. Global Wind Energy Market Report［R］. 2008：13-37

［12］蔡文晶，秦会斌，程春荣.基于CC2430片内温度传感器的温度监测系统［J］.电子器件，2010，33（3）：295-298.

［13］侯艳波，秦会斌，胡建人，等.基于嵌入式和ZigBee技术的节能系统的设计与实现［J］.电子器件，2012，35（6）：670-673.

邬春明（1966-），男，汉族，吉林省吉林市，硕士学位，东北电力大学信息工程学院教授，硕士生导师，从事无线通信技术领域科学研究与教学工作，wuhi1966@ 126.com；

杨涛（1991-），男，汉族，江西省抚州市，东北电力大学信息工程学院研究生，主要从事无线传感网络定位及系统硬件设计的研究，452065227@qq.com；

张金强（1987-），男，汉族，河北省邯郸市，东北电力大学信息工程学院研究生，主要从事无线传感网络定位，joy⁃brick@126.com。

Design and Implementation of Wireless Voltage Monitoring System Based on ZigBee

YANG Yong*

（Huai’an College of Information Technology School of Electronic Engineering，Huai’an Jiangsu 223003，China）

Abstract：A low cost wireless voltage monitoring system based on ZigBee wireless transmission which contains a new floating voltage sensor was proposed. It is suitable for medium and high voltage（MV/HV）of public equipment monitoring. The system uses TI-CC2530 as the controller and through reasonable hypothesis proposes a new mov⁃ing average voltage sensing（MAVS）algorithm，and the single-phase and three-phase voltage applied algorithm are analyzed in theory. The actual experiment finally to wireless floating voltage sensor uses in the voltage up to 30 kV，the experimental results show that the proposed low cost wireless voltage sensor can realize the functions of voltage monitoring well，error is less than 3%.

Key words：voltage monitoring；voltage sensor；ZigBee；MAVS algorithm

doi：EEACC：7310B；721010.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.045

收稿日期：2015-04-12修改日期：2015-08-31

中图分类号：TN92

文献标识码：A

文章编号：1005-9490（2016）01-0216-06