专利名称：基于ZigBee的风电场无线数据采集系统的制作方法
技术领域：
本发明是基于ZigBee的风电场无线数据采集系统，属于智能控制领域。
背景技术：
近几年来由于受到全球经济对化石燃料高度依赖的影响，以及出于对环境问题的关心，发电方式的替代选择受到越来越多的重视。同时，在能源市场逐渐多样化这个大趋势下，风能可能是最有前途的可持续能源之一。风在全世界范围内都是一种洁净并且取之不尽用之不竭的能源。最近风力发电技术的改进已经使其成本大大降低，在很多情况下，其成本能和常规发电方式相抗衡。在“十一五”规划指出，全国新增风电装机容量约900万千瓦，到2010年，风电总装机容量达到1000万千瓦。同时提出，在甘肃、内蒙古和苏沪沿海等风能优势地区，重点建设30个10万千瓦以上的大型风电场和5个百万千瓦的风电基地。此夕卜，在经济发达的江苏、福建、山东和广东等沿海地区建成数十个10万千瓦级的大型风电场。由此可以看出，我国投入运行的风电机组的数量正在逐年增加[2]。风电场的正常运行和发电需要很多条件的保障，其中温度、湿度、风速、风向、压力等气象信息常数需要稳定的保持在一定的范围内，所以世界上对这些参数的关注和研究早已经开始了。了解和预测风电场温度湿度等气象参数的变化规律是为农业生产、工业生产和日常生活服务的，具有很大的现实性，因此，采集风电场温湿度等相关气象信息对气候变化的研究以及风力发电产业的快速发展具有重要的意义。过去很长一段时间内，风电场温度、湿度等气象参数的采集一直是人工的方式，直到现在人工观测依然没有完全取代，这种信息采集的方式难免会存在很多缺点，比如，时间的准确性、数据精度性不高，可靠性能差等方面的问题。为了解决这些缺点和进一步推进风电产业的发展，更好的利用风能资源为人类造福，需要准确调查、掌握、分析风电场的各种气象参数，因此非常有必要建立一个风电场气象参数的无线数据采集系统，实时采集和监测当地风能的状态并进行定时的存储，为分析风能的规律以及风能的其他应用提供可靠的数据依据和技术支持。随着电子计算机科学技术、信息科学技术的发展以及新一代通讯设备投入使用，移动通信技术和无线传感网络技术得到了突飞猛进的发展。充分利用现有的无线通信网络技术，逐步建立风电场的无线数据采集系统，可在很大程度上减小人工观测和现场布线带来的不便和局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于ZigBee的风电场无线数据采集方案。具体实现包括以下步骤(I)风电场所需要采集的温度信息是从_40°C到+65°C，使用DS18B20数字温度传感器采集。湿度传感器采用SHllOO型电容式湿度传感器。压力传感器型号为24PCEH12G，压力类型为差压，压力量程为O到3400Pa，供电电源为O到12VDC(2)信息的传输风电场需要温度、湿度、压力等数据采集的网点很多，客观上需要组建一个近距离无线通信网络，所以该设计方案采用ZigBee无线通信方式。(3)微处理器及存储方式风电场温度湿度压力等数据采集和无线通信系统设备的体积都很小，不方便用较大的电池供电，因此选择CC2430芯片作为微处理器。选取SD卡进行数据的存储。综上所述，系统利用DALLAS公司生产的单总线器件DS18B20数字温度传感器和压力传感器，将采集到的温度湿度压力等数据经过模拟电路进行调理，调理完成之后送入CC2430芯片的A/D通道进行数据转换，完成信号的采集，再将转换后的数据通过ZigBee近距离无线通信方式传输到地面接收器，再经单片机处理存储到SD卡完成对数据的存储。本发明的优点在于能够取代人工和现场布线来方便快捷的实现风电场所在环境各种气象参数的采集，给人们提供足够的实时信息来保障风电场的正常运行。
图1为本发明的系统总体结构框图；图2为硬件系统设计方案；图3为ZigBee星形网络拓扑结构图；图4为协调器建立网络和传感器节点入网流程图；图5为协调器接收数据流程图；图6为终端子节点发送数据流程图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明a)硬件系统设计结合附图2，基于ZigBee技术的无线数据采集系统一般有协调器节点、路由器节点和传感器节点构成，适用于星型和簇状网络的无线数据采集。最底层的传感器节点在监测区域内负责加入协调器网络并向其发送采集到的数据，簇状网络中，中间层路由器节点是数据汇聚中心，它负责接收所有传感器节点发送的数据，并对数据进行融合处理，上层监控主机用来显示和存储环境监测的数据，对网络发送命令。协调器是分布式处理中心，属于全功能设备，负责建立和管理网络，通过UART串行端口与PC机通信，用户通过协调器节点对网络进行配置和管理，发布监测任务和收集监测数据。b) ZigBee星形组网的设计结合附图3，星型网络是一个辐射状系统，由一个协调器和若干个终端传感器节点设备构成。在这种拓扑图中，协调器负责网络的管理和数据的收集工作，而终端传感器节点利用传感器采集数据，并把数据通过无线的方式转发给协调器。所有终端传感器节点只能与协调器通信，而终端传感器节点之间的通信要通过网络协调器的转发来完成。结合附图4，协调器组网所用的PAN ID和信道参数均设为默认值，不再进行选择。每次组网前，赋给信道一个初始值。协调器在特定的信道上组网，首先要进行3次CCA检测。若检测3次后,信道仍为空闲则在该信道上组网,若任何一次为忙碌,则更换信道,重新进行检测，直到检测到空闲信道为止，然后在该空闲信道上组网。协调器接收到传感器节点入网请求后，为子节点分配16位网络地址，并建立邻居列表和地址映射表，将子节点的信息加入到邻居列表中，与其建立网络连接关系。结合附图5，协调器接收到传感器节点的数据信息后，按照协议栈MAC层-NWK层-APL层的顺序自底而上，层层进行数据包解析，每一层按照各自的帧格式对信息包头进行分解。在肯定该信息为本网络节点数据信息后对信息负载进行提取，否则丢弃。最后通过串口显示传感器节点采集的数据信息。结合附图6，终端传感器节点主要任务是加入协调器网络并向其发送采集数据。终端传感器节点上电初始化后，现在初始信道上进行CCA检测。若信道空闲，才能在该信道上执行入网程序，否则就要更换信道重新检测。本系统采样信标不使能模式，协调器不定期广播信标帧，节点在入网前，向网络中协调器发送信标请求。当收到信标响应后，节点再向协调器发送连接请求，如果请求得到正确响应，则节点入网成功，从协调器得到一个可用的网络地址作为本网络的标识；否则，节点入网失败。c)降低节点功耗的设计本发明采用ZigBee技术，很好的实现了传感器节点低功耗的要求。这种休眠的实现是通过设置相关寄存器来完成的。其中SLEEP是睡眠模式控制寄存器，用于设置四种功能模式。RFPWR是设置射频功率，进入休眠模式时，需要将电压调整器的模拟部分关闭。PCON是电源模式控制器，最低位设置为I时，系统强制进入SLEEP所设定好了电源模式。设计中必须同时使用两个寄存器，节点才能进入休眠模式。CC2430根据功耗的不同分为四种工作模式，分别为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，所有振荡器不工作，通过外部中断来转入PMO模式，适用于在等待外部事件触发时达到低功耗状态的情况。PMl和PM2都可以通过重置，外部中断或者休眠定时来唤醒转入PMO模式，PM2相对PMl休眠时间长。设计选用PM2模式作为传感器节点低功耗模式，睡眠定时器采用内部32. 768KHz的RC振荡器提供时钟。PM3模式虽然功耗低，但需要外部中断或重置才能进行数据收发控制，PM2模式相对于PMl模式适用于节点长时间内的休眠状态，且功耗低，因此选用PM2模式。首先打开睡眠定时器(ST)的中断，将ST的中断标志位清零。睡眠定时器/技数比较寄存器为3了2:51'1:51'0，睡眠定时器计数/比较值读寄存器应先读ST0，写寄存器就后写ST0。ST中断使能标志是IENO. STIE,中断标记是IRCON. STIF。之后设置睡眠定时器系统进入和退出低功耗PM2睡眠模式的睡眠时间，睡眠定时器的中断来定时唤醒传感器节点进入PM2模式。
权利要求
1.基于ZigBee的风电场无线数据采集系统，ZigBee星形网络的实现，其特征在于:采用状态机的方式对协议栈的各个动作进行转换，协议栈每层都有FSM追踪进行的操作，每一次的服务调用都会引起协议栈自顶而下的服务响应，协议栈一次只能执行一个服务，通过重复调用apsBusyO函数可以判断协议栈是否忙着处理上一个服务，顶层的状态机函数SapsFSMO等同于标准协议栈中的APLTaskO函数。
2.传感器节点低功耗的实现，其特征在于:设计选用CC2430中的PM2模式作为传感器节点低功耗模式，睡眠定时器采用内部32.768KHz的RC振荡器提供时钟，首先打开睡眠定时器(ST)的中断，将ST的中断标志位清零，睡眠定时器/技数比较寄存器为ST2: STl: ST0，睡眠定时器计数/比较值读寄存器应先读ST0，写寄存器就后写STO，ST中断使能标志是ΙΕΝ0.STIE,中断标记是IRCON.STIF，之后设置睡眠定时器系统进入和退出低功耗PM2睡眠模式的睡眠时间，睡眠定时器的中断来定时唤醒传感器节点进入PM2模式。
全文摘要
本发明属于智能控制领域，具体是一种基于ZigBee的风电场无线数据采集系统。本发明设计了一种无线数据采集系统，对系统硬件电路进行了详细说明，实现了风电场无线数据采集系统。其硬件设计中最底层的传感器节点在监测区域内负责加入协调器网络并向其发送采集到的数据，簇状网络中，中间层路由器节点是数据汇聚中心，它负责接收所有传感器节点发送的数据，并对数据进行融合处理，上层监控主机用来显示和存储环境监测的数据，对网络发送命令。其软件设计主要是ZigBee的星型组网，包括协调器节点和终端传感器节点的设计，节点发送和接收数据的流程，最后是星型组网的实现。
文档编号H04W84/18GK103077594SQ20121055516
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者彭力, 韩潇 申请人:江南大学