基于物联网的风电机组状态视频监控系统设计*

邬春明，刘海维

(东北电力大学信息工程学院，吉林吉林132012)

基于物联网的风电机组状态视频监控系统设计*

邬春明*，刘海维

(东北电力大学信息工程学院，吉林吉林132012)

目前现有的风电机组监控系统主要是采集风电机组的实时参数，却不能直观全面地监视设备运行状态。为了解决风电机组中存在的弊端，提出了基于物联网的风电机组状态视频监控系统。采用嵌入式S3C6410作为核心处理器，控制USB摄像头进行视频数据实时采集并由TFT彩屏液晶显示视频信息，通过短距离无线通信模块nrf2401将采集到的数据传到PC机，最后经过GPRS网络传输到更远的监控中心。该视频监控系统具有质量良好，稳定性好，具有一定的推广前景。

物联网;风电机组;视频监控;Linux;nrf2401

目前现有的风电机组监控系统主要采集风电机组的温度、湿度、风向、风速以及运行状态等，运行人员可以根据这些参数局部的了解各个设备的运行状态，但不能直观全面地监视设备运行状态，限制了运维人员对故障做出实时快速地判断，不能及时地远程操作设备，从而限制了快速地解决风电机组的故障［1］。随着社会的发展，视频监控系统日益完善，但传统视频采集系统一般采用基于PC机平台的有线形式，该方案系统体积大、成本高，在远距离、多点系统中实现困难，并且大多数是基于同轴电缆的模拟视频监控系统受到布线、供电电源、安装场所、安装成本和维修等因素的限制，使其不易推广应用，并且不适合用来实现风电机舱视频监控［2］。在以上背景下，提出了基于物联网的风电机组状态的无线视频监测系统。设计通过S3C6410核心处理器控制USB摄像头采集视频数据，并进行一定的压缩处理，通过无线技术发送接收。在接收端经过一定的解码处理，通过串口或者网卡传输到监控中心的PC机，再通过GPRS接入互联网传到更远处的服务器，使运维人员实时全面的了解风电机组设备的运行状况。

1 无线视频监控系统总体设计

将一定数量的图像采集节点合理布设于风电机舱内，要考虑无线信号传输的通畅，整个系统以S3C6410［3］为核心的处理器，完成视频采集控制和视频图像压缩，之后经过nRF2401无线模块传输。监控中心的nRF2401无线接收模块接收到数据后，经过S3C6410处理后，再通过串口或网口将视频数据传输给PC机(即协调节点)。最后协调节点由GPRS［4］网络传输到更远的监控中心。设计可实现一对一的视频数据传输，也可实现多点之间的视频数据采集传输。完成风电机组的视频监控系统，更好的保证系统的正常运行。系统结构框图如图1所示，一对一的视频传输系统设计框图如图2所示。

图1 系统结构框图

图2 单点视频传输系统框图

ARM系统开发硬件结构，即感知节点结构如图3所示。主控模块包含主控芯片模块、电源管理模块、时钟模块、Flash和SDRAM存储模块，RS232接口、RJ45接口等。

图3 处理器模块

2 部分硬件电路图

2.1 无线模块

nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5 dBm的功率发射时，工作电流只有10.5 mA，接收时工作电流只有18 mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。nRF2401适用于多种无线通信的场合［5-6］。

从表1几种短距离无线通信技术的介绍中可以看出，Zigbee技术由于传输速率较低，所以采用Zigbee技术传输视频，对于图像处理技术要求比较高，而且算法要求比较严格，所以工作量较大，而从功耗、安全性和距离等方面考虑，采用nrf2401模块作为物联网的网络层实现此系统要优于其他几种无线技术。

表1 几种无线通信技术的介绍［7］

系统通过nrf2401芯片的DATA、CE、CS、CLK1、DR1和PWR 6个引脚设置器件的工作模式，实现读/写缓存数据及读/写状态寄存器等功能。通过CLK1、DR1和DATA引脚的状态选择通道工作为方式1，通过 CS引脚状态来设置工作模式选择，nrf2401引脚图如图4所示。

2.2 串口和网口模块

如图5所示，串口采用的是MAX3232和DB9九针孔芯片，可以直接与计算机的串口相连。而网口芯片则采用DM9000芯片和HR911105A以太网接口，通过路由器与电脑相连。通过两种方法中的任意一种将视频数据传输到电脑上。

图4 无线模块芯片

图5 串口与网口连接模块

2.3 电源模块

由于无线模块nrf2401供电电源为3.3V，而且当电源达不到3.3V时会影响接收和发送数据。整个系统的电源原理图如图6所示。

图6 电源模块

3 系统软件平台

嵌入式操作系统是嵌入式的重要组成部分，它为应用程序提供了一个开发软件平台。实现嵌入式系统功能的第1步是进行系统移植，其实包括驱动、内核、文件系统的移植。本文选用了s3c-linux-2.6. 24这个linux操作系统，它具有内核小、效率高、源代码开放、内核直接提供网络支持等优点，只需对内核各种功能和模块进行裁剪，选择本系统嵌入式设备所需要的功能模块，如需要串口驱动、USB摄像头接口驱动，无线模块驱动等，再编译创建镜像文件，使整个系统能够存放到容量较小的Flash中。作为一个操作系统，Linux内核主要负责程序的管理与调度、内存的管理及对外设的驱动和管理等［8-12］。

3.1 Linux设备驱动的移植

驱动程序屏蔽了硬件实现上的细节，向应用程序提供访问硬件设备的接口，应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。本文中主要用到摄像头、串口等驱动，这些驱动的源码都能在网上找到，可以很方便的完成驱动的移植工作。

3.2 系统应用程序开发

整个系统以 S3C6410处理器为核心并通过USB接口接收摄像头数据，并经过处理器进行编码，再经过无线nrf2401模块完成视频的传输。软件方面，Bootloader为引导程序，linux内核和设备驱动程序形成基本的嵌入式运行环境，应用层负责视频的采集、编码、传输。视频采集的具体步骤如下: (1)打开视频设备，(2)读取设备信息，(3)进行视频采集，(4)对视频进行处理，(5)关闭视频。最后通过无线通信模块操作，将采集的视频数据进行传输处理，视频采集节点流程图如图7所示。

图7 视频采集节点流程图

无线接收节点程序设计中，首先同样进行一定的程序初始化，通过无线模块接收发送过来的压缩后的图像数据，之后对采集的视频图像数据解压缩及解码等处理，最后将采集的数据通过TFT液晶屏显示或者通过串口和网卡传到PC机上进行实时的显示监控，视频接收节点程序流程图如图8所示。

图8 无线接收节点流程图

无线通信模块采用nrf2401，编程时首先通过处理器向无线模块中写命令控制字，nrf2401上电进入待机状态，之后再通过处理器向无线模块写命令控制字，将其配置为发送或者接受模式，最后往寄存器中装入要发送的数据，调用发送数据函数［12］。无线模块程序流程图如图9所示。

图9 无线模块程序流程图

4 实际监测情况

图10为视频监测系统工作平台，视频通过S3C6410处理器采集后，经过nrf2401传输到协调节点的处理器模块上，最终通过网口传输到PC机上，视频效果较好，具有一定的应用价值。

图10 视频监控系统实物图

5 结束语

随着嵌入式和物联网技术的不断发展，视频监控系统也正从模拟时代向数字时代和网络时代过渡，正从有线向无线的发展。视频技术还将研发出更多的实用功能，既可以减少布线的复杂度以及线路老化带来的不便，又可以减轻工作人员的工作强度，成为人们工作、生活的得力助手。将无线视频监控系统应用到风电机组状态监控上，对风电故障检测技术也是一种飞跃，该设计实现的视频监控系统质量良好，稳定性好，也适合于医疗、家庭、森林防火等安保系统中，具有广阔的发展前景。

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邬春明(1966- )，男，汉族，吉林省吉林市人，东北电力大学信息工程学院教授，硕士学位，从事信息类专业的教学与科研工作，wuhi1966@126.com;

刘海维(1986- )男，汉，吉林省吉林市人，东北电力大学信息工程学院硕士生，无线通信技术方向，525472025@qq.com。

Design of Video Monitoring and Control System of Wind Turbine Based on the Internet of Thing*

WU Chunming*，LIU Haiwei
(Information Engineering College Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012，China)

The currently wind turbine monitoring system is major getting the wind turbine parameters in real time，but it is not monitoring the full status of the operation.In order to solve the disadvantages of the wind turbine，the video surveillance system is supplied for wind turbine，which is based on the Internet of things.Using S3C6410 as core processor，controlling USB cameras to acquire video data real-time and display video information by TFT，sending the collected data to PC by short-distance wireless communication module nrf2401.Finally，transmitting to the monitoring center by the GPRS network，the video monitoring system has good quality and very stability.

internet of thing;wind turbine;video surveillance;Linux;nrf2401

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.029

TN913.6

A

1005－9490(2014)02－0302－05

项目来源:2013吉林省科技发展计划项目(20130206050GX);东北电力大学博士科研启动基金项目(bsjxm-201104)

2013-06-04修改日期:2013-07-09

EEACC:7210B