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procedure dia Technology 17 (2014) 461 - 470

电子、电信和计算机会议- CETC 2013

ZigBee协议对城市风力涡轮机的无线监控:支持应用软件和传感器模块

N.C. Batistaa,c, R. Melicioa,c,*, V.M.F. Mendesa,b, J. Figueiredoa,c

^a德埃沃拉大学物理系，埃沃拉7004-516，葡萄牙

^b里斯本高级工程师协会，电子工程和自动化部，里斯本，1959-007 ^c葡萄牙里斯本1049-001里斯本葡京大学高等技术学院IDMEC/LAETA

摘要

本文是关于城市垂直轴风力机的无线监测，重点研究了分层系统用于传感器计算框架、数据采集、数据处理和存储系统互联的问题。传感器模块采用ZigBee协议的低功耗无线网络来连接。简要介绍了一种用于监测的电压电流传感器和红外光电传感器。在模块设计、无线网络创建和计算工程中考虑了智能电网环境下的可用性。

copy; 2014 The Authors. Published by Elsevier Ltd. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/). Peer-review under responsibility of ISEL – Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, Lisbon, PORTUGAL.

关键词:无线通信;无线局域网协议;传感器;云计算

介绍

据报道，在21世纪的头十年，风能转化为电能的开发越来越多。风能转换集成了电力系统的混合发电，具有与传统火力发电相竞争的低成本优势。此外，风能是未来城市小范围开发的有价值的分散能源之一，垂直轴风力机(VAWT)比水平轴风力机(HAWT)具有更好的风力条件的优势。

为了实现小规模城市地区开发的最理想设计而开发的新VAWT的开发推动了传感器，数据采集，数据处理和存储系统互连的计算框架设计的发展，以测试提出的技术创新。为VAWT现场测试而构建的原型。此外，在具有ZigBee标准的低速无线个人区域网络（LR-WPAN）上开发了几个传感器，用于现场测试VAWT行为数据采集。这种开发甚至在测试之间进行，因为必须考虑不可预见的情况，例如，使功能适应所遇到的需求。

设计了一个具有七层的计算分层框架，以加速传感器的开发，功能的修改以及促进与数据采集和存储系统的集成。这种设计计算分层框架是模块化的，能够适应智能电网中的服务以及新的VAWT的未来服务。计算分层框架不仅能够为新开发提供加速，而且能够简化和修改传感器操作。

本文包括计算分层框架的开发，用于VAWT原型机传感器模块的测试以及相应的单片机编程结构。本文的其余部分组织如下。第2节介绍计算分层框架。第三节介绍了采用ZigBee标准的电压传感器、电流传感器和红外光电传感器。最后，第4节提供总结说明。

分层系统

分层系统用于传感器的计算框架，数据采集，数据处理和存储系统互连。为了在技术和结构上独立，每一层都有一个选项设计。这种计算分层框架可以转换为云架构系统，提供与现有互联网云服务集成的能力。

虽然本文的主要应用是面向传感器数据采集，但计算框架的设计是为了方便执行器的集成，提供了一种在智能电网服务中引入加速的方法。开发的计算分层框架系统如图1所示。

图1计算分层框架。

图1中的计算分层框架是模块化的，具有七层，不仅简化了服务的创建，而且还允许新的开发。实现所开发的计算分层框架系统的最终硬件的简洁说明如图2所示。

图2计算分层框架系统。

图1和图2都旨在给出设计计算分层框架系统的主要计算参与部分。每层引入的部分功能以及层之间的交互如下：第一层是传感器/执行器模块层（1）。该层包括传感器和致动器的模块。如有必要，第一层可以进行本地数据处理。传感器/致动器模块层和外部系统之间的交互是通过模拟模块并负责模块安全性和无线个域网（WPAN）的传感器/致动器网关层（2）进行的。传感器/致动器网关层连接到传感器/致动器应用服务层（3），其负责网关和其他外部系统之间的通信。传感器/致动器应用服务层（3）可以在传送到数据库服务层（4）之前处理从传感器获取的数据，并且同时向数据库服务层（4）查询所需的任何活动或配置。数据库服务层（4）存储从传感器和致动器发送的处理数据，需要从任何致动器获取的动作以及需要发送到模块的配置。商业智能服务层（5）面向高级数据分析，如预测调制，需要额外的处理服务器功能。最终用户应用服务层（6）在最终用户和由其他层提供的服务之间创建接口，为该提议提供服务设计，特别注意与传感器/致动器模块的交互。最终用户服务层（7）连接到最终用户应用服务层（6）中可用的服务，提供与传感器/致动器及其数据的行为交互的能力。最终用户应用服务层（6）还可以将商业智能服务与商业智能服务层（5）处理和提供的数据一起使用。

可以在每一层中应用不同的安全措施，以便通过实施针对网络攻击的特定分层措施来提高安全性。此外，层之间的交互独立于所使用的技术，提供了改变任何层的技术解决方案而不影响其他层的功能的能力。

传感器

传感器是从零开始为VAWT原型行为数据采集开发的，即使在现场测试期间传感器功能也适应每个现场测试的需要，这意味着重新设计以满足需求。 这种发展不仅满足了需求，而且还完成了所有传感器和传感器网关之间的连接是用LR-WPAN进行的。 这个LR-WPAN是使用ZigBee标准创建的。

ZigBee标准是基于IEEE 802.15.4（LR-WPAN的标准）的高级通信协议规范，通过开发标准的更高层来扩展该定义[5,6,7,8]。 该标准具有可靠，低功耗，低成本和高效的信息网络的优点。由于这些优点，没有考虑其他选择进行测试。

用于传感器的ZigBee模块是Digi XBee ZB，其中：室内/城市范围为40米; 室外视距120米; 数据速率为250 Kbps; 发射功率为1.25 mW，升压模式为2 mW; 升压模式下的接收灵敏度为96 dBm; 频段为2.4 GHz。 开发了几种用于测量数据采集的传感器。 为方便安装，所有传感器都具有数据处理功能和ZigBee模块。 电压和电流传感器以及红外光电传感器在接下来的两个小节中将简洁地描述。

电压电流传感器

电压和电流传感器的AttoPilot电压和电流检测突破为180 A，最大电压为51.8 V，最大电流为178.8 A，模拟输出为3.3 V.模拟信号在正确的电压和电流之前由Arduino板处理 被发送到网关。

XBee模块配置有一个黄色发光二极管（LED），连接在引脚＃6，以通知XBee模块是否插入WPAN，红色LED连接到引脚＃15，以通知模块是否有电。 Arduino板通过连接到Arduino引脚＃D1（发送）的XBee引脚＃3（接收）与连接到Arduino引脚#D0（接收）的XBee引脚＃2（发送）串行连接到XBee模块。 XBee引脚＃1连接到3.3V电源，引脚＃10接地。 电压和电流传感器硬件如图3所示。

图3电压和电流传感器硬件。

AttoPilot电压和电流180A，Arduino和XBee之间用于电压和电流传感器原理图的连接如图4所示。

图4所示。电压和电流传感器。

Arduino处理逻辑，即微控制器编程结构，包括变量的初始化，电流和电压模拟输入的准备以及循环。 该循环有两个进程并将数据发送到无线网关。 这两个过程如下：过程1，用于读取和计算当前值; 过程2，用于读取和计算电压值。 电压和电流传感器的Arduino处理逻辑如图5所示。

图5所示。电压电流传感器Arduino处理逻辑。

红外线光电传感器

红外光电传感器用于VAWT旋转运动的测量。 高强度红外LED与红外光电传感器配合使用，可对VAWT旋转进行计数。 当物体处于红外LED和光电传感器之间的位置时，检测到干涉，使得能够计数旋转。 红外光电传感器硬件如图6所示。

图6所示。红外光电传感器硬件。

使用电位计连接到Arduino的引脚＃3以控制红外LED的强度。 红外LED连接到Arduino引脚＃2，光电传感器连接到引脚＃5。 XBee模块配置有一个黄色LED，连接在引脚＃6，以通知XBee模块是否插入WPAN，红色LED连接到引脚＃15，以通知模块是否有电。 Arduino板通过连接到Arduino引脚＃D1（发送）的XBee引脚＃3（接收）与连接到Arduino引脚#D0（接收）的XBee引脚＃2（发送）串行连接到XBee模块。 XBee引脚＃1连接到3.3V电源，引脚＃10连接到参考电位，即地。 红外光电传感器原理图如图7所示。红外光电传感器原理图如图7所示。

图7所示。红外线光电传感器。

红外光电传感器Arduino处理逻辑，即单片机编程结构包括：变量初始化; 准备数字输出，数字输入和模拟输入; 一个循环。 该回路具有以下处理：收集电位器选择并设置红外LED的强度; 验证光电传感器信号，处理VAWT旋转运动的计数; 验证数据，以便在列表中以一秒的间隔为网关传输数据。 红外光电传感器Arduino处理逻辑，即单片机编程结构如图8所示。

图8所示。红外光电传感器Arduino处理逻辑。

分层系统和传感器

将第二节中介绍的计算分层框架应用于为VAWT原型行为数据采集开发的传感器。 传感器/致动器模块层（1）包括具有电压传感器，电流传感器和红外光电传感器的ZigBee模块。 ZigBee WPAN协调器模块用作传感器/致动器网关层（2）。 为了充当传感器/致动器应用服务层（3），开发了一种软件应用程序以连接到ZigBee协调器模块，收集所接收的VAWT原型行为数据并将其存储在结构化文件中。 基于文件的数据存储器用作数据库服务层（4）。 在VAWT原型现场测试结束时使用不同的软件应用程序分析存储的数据，这些应用程序构成商业智能服务层（5）。 分析结果以表示最终用户应用服务层（6）的最终用户可读格式保存。

Zigbee模块信号验证

在安装Zigbee模块时，会出现几个问题，即信息是否能够没有错误地到达目的地。现场测试接收信号强度指示器（RSSI）的信息和测试数据的丢失。使用RSSI对模块之间的信号强度进行测试以验证定位。

在大多数没有障碍物的可观测环境中，无线电信号强度Ss下降，并且被称为功率距离梯度或路径损耗梯度。 利用传输功率Pt，在以米为单位的距离d之后，信号强度由下式给出：

(1)

密度在一个球体半径为d的总辐射信号强度的面积除以(4pi;d范围²)。传输功率P之间的关系_t 接收到的功率P_r [9]:

(2)

其中Gt和Gr分别是发射机和接收机的天线增益，d是发射机和接收机之间的距离，lambda;是受ZigBee信道影响的载波波长。 给定d = 1m参考Pref得：

(3)

将(3)代入，P_r (2)得:

(4)

在嵌入式设备中，将接收到的信号强度转换为RSSI, 其被定义为接收功率与参考功率Pref的比率，并且以dBm给出，dBm是以1毫瓦为参考的测量功率的分贝的功率比的缩写。因此，RSSI为:

(5)

在ZigBee模块中，可以通过使用内部AT命令获得某个设备的RSSI值，该命令返回最后接收的数据包的-dBm的接收信号强度。 也可以使用引脚＃6读取RSSI值，或者在API命令中在确认消息中接收该值。

传输可能受到移动障碍物或偶发干扰的影响，从而导致误导值。 在现场测试中，读取几个n RSSI值，然后取[10]中的平均值，这种方法称为统计平均值模型（SMVM）模型[11]。 最终的RSSI值由下式给出：

(6)

RSSI值仅反映最后一个消息跳的接收信号强度，而不反映所有路由器（多跳）的信号强度，既不是传输的一般质量。 因此，如果设备连接到路由器，则RSSI值仅表示最后一个路由器与设备之间的信号强度，而不表示发送消息的ZigBee协调器与设备之间的信号强度。 该值仅反映最后收到的消息的信号强度，因此必须发送消息以获取更新的RSSI值。

结论

研发了电压传感器，电流传感器和红外光电传感器，用于VAWT原型行为数据采集，用于现场测试。 这些模块使用符合Z

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