基于 LabVIEW和 ZigBee的垂直轴风力机无线监测系统

曹艳华 1袁 曹 阳 1袁2袁 吴国庆 1袁2袁 时玉娟 1袁 李巧梅 1（1. 南通大学机械工程学院，江苏 南通 226019；2. 江苏省风能应用技术工程中心，江苏 南通 226019）

摘 要院风力机监测系统对风力发电机的研究应用具有重要意义。针对目前垂直轴风力机（vertical axis wind turbine，VAWT）监测系统发展不够成熟的问题，设计一种基于 ZigBee 无线通信技术的垂直轴风力机在线监测系统，并基于

LabVIEW 虚拟仪器技术编写上位机界面，实现监测参数在线采集与数据存储。实验表明：该系统能够实时采集风力

机的运行参数与环境参数，完成监测任务，具有较好的应用前景。

关键词院无线监测；垂直轴风力机；LabVIEW；ZigBee文献标志码院A 文章编号院1674-5124渊2015冤12-0067-03

Wireless monitoring system of vertical axis wind turbines basedon LabVIEW and ZigBee

CAO Yanhua1，CAO Yang1，2，WU Guoqing1，2，SHI Yujuan1，LI Qiaomei1（1. School of Mechanical Engineering，Nantong University，Nantong 226019，China；

2. Jiangsu Engineering Research Center of Wind Energy Application，Nantong 226019，China）

Abstract: Wind turbine monitoring system has important meaning to the research，promotion andapplication of the wind turbines. Aiming at the monitoring system of the vertical axis wind turbinenot mature enough， the wireless monitoring system which based on ZigBee is designed for thevertical axis wind turbines. And the PC interface is wrote based on LabVIEW virtual instrumenttechnology. All kinds of parameters can be collected and stored in the database. The experimentsshow that the operation parameters of vertical axis wind turbines and environmental parameters canbe collected in real-time by the system，the monitoring task can be completed and the system hasa good application prospect.Keywords: wireless monitoring；VAWT；LabVIEW；ZigBee

收稿日期院2015-07-08曰收到修改稿日期院2015-09-10基金项目院国家自然科学基金项目（51376096）

南通市科技局应用研究计划项目（BK2011027）作者简介：曹艳华（1989-），女，江苏南通市人，硕士研究生，

专业方向为风能技术的研究。

0 引 言风力发电机有水平轴式和垂直轴式两大类，其

中垂直轴风力机是一个新的发展方向[1]，其监测系统

可以准确测试风力发电机本身及其相关参数，测试

结果可作为改进风力发电机性能的必要根据。因此，

垂直轴风力机无线监测系统的研究对垂直轴风力机

的研究、推广及应用具有重要意义[2]。当前，国内外水平轴风力机监测技术较为成熟，

如德国 Pruftechnik 公司的 VIBXPERT FFT 数据采集

与信号分析仪，丹麦 MitaTeknik 公司的WP4086 状态

监测系统，新疆风能研究所的通用风电场中央及远

中国测试CHINA MEASUREMENT & TEST Vol.41 No.12December，2015第 41 卷第 12 期2015 年 12 月

doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2015.12.017

中国测试 2015 年 12 月

程监控系统，阜特科技研发的 SCAD 系统和 CMS 系统

等。虽然水平轴风力机监测系统比较成熟，但不能

直接用于垂直轴风力机[3]。一方面由于各生产厂商

之间的技术保密，导致这些监控系统只能用于特定

的机型，适应性较差，另一方面垂直轴风力机和水平

轴风力机在启动风速、额定转速、发电功率、叶片受

力等参数方面都有很大不同。

为此，本文设计了一种基于 ZigBee 平台的垂直

轴风力机无线监控系统，以 CC2530 芯片为监测终

端，组成无线通信网络。通过串口总线连接电脑，用

LabVIEW 作为监控平台。本系统能够实现对垂直轴

风力机运行参数的远程监测，将无线通信技术与虚

拟仪器技术相结合，实现垂直轴风力机监测系统智

能化，并且节约了人力，降低了管理成本。

1 总体方案无线传感器节点通常在空旷的监测环境中使

用，大量的传感器节点分布在被监测区域，各节点之

间采用基于 ZigBee 协议的无线方式形成具有多跳

的自组织网络，最终将监测的数据传送到监测中心。

ZigBee 是一种具有统一技术标准的无线通信技术，

其 PHY 层和 MAC 层协议由 IEEE802.15.4 制定，网

络层由 ZigBee 技术联盟制定[4]。本文设计的垂直轴风力机无线监测系统由基于

ZigBee 的无线数据采集系统和基于 LabVIEW 的风

电监测系统组成。它由上位机、协调器和传感器节点

3 部分组成，该系统框架如图 1 所示。其中，数据采

集系统用于采集并处理垂直轴风力机的各种运行参

数与环境参数，包括风力发电输出电流、发电机的转

速、风速等。垂直轴风力机无线监测系统的运行参数

经数据采集系统采集、处理后，利用 ZigBee 无线传

输模块传送至计算机，最终在基于 LabVIEW 人机交

互平台上显示，同时存储于计算机的硬盘中。

2 基于 ZigBee无线数据采集模块的搭建2.1 传感器的选择

风力发电机监控参数主要有以下 4 种[5]：1）发电

机参数，包括各相电压、电流、功率、总有功功率、总

无功功率、功率因数、发电量和频率等；2）环境参数，

如温度、风速、风向、天气情况等；3）机械参数，如发

电机转速、形变参数、振动状况等；4）状态参数，如报

警状态、工作状态、变浆状态等。针对目前自主设计

的垂直轴风力机，以风速、风力机转速和发电机的输

出电流 3 个监测参数为例来介绍垂直轴风力机无线

监测系统。

2.1.1 风速传感器

风速是风力机监测系统中一个重要的监测参

数。风速的获取是准确测量风轮的启动特性、机械输

出特性、空气动力特性以及机组功率输出特性等性

能参数的必要条件。因此，在监测系统中，必须选择

合适的风速传感器，实现风速信号实时准确地测量。

目前，常用的风速传感器有 4 种：风杯风速仪、

毕托管风速仪、热线热膜风速仪、超声波测风仪。本

文选用风杯风速仪，因其成本低、使用方便、基本不

需要维护、转速与风速基本上成线性关系、抗强风能

力强、配合风向标可测风速和风向[6]。2.1.2 转速传感器

测量风力机转速与风速相结合可以检验风力

机捕捉风能的能力，常用的转速传感器有霍尔效应式、

电容式、光电式、变磁阻式等。本文选用的是霍尔式

转速传感器。霍尔式转速传感器具有体积小、结构简

单、使用寿命长、可靠性高、使用温度范围宽、可连续

测量等优点，与其他类型的转速传感器相比有不受光

线、大气压力、温度和振动等因素影响的特点，可以

较好地满足风力机监测系统的应用需求[7]。2.1.3 电流传感器

测量发电机输出的交流电与电压数据相结合

可得到系统功率输出能力参数。电流的采样选用

CSM025AY 型闭环霍尔电流传感器，该传感器可在电

隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波

形的电流[8]。各传感器具体型号及参数如表 1 所示。

传感器 型号 测量范围 输出方式 工作温度

风杯风速仪 HL-FS2 0~45m/s RS232 -40~89益霍尔式

转速传感器HJ-K8002C - NPN -40~125益

电流传感器 CSM025AY 0~依36V 电压 -25~70益

表 1 传感器的选型及其具体参数

LabVIEW

PC 机

患口通信

协调器节点

传感器节点 1

传感器节点 2传感器节点 3

图 1 垂直轴风力机无线监测系统结构图

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第 41 卷第 12 期

图 4 垂直轴风力机上位机监测界面

2.2 网络节点的硬件设计

无线数据采集模块主要由传感器节点（从节

点）和协调器节点（主节点）两部分组成。从节点和主

节点都选用 ZigBee 模块，分为 RS232（DRF2617A）、USB（DRF2618A）、RS485（DRF2619A）3 种接口，用

法一样，可以无线互通，如图 2 所示。ZigBee 模块的

核心是 TI 公司 CC2530F256 芯片，内部运行 ZigBee2007/PRO 协议栈，具有 ZigBee 协议的全部特性。针

对复杂的 ZigBee 协议，将协议栈嵌入模块内部，只

留出串口，用户无需了解 ZigBee 协议栈，只需要读

写串口，即可实现数据无线传输，简单易用，非常适

合嵌入用户系统。

传感器节点是本系统的终端节点，除了 ZigBee模块，还包括传感器部分、Arduino 单片机、电源模块

和调试接口及开关。传感器节点硬件结构如图2所示。其中 Arduino 单片机既可以采集传感器的数

字信号也可以采集模拟信号进行数字转换，然后传

送给 ZigBee 模块进行无线传输。

协调器节点主要负责建立、管理、维护网络，采

用与传感器节点相同的 ZigBee 模块。因为协调器相

对于传感器节点，大部分时间一直处于工作状态，所

以不能采用电池供电。其电源采用 220 V 转 5 V 电

源。其他硬件电路与传感器节点相同，其结构框架如

图 3 所示。

ZigBee 模块用配置软件来设定及读取模块的基

本参数，模块需设置 4 个参数：PAN ID、波特率、节

点类型、无线频道。传感器节点中的模块节点类型应

设置成 Router，协调器节点中的模块节点类型应设

置成 Coordinator。同一个网络内的每个节点需要有相

同的 PAN ID 和无线频道，所以 Coordinator 和Router需要设置相同的 PAN ID 和无线频道。同一个网络

内，多个 ZigBee 模块与多个设备连接，并不需要全

网具有同样的波特率，只需模块与设备之间具有相

同的波特率。

3 基于 LabVIEW的人机交互平台设计本文所设计的垂直轴风力机无线监测系统的上

位机是采用美国国家仪器 NI 公司的 LabVIEW 作为

软件平台。上位机的主要功能是与节点进行通信，

接收传感器节点的信息。因此上位机要实现传感器

信息接收，数据显示、处理和分析以及控制指令发

送等功能。上位机程序主要分为串行通信模块、数据

接收模块、数据处理模块、数据显示模块和数据保存

模块[9-10]。在控制程序设计中，通过虚拟仪器软件架构

（virtual instruments software architecture，VISA）控

件来实现 LabVIEW控制程序与硬件的通信。VISA 实

质上是一个I/O口软件库及其规范的总称。在 LabVIEW中利用 VISA 节点进行串行通信编程。VISA 共包含

5 个节点，分别实现初始化串口、串口写、串口读、中

断及关闭串口等功能。在进行 PC 机和无线采集模块

图 2 传感器节点硬件逻辑图

Arduino RS232传感器

A/D

电源模块

ZigBee 透传模块

CC2530天线

CC2591

图 3 协调器节点硬件逻辑图

RS232 PC 机

LabVIEWCC2530

电源模块

ZigBee 透似模块

天线

CC2591

接口 RS232 USB RS485输入电压 DC 5~12V USB 口供电 DC 5~12V串口速率

38 400 b/s渊默认冤袁可设置为 9 600袁19 200袁38 400袁57 600袁115 200 b/s

无线频率2.4G渊2 460MHz冤袁可通过串口指令更改频道

渊2 405耀2 480MHz袁步长 5MHz冤无线协议 ZigBee2007传输距离 可视袁开阔袁传输距离 1 600m主芯片 CC2530F256可配置节点 Coordinator袁Router

表 2 ZigBee模块电气参数

曹艳华等：基于 LabVIEW 和 ZigBee 的垂直轴风力机无线监测系统

渊下转第 82 页冤

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中国测试 2015 年 12 月

c冤标准探测器的电校准误差所引入的不确定度

分量 u3曰d冤由多次测量重复性引入的相对不确定度分

量u4遥由于上述 4 个不确定度来源互不相关袁那么探

测器的合成标准不确定分量为

Uc渊P3冤= U12+U22+U32+U42姨 渊18冤因此出射激光总能量 P6 的扩展不确定度为

Uc渊P6冤=Urel渊P3冤=Uc渊P3冤袁k =2 渊19冤4 结束语

本文提出了一种基于无畸变取样的原理实现

高能激光能量测量系统的校准方案遥 该套校准装置

主要由 3 片透射式光学元件及 3 个标准探测器组

成遥 利用透射式光学元件反射的弱光以降低校准系

统对 3 个标准探测器的量程要求遥 同时给出了利用

该套校准装置实现高能激光系统出光能量测量以及

实现对现场其他能量测量设备的校准过程遥 从理论

上对整套校准装置的不确定来源和大小进行了分

析袁 该理论分析为下一步校准装置的组建提供了一

定的技术依据遥

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串行通信前，要先配置串口，即串口初始化，使计算

机串口的各种参数设置与无线收发模块的串口参数

保持一致，这样才能够保证正确的通信。

系统的监测界面如图 4 所示，界面可以实时显

示风速、风力机转速、发电机输出电流的数值及其变

化曲线，并且有传感器参数超限报警功能。该界面能

够完成传感器节点数据的显示、存储、历史数据回放

等功能。

4 结束语本文针对垂直轴风力机，设计了基于 ZigBee 无

线通信、基于 LabVIEW 数据处理平台的垂直轴风力

机无线监测系统。系统顺利实现了 LabVIEW 对

ZigBee 网络数据的处理。通过实验调试，该无线采集

系统达到了设计要求，效果良好。该系统还有很多需

要优化的地方，例如，目前只能实现监测还不能实现

远程控制。希望接下来的工作可以做到利用无线网

络实现远程控制。

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