引 言

在世界傳統(tǒng)能源形勢日益嚴(yán)峻的今天，各國越來越重視清潔能源的發(fā)展。在發(fā)展最快的風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，海上風(fēng)力發(fā)電具有發(fā)電時間長、節(jié)省土地資源等優(yōu)勢。但由于發(fā)電設(shè)備遠(yuǎn)離大陸，海上環(huán)境惡劣多變，工作人員難以進(jìn)行定期的巡回檢查，因此海上風(fēng)電的運(yùn)維成本居高不下，占到項目生命周期成本的 18% ～ 23%[1]。所以使用安全穩(wěn)定的海上風(fēng)電監(jiān)測系統(tǒng)是降低海上風(fēng)電成本的有效手段。

風(fēng)力發(fā)電作為世界上發(fā)展最快的新能源發(fā)電技術(shù)，國內(nèi)外對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)已經(jīng)有了較為深入的研究，一批成熟可靠的有線通信系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛使用。目前海上風(fēng)電仍沿用陸上風(fēng)電場的監(jiān)控手段，這種有線通信方式無法適應(yīng)海上風(fēng)電的特殊性，在海底布置線纜不僅難度大，還容易被海水腐蝕，導(dǎo)致海上風(fēng)機(jī)故障頻發(fā)，造成很大的損失。其次，有線通信方式在面對較多機(jī)組時，數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量受到影響。如今海上風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量不斷增加，海上風(fēng)電場趨于大型化，有線通信方式顯然難以滿足海上風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，無線通信技術(shù)也被應(yīng)用到風(fēng)電監(jiān)控領(lǐng)域 [2-3]。汪科等提出一種基于 3G 網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電故障檢測系統(tǒng) [4]。將設(shè)備在風(fēng)電機(jī)組上采集到的數(shù)據(jù)，通過 3G 網(wǎng)絡(luò)傳輸給后臺進(jìn)行分析處理，而 3G 網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量取決于運(yùn)營方基站信號的覆蓋，海上風(fēng)電場往往離岸較遠(yuǎn)，3G 網(wǎng)絡(luò)信號較差，而且增設(shè)或改建 3G 基站的成本極高。秦旭斌針對這種狀況提出了一種基于 ZigBee 的海上風(fēng)電長距離監(jiān)控節(jié)點 [5]，它不依賴大功率基站，可通過在風(fēng)機(jī)上裝設(shè)傳感器節(jié)點與網(wǎng)關(guān)通信，具有功耗低、自組網(wǎng)、組建方便等優(yōu)勢。但 ZigBee作為一種短距離局域網(wǎng)技術(shù)，其傳輸距離即使加強(qiáng)功率也僅有數(shù)百米，難以滿足大型海上風(fēng)電場的需求。

因此，本文提出一種基于 Sub-1GHz的海上風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計。相比 WiFi、藍(lán)牙與 ZigBee 技術(shù)，頻率更低的 Sub-1GHz頻帶通信具有更遠(yuǎn)的通信距離以及更好的穿透力，并避開了較為擁堵的 2.4GHz頻帶， 可通過跳頻等方式提供更好的抗干擾性。該節(jié)點基于 TI- 15.4Stack 協(xié)議棧，組網(wǎng)方便，易于使用。本文首先介紹了監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架以及工作原理，再分別從硬件與軟件方面設(shè)計了系統(tǒng)的發(fā)射節(jié)點。經(jīng)過實驗測試可知，該節(jié)點收發(fā)功率消耗低，傳播距離遠(yuǎn)，可以實現(xiàn)輕量級海上風(fēng)電監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于 Sub-1 GHz 節(jié)點的海上風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)分為海上機(jī)組與岸邊后臺兩部分，包括安裝在機(jī)組與測控傳感器相接的發(fā)射節(jié)點，設(shè)置在岸邊用于接收集總數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點，以及用于提高中繼信號傳輸效率的中繼節(jié)點。

傳感器測點主要由轉(zhuǎn)速測點、振動測點與溫度測點組成， 它們分布在風(fēng)電機(jī)組的各個關(guān)鍵位置，用以反映設(shè)備運(yùn)行時的狀態(tài)，并與發(fā)射節(jié)點相接以采集信號，將采集到的信號傳輸?shù)桨l(fā)射節(jié)點上，發(fā)射節(jié)點對信號進(jìn)行處理后通過無線網(wǎng)絡(luò)集中傳輸給岸邊后臺的網(wǎng)關(guān)節(jié)點，最后由網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)等上傳給集控中心進(jìn)行檢測與分析。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

某大型海上風(fēng)電場北端距岸線 8 km，南端距岸線 13 km，由 20 臺 3 MW 風(fēng)機(jī)分成三排布置，風(fēng)機(jī)南北間距 750 m，東西間距 1.2 km。在保證傳輸速率的條件下，需滿足傳輸距離的要求，且盡可能減少中繼次數(shù)，兩節(jié)點間單條無線鏈路至少提供 10 km 鏈路長度。

本系統(tǒng)中的節(jié)點按功能劃分，主要分為發(fā)射節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點、中繼節(jié)點，不同節(jié)點在硬件方面雖然由于功能的區(qū)別在 I/O 拓展口等部分略有不同，但其核心 MCU 以及 RF 射頻模塊均采用同種配置，本文將以系統(tǒng)發(fā)射節(jié)點為例，介紹節(jié)點的相關(guān)電路設(shè)計。

系統(tǒng)發(fā)射節(jié)點直接與傳感器相連， 傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過MCU 處理后傳輸給 RF 射頻模塊，變?yōu)樯漕l信號，射頻信號工作在 Sub-1 GHz 頻段，為了使系統(tǒng)傳輸距離能夠滿足海上風(fēng)電監(jiān)控場合的實際需要，通過功率放大器增強(qiáng)收發(fā)功率， 最后經(jīng)天線增益發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點上傳至集控中心，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

本方案的各個節(jié)點均采用 TI公司設(shè)計生產(chǎn)的 CC1310 超低功率無線微控制芯片， 該芯片支持 TI-15.4Stack協(xié)議棧，是一款高集成度的 RF芯片，整合了完整的 RF系統(tǒng)以及一個片上 DC-DC。它搭載了 ARM32位Cortex-M3處理器， 功耗極低。其在射頻方面的最大優(yōu)勢是優(yōu)異的射頻靈敏度（50 kbps/-110 dBm）以及出色的阻斷性能，適合距離較遠(yuǎn)的通信場合。

CC1310 芯片支持 1.8 ～ 3.8 V 寬工作電壓，在本設(shè)計方案中采用 3.7 V 鋰電池供電，主控制器采用 DC-DC 電源工作模式，其供電接口電路示意圖如圖 2 所示。主電源部分經(jīng)過磁珠與退耦電容的濾波，使芯片達(dá)到最好的射頻基帶性能。為了降低節(jié)點運(yùn)行的功耗，本設(shè)計方案分別采用 24 MHz 與32.768 kHz 兩塊主輔晶振作為時鐘源，系統(tǒng)休眠時低頻率輔助晶振工作，以減小電流。

為了能使節(jié)點滿足海上風(fēng)電的通信距離要求，本方案加 裝了獨立的 RF射頻模塊，根據(jù)我國無線電管理相關(guān)功率限制，將提高節(jié)點射頻的發(fā)射功率至 20 dBm，以確保射頻范圍能夠滿足海上風(fēng)電運(yùn)行的需要。本方案使用了 SKYWORKS 公司設(shè)計生產(chǎn)的 SKY66115-11功放芯片，該芯片封裝了一個功率放大器及開關(guān)，同時還包括關(guān)機(jī)模式，可以最大程度降 低功耗。該芯片與 CC1310兼容性極好，能實現(xiàn) 50Ω負(fù)載阻抗最佳發(fā)射效率。在本設(shè)計方案中 CC1310微控制芯片射頻接口采用外部偏置的單端接線模式，RF_N 腳設(shè)置為單端模式下低噪聲放大器輸入，經(jīng)由匹配電路連接到功放芯片的RX接口，在此端連接電感用于外部偏置電路，以增強(qiáng)靈敏度 ； RF_P腳作為輸出，通過隔直電容與功放芯片的 TX接口相連。為了抑制帶外信號與通信設(shè)備相互干擾，傳輸路徑從功 放芯片連出后進(jìn)入節(jié)點前端，接入一個額外的低通濾波器電 路以限制不必要的信號進(jìn)入接收路徑，節(jié)點前端還裝設(shè)有一 個小型螺旋線射頻天線以及一個天線匹配電路來提高信號的 傳輸，對節(jié)點信號具有全向增益效果。另外，為了方便調(diào)試 以及測試 RF導(dǎo)通能力，節(jié)點前端還包括一個 SMA接頭來連接測試設(shè)備。節(jié)點前端電路如圖 3 所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

發(fā)射節(jié)點在系統(tǒng)中的主要功能是與岸邊后臺的無線接收網(wǎng)關(guān)連接，并周期性地將從傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過一定處理傳輸給后臺網(wǎng)關(guān)節(jié)點。節(jié)點工作后，首先會對信道進(jìn)行檢測，如果信道空閑將會對網(wǎng)關(guān)發(fā)送入網(wǎng)請求，直至網(wǎng)關(guān)收到請求并回復(fù)響應(yīng)給節(jié)點即入網(wǎng)成功 ；如果未收到網(wǎng)關(guān)節(jié)點響應(yīng)，將延遲一段時間后繼續(xù)發(fā)送入網(wǎng)請求。成功與網(wǎng)關(guān)節(jié)點建立連接之后，節(jié)點打開計時器并進(jìn)入休眠模式，直至計時器喚醒模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取與發(fā)送。在某些時候，后臺控制端需要手動對節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如果收到后臺指令，節(jié)點被喚醒，并暫停自動計時器，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。為了能準(zhǔn)確進(jìn)行定時的穩(wěn)定監(jiān)控，在入網(wǎng)成功并執(zhí)行功能的 K 個周期后將重新進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)同步。在不進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的其他工作時間，發(fā)射節(jié)點將以超低功耗的休眠模式運(yùn)行。發(fā)射節(jié)點的工作流程如圖 4 所示。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點架設(shè)靠近岸邊，主要用來與海上風(fēng)電機(jī)組發(fā)射節(jié)點進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)連接，集總數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)上傳至后臺。網(wǎng)關(guān)節(jié)點長時間處于接收狀態(tài)，隨時偵聽發(fā)射節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)請求， 一旦收到入網(wǎng)請求，將立即給節(jié)點分配地址并向其返回工作信息。與發(fā)射節(jié)點成功建立網(wǎng)絡(luò)連接后進(jìn)行信息同步，便可與節(jié)點進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)收發(fā)，以及控制指令的下達(dá)，節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)將通過串口由以太網(wǎng)上傳至集控中心進(jìn)行分析與處理。無線接收網(wǎng)關(guān)的工作流程如圖 5 所示。

4 測試結(jié)果

4.1 收發(fā)功耗測試

本設(shè)計方案采用 3.7 V 鋰電池供電，其最大發(fā)射功率為20 dBm，發(fā)射功率與電流關(guān)系見表 1 所列。節(jié)點與每小時與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行同步的接收電流為 6.3 mA，用時 40 ms。假設(shè)數(shù)據(jù)發(fā)射周期為 60 s，發(fā)送耗時為 42.4 ms，節(jié)點休眠電流為0.011 mA，則單個節(jié)點以最大功率工作一天僅發(fā)送與接收所消耗的電量約為 1.66 mAh，由此可見，該節(jié)點進(jìn)行收發(fā)時功率消耗較低。

4.2 通信距離測試

在海面上兩個節(jié)點間的通信距離決定了整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，待發(fā)射節(jié)點與接收節(jié)點成功建立網(wǎng)絡(luò)連接后， 在視距內(nèi)不斷拉開接收節(jié)點的距離，測試其接收信號強(qiáng)度指示 RSSI 以判斷連接質(zhì)量。在該試驗中， 發(fā)射節(jié)點天線距地平面高度為 80 m，接收節(jié)點高度為 10 m，頻段設(shè)置為433.29 MHz，波特率設(shè)置為高通信速率 50 kbps。在 10 km 處，測得接收功率約為 -84 dBm，接收機(jī)可以收到發(fā)射節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，因此可以滿足預(yù)定的距離要求。

在實際測試中，節(jié)點可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)傳輸速率，若將傳輸速率設(shè)置為 4.8 kbps，那么接收機(jī)在 20 km 處仍可成功接收到發(fā)射信號。發(fā)射節(jié)點與接收節(jié)點的天線高度會對通信距離產(chǎn)生較大影響，將發(fā)射節(jié)點安裝在海上風(fēng)電塔機(jī)較高處， 會得到更理想的傳輸距離。在實際運(yùn)用中，可以根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)節(jié)設(shè)備的位置以獲得更好的效果。

5 結(jié) 語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，Sub-1 GHz 頻段通信憑借其低功率、遠(yuǎn)距離以及抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點，不斷被應(yīng)用于各種工業(yè)場合 [6-8]。本文設(shè)計了一種基于 Sub-1 GHz 頻段的海上風(fēng)電傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，包括發(fā)射節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點以及中繼節(jié)點，并在軟件方面實現(xiàn)了節(jié)點的組網(wǎng)運(yùn)行。該節(jié)點被應(yīng)用于海上風(fēng)電監(jiān)控系統(tǒng)中，具有覆蓋廣、功耗低、穩(wěn)定可靠等特點，有利于降低海上風(fēng)電的運(yùn)維成本，提高海上風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率。