基于 Sub-1 GHz 的海上风电状态监控节点设计

引 言

在世界传统能源形势日益严峻的今天，各国越来越重视清洁能源的发展。在发展最快的风力发电领域，海上风力发电具有发电时间长、节省土地资源等优势。但由于发电设备远离大陆，海上环境恶劣多变，工作人员难以进行定期的巡回检查，因此海上风电的运维成本居高不下，占到项目生命周期成本的 18% ～ 23%[1]。所以使用安全稳定的海上风电监测系统是降低海上风电成本的有效手段。

风力发电作为世界上发展最快的新能源发电技术，国内外对风力发电机组的数据采集及监视控制（SCADA）系统已经有了较为深入的研究，一批成熟可靠的有线通信系统已经得到了广泛使用。目前海上风电仍沿用陆上风电场的监控手段，这种有线通信方式无法适应海上风电的特殊性，在海底布置线缆不仅难度大，还容易被海水腐蚀，导致海上风机故障频发，造成很大的损失。其次，有线通信方式在面对较多机组时，数据传输质量受到影响。如今海上风机装机容量不断增加，海上风电场趋于大型化，有线通信方式显然难以满足海上风电监控系统的要求。

随着物联网技术的不断发展，无线通信技术也被应用到风电监控领域 [2-3]。汪科等提出一种基于 3G 网络的风电故障检测系统 [4]。将设备在风电机组上采集到的数据，通过 3G 网络传输给后台进行分析处理，而 3G 网络的质量取决于运营方基站信号的覆盖，海上风电场往往离岸较远，3G 网络信号较差，而且增设或改建 3G 基站的成本极高。秦旭斌针对这种状况提出了一种基于 ZigBee 的海上风电长距离监控节点 [5]，它不依赖大功率基站，可通过在风机上装设传感器节点与网关通信，具有功耗低、自组网、组建方便等优势。但 ZigBee作为一种短距离局域网技术，其传输距离即使加强功率也仅有数百米，难以满足大型海上风电场的需求。

因此，本文提出一种基于 Sub-1GHz的海上风电监控系统无线传感器网络节点的设计。相比 WiFi、蓝牙与 ZigBee 技术，频率更低的 Sub-1GHz频带通信具有更远的通信距离以及更好的穿透力，并避开了较为拥堵的 2.4GHz频带， 可通过跳频等方式提供更好的抗干扰性。该节点基于 TI- 15.4Stack 协议栈，组网方便，易于使用。本文首先介绍了监控系统的总体框架以及工作原理，再分别从硬件与软件方面设计了系统的发射节点。经过实验测试可知，该节点收发功率消耗低，传播距离远，可以实现轻量级海上风电监控。

1 系统总体结构

基于 Sub-1 GHz 节点的海上风电监控系统分为海上机组与岸边后台两部分，包括安装在机组与测控传感器相接的发射节点，设置在岸边用于接收集总数据的网关节点，以及用于提高中继信号传输效率的中继节点。

传感器测点主要由转速测点、振动测点与温度测点组成， 它们分布在风电机组的各个关键位置，用以反映设备运行时的状态，并与发射节点相接以采集信号，将采集到的信号传输到发射节点上，发射节点对信号进行处理后通过无线网络集中传输给岸边后台的网关节点，最后由网关通过以太网等上传给集控中心进行检测与分析。

2 系统硬件设计

某大型海上风电场北端距岸线 8 km，南端距岸线 13 km，由 20 台 3 MW 风机分成三排布置，风机南北间距 750 m，东西间距 1.2 km。在保证传输速率的条件下，需满足传输距离的要求，且尽可能减少中继次数，两节点间单条无线链路至少提供 10 km 链路长度。

本系统中的节点按功能划分，主要分为发射节点、网关节点、中继节点，不同节点在硬件方面虽然由于功能的区别在 I/O 拓展口等部分略有不同，但其核心 MCU 以及 RF 射频模块均采用同种配置，本文将以系统发射节点为例，介绍节点的相关电路设计。

系统发射节点直接与传感器相连， 传感器数据经过MCU 处理后传输给 RF 射频模块，变为射频信号，射频信号工作在 Sub-1 GHz 频段，为了使系统传输距离能够满足海上风电监控场合的实际需要，通过功率放大器增强收发功率， 最后经天线增益发送至网关节点，由网关节点上传至集控中心，实现远距离监控。系统的硬件结构如图 1 所示。

本方案的各个节点均采用 TI公司设计生产的 CC1310 超低功率无线微控制芯片， 该芯片支持 TI-15.4Stack协议栈，是一款高集成度的 RF芯片，整合了完整的 RF系统以及一个片上 DC-DC。它搭载了 ARM32位Cortex-M3处理器， 功耗极低。其在射频方面的最大优势是优异的射频灵敏度（50 kbps/-110 dBm）以及出色的阻断性能，适合距离较远的通信场合。

CC1310 芯片支持 1.8 ～ 3.8 V 宽工作电压，在本设计方案中采用 3.7 V 锂电池供电，主控制器采用 DC-DC 电源工作模式，其供电接口电路示意图如图 2 所示。主电源部分经过磁珠与退耦电容的滤波，使芯片达到最好的射频基带性能。为了降低节点运行的功耗，本设计方案分别采用 24 MHz 与32.768 kHz 两块主辅晶振作为时钟源，系统休眠时低频率辅助晶振工作，以减小电流。

为了能使节点满足海上风电的通信距离要求，本方案加 装了独立的 RF射频模块，根据我国无线电管理相关功率限制，将提高节点射频的发射功率至 20 dBm，以确保射频范围能够满足海上风电运行的需要。本方案使用了 SKYWORKS 公司设计生产的 SKY66115-11功放芯片，该芯片封装了一个功率放大器及开关，同时还包括关机模式，可以最大程度降 低功耗。该芯片与 CC1310兼容性极好，能实现 50Ω负载阻抗最佳发射效率。在本设计方案中 CC1310微控制芯片射频接口采用外部偏置的单端接线模式，RF_N 脚设置为单端模式下低噪声放大器输入，经由匹配电路连接到功放芯片的RX接口，在此端连接电感用于外部偏置电路，以增强灵敏度 ； RF_P脚作为输出，通过隔直电容与功放芯片的 TX接口相连。为了抑制带外信号与通信设备相互干扰，传输路径从功 放芯片连出后进入节点前端，接入一个额外的低通滤波器电 路以限制不必要的信号进入接收路径，节点前端还装设有一 个小型螺旋线射频天线以及一个天线匹配电路来提高信号的 传输，对节点信号具有全向增益效果。另外，为了方便调试 以及测试 RF导通能力，节点前端还包括一个 SMA接头来连接测试设备。节点前端电路如图 3 所示。

3 系统软件设计

发射节点在系统中的主要功能是与岸边后台的无线接收网关连接，并周期性地将从传感器采集到的数据经过一定处理传输给后台网关节点。节点工作后，首先会对信道进行检测，如果信道空闲将会对网关发送入网请求，直至网关收到请求并回复响应给节点即入网成功 ；如果未收到网关节点响应，将延迟一段时间后继续发送入网请求。成功与网关节点建立连接之后，节点打开计时器并进入休眠模式，直至计时器唤醒模块进行数据读取与发送。在某些时候，后台控制端需要手动对节点进行数据采集，如果收到后台指令，节点被唤醒，并暂停自动计时器，进行数据交互。为了能准确进行定时的稳定监控，在入网成功并执行功能的 K 个周期后将重新进行网络同步。在不进行数据收发的其他工作时间，发射节点将以超低功耗的休眠模式运行。发射节点的工作流程如图 4 所示。

网关节点架设靠近岸边，主要用来与海上风电机组发射节点进行无线网络连接，集总数据并将数据上传至后台。网关节点长时间处于接收状态，随时侦听发射节点的网络请求， 一旦收到入网请求，将立即给节点分配地址并向其返回工作信息。与发射节点成功建立网络连接后进行信息同步，便可与节点进行双向数据收发，以及控制指令的下达，节点传来的数据将通过串口由以太网上传至集控中心进行分析与处理。无线接收网关的工作流程如图 5 所示。

4 测试结果

4.1 收发功耗测试

本设计方案采用 3.7 V 锂电池供电，其最大发射功率为20 dBm，发射功率与电流关系见表 1 所列。节点与每小时与网关进行同步的接收电流为 6.3 mA，用时 40 ms。假设数据发射周期为 60 s，发送耗时为 42.4 ms，节点休眠电流为0.011 mA，则单个节点以最大功率工作一天仅发送与接收所消耗的电量约为 1.66 mAh，由此可见，该节点进行收发时功率消耗较低。

4.2 通信距离测试

在海面上两个节点间的通信距离决定了整个系统网络的覆盖范围，待发射节点与接收节点成功建立网络连接后， 在视距内不断拉开接收节点的距离，测试其接收信号强度指示 RSSI 以判断连接质量。在该试验中， 发射节点天线距地平面高度为 80 m，接收节点高度为 10 m，频段设置为433.29 MHz，波特率设置为高通信速率 50 kbps。在 10 km 处，测得接收功率约为 -84 dBm，接收机可以收到发射节点发送的数据，因此可以满足预定的距离要求。

在实际测试中，节点可以根据需要调节传输速率，若将传输速率设置为 4.8 kbps，那么接收机在 20 km 处仍可成功接收到发射信号。发射节点与接收节点的天线高度会对通信距离产生较大影响，将发射节点安装在海上风电塔机较高处， 会得到更理想的传输距离。在实际运用中，可以根据需要适当调节设备的位置以获得更好的效果。

5 结 语

随着物联网技术的不断发展，Sub-1 GHz 频段通信凭借其低功率、远距离以及抗干扰性强的优点，不断被应用于各种工业场合 [6-8]。本文设计了一种基于 Sub-1 GHz 频段的海上风电传感器网络节点，包括发射节点、网关节点以及中继节点，并在软件方面实现了节点的组网运行。该节点被应用于海上风电监控系统中，具有覆盖广、功耗低、稳定可靠等特点，有利于降低海上风电的运维成本，提高海上风机的运行效率。