基于Lora的風力電站峰谷自動補償系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

第1章緒論全球氣溫上升、環(huán)境污染嚴重、能源危機時常出現(xiàn)在我們生活的話題之中，風力發(fā)電在這個背景下應運而生，并且得到國家大力支持。1.1項目背景全球各國都在關注氣候問題。隨著全球氣溫上升、環(huán)境污染和能源消耗需求增加，各國政府面臨著尋找新的、能夠負擔得起的清潔能源的嚴峻挑戰(zhàn)。風力發(fā)電是一種可能的解決方案，因其環(huán)境友好性和可重復性的優(yōu)勢以及快速發(fā)展的技術(shù)而成為全球增長最快的可再生能源之一。雖然風力發(fā)電對電網(wǎng)的貢獻不斷增加，但由于風力發(fā)電具有固有的隨機性和間歇性，因此其可用性存在可變性和不確定性。在這種情況下，為了使風力發(fā)電系統(tǒng)更加穩(wěn)定地發(fā)展，需要采取措施來消納蓄能、減少資源浪費、充分利用風能，并根據(jù)實際情況合理調(diào)整電力供應，從而提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性REF_Ref17279\r\h[1]。目前，越來越多的風力發(fā)電項目采用分布式開發(fā)模式，將大型集中式發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⒃诓煌攸c的小型發(fā)電系統(tǒng)，從而提高了能源利用效率和可靠性。中國風電技術(shù)相對落后于西方國家，這使得整體風力發(fā)電系統(tǒng)的維護與管理至關重要，以保障其穩(wěn)定運行。據(jù)相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在全球范圍內(nèi)，風力發(fā)電行業(yè)的相關產(chǎn)品與服務占全球能源消耗的近50%，而中國風力發(fā)電行業(yè)所占份額則相對較小。隨著中國風電事業(yè)的發(fā)展，風力發(fā)電市場規(guī)模不斷擴大，未來幾年里，風電設備和服務將迎來一個新的增長時期。作為一個新興的能源行業(yè)，風電產(chǎn)業(yè)作為綠色產(chǎn)業(yè)的一部分，在能源需求不斷增長和環(huán)境保護日益重要的背景下，如何進行風電場維護管理等方面研究已成為重要課題。而這一課題也是我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中急需解決和進一步研究的問題。1.2研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀風能產(chǎn)生電能對解決我國的能源危機和環(huán)境問題有著重要的意義。然而，由于風力發(fā)電的運行環(huán)境相對惡劣且體量較大REF_Ref17429\r\h[2]，容易出現(xiàn)各種類型的故障，一個風力發(fā)電機在故障時造成的損失是不可計量的，因此對發(fā)電設備的維修發(fā)展是有重大意義的，電力能源是我國在長久發(fā)展經(jīng)濟背景下必不可少的重要能源資源，當代電力能源處于相對比較緊缺的局面上，為了能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，可以借助風力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建，實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換。風力發(fā)電技術(shù)是我國重點扶持的建設項目，其能源開發(fā)效果相對較好，但與此同時，也要注意到發(fā)電設備的故障維修重要意義。當前風力發(fā)電系統(tǒng)主要是應用到集中式的風力發(fā)電場作為主要的開發(fā)模式，難以借鑒國外的眾多成熟可靠性預防維護策略理論。需要我國積極自主研究探索適應我國國情以及風電系統(tǒng)的預防性維修策略模型，從而提升設備使用的可靠性，降低故障率，能夠在故障發(fā)生前加以預防維修REF_Ref17530\r\h[3]。其次是在對風力發(fā)電得到廣泛運用過程中，也有許多問題暴露出來，因此，如何將智能化技術(shù)應用到風力發(fā)電自動化控制系統(tǒng)中也成為領域內(nèi)的主要研究方向REF_Ref17566\r\h[4]。1.2.2國外研究現(xiàn)狀人口的用電模式不同，因此在一天中會出現(xiàn)大量供電需求，也會出現(xiàn)不需要太多供電的情況，并且風能存在著固有的隨機性和間歇性，由于風力與氣候和氣象也存在很強的相關性，需要對風能產(chǎn)生的電量進行儲存和釋放來減輕風力發(fā)電的可變性REF_Ref17615\r\h[10]。美國風力發(fā)電的快速增長可歸因于成本的急劇下降、可再生能源的財政激勵以及各州和當局在環(huán)境政策中的作用。美國的年風力發(fā)電量從2006年的6億千瓦時增加到2018年的800億千瓦時。由于環(huán)境效益被認為是分配公共資金激勵可再生能源的主要原因，因此準確衡量這些效益對于評估現(xiàn)有政策和確定未來政策方向至關重要。因此，近年來這一課題已成為經(jīng)濟和工程研究的熱點REF_Ref17670\r\h[11]。1.3解決辦法首先采用STM32單片機作為主控制器，同時，需要將風能轉(zhuǎn)換成電能，使其能供更多人使用，因此需要對風力發(fā)電進行控制，對風力發(fā)電進行實時監(jiān)控。而這些都可以通過無線通信來實現(xiàn)。目前國內(nèi)外針對無線傳感網(wǎng)絡的研究還很少，在此項目中主要利用LoRaWAN協(xié)議棧作為底層協(xié)議，而LoRaWAN是一個專門為低功耗應用而設計的自組網(wǎng)協(xié)議棧，具有非常好的安全性和移動性。在風力發(fā)電系統(tǒng)中，為了滿足不同場合下的功率輸出需求，需要對輔助補償裝置進行動態(tài)調(diào)整。通過搭建一個基于云服務器的上位機系統(tǒng)，可以遠程監(jiān)控和控制風力發(fā)電系統(tǒng)中的輔助補償裝置。當系統(tǒng)檢測到負載功率波動時，上位機可以通過云平臺向控制器發(fā)送命令，動態(tài)調(diào)整輔助補償裝置的工作狀態(tài)，使其能夠快速響應并適應負載變化，從而實現(xiàn)峰谷自動補償。此外，通過使用云平臺，并使用SQL數(shù)據(jù)庫，還能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸和存儲，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。為了保證風力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，需要通過遠程監(jiān)測對陸上的風力電機進行實時的故障檢測和問題診斷。在此過程中，可以利用溫度傳感器、紅外光電傳感器等多種傳感器獲取電機的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過無線通信技術(shù)將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_上進行分析處理。特別地，通過采集電機的繞組溫度，我們能夠及時發(fā)現(xiàn)電機故障問題并有效預防。同時，使用GPS定位技術(shù)也是很重要的一環(huán)。當某個風力電機出現(xiàn)故障時，我們可以借助GPS快速定位出故障點，減少故障排除時間。為了使這些數(shù)據(jù)得到更好的傳輸和處理，我們采用Lora網(wǎng)絡將故障信息上報到控制臺。這樣，在監(jiān)測到故障后，控制臺可以盡快地接收并處理這些信息，實現(xiàn)及時響應和迅速解決問題。同時，通過持續(xù)地監(jiān)測電機狀態(tài)和故障記錄，我們還能夠進行數(shù)據(jù)分析和挖掘，從而發(fā)現(xiàn)和預測潛在的故障點，降低系統(tǒng)運維成本并提高可靠性。

第2章系統(tǒng)整體方案2.1系統(tǒng)功能需求分析實現(xiàn)Lora組網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸。實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測風力發(fā)電機的發(fā)電量。實時監(jiān)測風力電機的故障狀態(tài)，當出現(xiàn)故障時及時上報。實現(xiàn)風力發(fā)電機位置的定位，便于管理者維護。實現(xiàn)實時監(jiān)測發(fā)電燒組的溫度，防止過溫燒毀。實現(xiàn)上位機數(shù)據(jù)庫管理，遠程上位機可以方便對設備進行維護。實現(xiàn)峰谷自動補償，當發(fā)電較多時，自動將多余電量儲存到蓄電池組，當發(fā)電量不足時，自動控制蓄電池組放電。2.2方案結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)由三個主要組成部分組成：上位機、下位機和網(wǎng)關。為實現(xiàn)對各種物理量的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測。下位機在Keil5開發(fā)環(huán)境中使用C語言對單片機和傳感器進行編程控制，與DS18B20溫度傳感器、紅外光電開關傳感器、GPS模塊等協(xié)作工作，收集各種物理量并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便上位機對其進行處理。同時，下位機還可以根據(jù)上位機發(fā)出的指令執(zhí)行一些特定的操作。上位機負責對下位機發(fā)送來的數(shù)據(jù)進行管理和處理，包括存儲和分析。整個上位機使用VSCode編輯器對上位機系統(tǒng)進行編碼編譯調(diào)試操作。業(yè)務邏輯處理方面，上位機通過PHP語言使用一些算法和模型對數(shù)據(jù)閾值判斷。此外，上位機還可以通過遠程控制下位機的方式對整個系統(tǒng)進行監(jiān)測和調(diào)度，以確保系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和安全性。所測量的物理量可以通過HTML語言、CSS、JavaScript語言搭建的網(wǎng)頁進行直觀的顯示，接收到的數(shù)據(jù)存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫中并通過后端進行抓取。網(wǎng)關則起到了一個數(shù)據(jù)通信中繼的作用，通過ESP8266通過串口傳給上位機服務器，單片機建立串口通信來實現(xiàn)下位機與上位機之間的通信，同時也能夠轉(zhuǎn)發(fā)上位機發(fā)出的指令到下位機。中繼器與各個節(jié)點由于距離或近或遠，通信則通過Lora通信協(xié)議實現(xiàn)。在這個過程中，網(wǎng)關可以扮演一個數(shù)據(jù)安全的關鍵角色，防止數(shù)據(jù)的泄露或被非法篡改。該系統(tǒng)采用了分層設計的思想，使得不同的模塊之間能夠相對獨立地工作，并且充分利用了各種技術(shù)手段，以達到高效、準確的監(jiān)測和控制效果。子節(jié)點溫度傳感器子節(jié)點溫度傳感器DS18B20電池蜂鳴器GPS模塊WiFi模塊中繼器連接服務器端紅外光電開關傳感器圖2.1系統(tǒng)的架構(gòu)圖系統(tǒng)設計的總體硬件圖如下圖所示：圖2.2系統(tǒng)硬件圖2.3元器件選型2.3.1主控選型：方案一：STM32是一種基于ARMCortex內(nèi)核的微控制器，具有強大的性能，豐富的外設，易于集成，低功耗，開發(fā)工具豐富。方案二：STC89C52是一款由中國STC公司生產(chǎn)的單片機芯片，它基于Intel8051內(nèi)核，具有快速運行速度，大容量存儲空間，豐富的外設接口，低功耗設計，易于編程和調(diào)試，同時還提供了豐富的仿真調(diào)試功能，使得開發(fā)人員可以快速完成產(chǎn)品的開發(fā)和調(diào)試方案選擇：STM32，STC89C52和STM32都是單片機芯片，但STM32相對于STC89C52有以下優(yōu)勢：1.更高的性能：STM32基于ARMCortex-M內(nèi)核，運算速度更快、功耗更低，且具備更多的外設模塊，如USB接口、DMA控制器等。2.更大的存儲空間：STM32內(nèi)置的Flash存儲器和RAM容量比STC89C52更大，可以支持更復雜的應用程序。3.更全面的軟硬件支持：STM32擁有眾多的開發(fā)工具和開發(fā)板，可以方便地完成開發(fā)、調(diào)試和部署工作，同時還有龐大的用戶社區(qū)提供技術(shù)支持和資源共享。4.更廣泛的應用場景：STM32廣泛應用于各種領域，如工業(yè)自動化、智能家居、智能終端、移動設備等，適用于不同復雜度和規(guī)模的項目。風電場需要更高的性能、更大的存儲空間、更全面的軟硬件支持和更廣泛的應用場景，所以在選擇單片機芯片時，選擇STM32單片機。2.3.2溫度傳感器：方案一：DS18B20，DS18B20是一款數(shù)字溫度傳感器，具有單總線接口，精度高，數(shù)字輸出，多種包裝形式，可編程分辨率，低功耗，易于集成等優(yōu)點，被廣泛應用于溫度監(jiān)測、自動化控制、環(huán)境監(jiān)測、消費電子等領域。方案二：LM35，LM35是一款模擬溫度傳感器，它可以直接輸出與溫度成線性關系的電壓信號，具有精度高，輸出線性，低功耗，寬工作電壓范圍，LM35體積小巧，無需校準。廣泛應用于溫度測量和控制系統(tǒng)、工業(yè)自動化、醫(yī)療設備、氣象觀測等領域。方案選擇：DS18B20，DS18B20和LM35都是常用的溫度傳感器，但DS18B20相對于LM35有以下優(yōu)勢：相對精度更高：DS18B20具有±0.5°C（-10°C至+85°C）的精度，相對于LM35的±2°C來說，精度更高。數(shù)字信號輸出：DS18B20采用數(shù)字信號輸出，不受外界干擾影響，抗干擾能力強。而LM35采用模擬信號輸出，受到噪聲和干擾的影響較大。單總線接口：DS18B20可以通過單總線接口進行通信和供電，即可實現(xiàn)多個傳感器同時工作，且布線簡單方便。而LM35需要額外的模擬輸入接口和運算放大器等。應用范圍廣泛：DS18B20廣泛應用于自動化控制、環(huán)境監(jiān)測、消費電子等領域，而LM35主要適用于中低溫度范圍內(nèi)的測量。在選擇溫度傳感器時，需要更高的精度、更穩(wěn)定的信號輸出、更方便的布線和更廣泛的應用場景，所以選擇DS18B20。2.3.3通信模塊選型：方案一：Lora無線通信模塊，LoRa強大的穿透力，長距離傳輸，低功耗，多節(jié)點連接，LoRa是一種開放標準，具有良好的兼容性和可擴展性，LoRa采用擴頻調(diào)制技術(shù)，具有強大的抗干擾能力和良好的穿透性能。方案二：ZigBee無線通信模塊，ZigBee是一種低功耗、低速率、近距離無線傳輸協(xié)議，Zigbee可以支持大規(guī)模的網(wǎng)絡，最多達到數(shù)百或數(shù)千個節(jié)點；自組網(wǎng)能力。安全性，兼容性，同時ZigBee還支持多種應用層協(xié)議。方案選擇：Lora模塊，Lora模塊與ZigBee都是無線通信模塊，適用于物聯(lián)網(wǎng)應用，但它們在技術(shù)原理、應用場景和技能特點等方面有較大的不同。相較于ZigBee，LoRa的傳輸距離更遠，可達到數(shù)公里甚至更遠，適合于廣域物聯(lián)網(wǎng)通信需求。LoRa在障礙物密集的室內(nèi)、城市等環(huán)境中也具有較好的通信能力，適用于復雜環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)應用。LoRa采用自適應碼率和自適應功率控制技術(shù)，在低功耗模式下依然能夠保持較高的通信質(zhì)量，適合于電池供電的設備和長期運行的物聯(lián)網(wǎng)設備。LoRa是一種開放標準，具有良好的兼容性和可擴展性，可以與其他協(xié)議和技術(shù)進行無縫連接，適合于多廠家設備集成和開發(fā)。多節(jié)點連接：LoRa支持多節(jié)點連接，可實現(xiàn)簡單的星型、樹形以及網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，提高了網(wǎng)絡的覆蓋范圍和可靠性。2.3.4GPS模塊選型：方案一：芯片級GPS模塊：芯片級GPS模塊具有更高的靈活性，在電路設計上更加靈活，可以根據(jù)實際需求進行定制化設計；由于不帶天線，因此可以通過外部天線接口進行連接，可以選擇不同種類的天線，獲得更好的效果；可以在一些特定的應用場景中使用，并且相對于帶天線的GPS模塊來說，芯片級GPS模塊價格更低，成本更加可控。方案二：帶天線的GPS模塊：帶天線的GPS模塊內(nèi)置了天線，在電路板布局中，可以直接使用，并且天線與GPS芯片是一體化設計的，天線與芯片之間的匹配更加精確，能夠獲得更好的接受效果。方案選擇：帶天線的GPS模塊：本課題采用的是帶天線的GY-NEO有源陶瓷天線，GY-NEO有源陶瓷天線模塊是一種帶天線的GPS模塊，它內(nèi)置了GPS芯片和陶瓷天線，并通過串口輸出NMEA格式的GPS數(shù)據(jù)信息。該模塊基于NEO-6M芯片設計，具有高靈敏度、低功耗、快速定位等特點，適用于車載導航、物聯(lián)網(wǎng)設備、氣象站等領域。因為它帶有天線，所以相對于芯片級GPS模塊來說，使用起來更加方便。2.4器件參數(shù)與特性2.4.1主控單片機STM32F103C8T6是一個基于ARMCortex-M3內(nèi)核，他的最高主頻為72MHz，具有64KB閃存和20KB的SRAM，還有2個12位ADC，16個通道，最大轉(zhuǎn)換速率為1Msps，3個16位定時器，1個基本定時器，1個高級定時器，1個通用定時器2個I2C接口，3個USART接口，2個SPI接口，1個USB接口，1個看門狗定時器，具有低功耗模式：停機模式，休眠模式，待機模式。在本設計中，將STM32作為主控制器，協(xié)調(diào)各傳感器與上位機工作。2.4.2WiFi模塊ESP8266是一種基于TensilicaL106Diamond架構(gòu)的32位處理器的Wi-Fi模塊。它支持802.11b/g/nWi-Fi標準，支持STA/AP/STA+AP工作模式，支持TCP/IP協(xié)議棧，支持WPA/WPA2安全加密，支持OTA（空中升級）功能，支持多種GPIO引腳，包括PWM、I2C、SPI、UART等，支持多種開發(fā)環(huán)境。ESP8266在本系統(tǒng)中，主要負責中繼器與上位機端進行通信。2.4.3溫度傳感器DS18B20是一種數(shù)字溫度傳感器，具有獨特的單總線接口方式，在與微處理器連接時僅需要一條數(shù)據(jù)總線即可實現(xiàn)通訊，抗干擾性強。并具有以下參數(shù)和特性：工作電壓范圍為3V至5.5，可以在-55℃至+125℃的范圍內(nèi)測量溫度，可以滿足惡劣天氣的溫度要求，對風電場的環(huán)境能夠有很強的適應性，可編程上限和下限警報功能，方便及時的對風電機控制調(diào)節(jié)，具有非易失性EEPROM存儲器，可存儲用戶配置信息，對后期數(shù)據(jù)的存儲。2.4.4紅外光電開關紅外光電開關是一種常見的傳感器，用于檢測物體的存在或接近。它通常由紅外發(fā)射器和接收器組成，可以通過檢測紅外光線的反射或遮擋來確定物體的位置或狀態(tài)。工作電壓范圍通常為3V至24V具有多種輸出類型，包括數(shù)字輸出和模擬輸出等，具有多種檢測模式，包括單通道、雙通道和三通道等，具有多種安裝方式。根據(jù)他的特性作為小型發(fā)電機的頻率計數(shù)，上傳到云服務器端。2.4.5GPS模塊GPS-NEO-6M是一種常見的GPS模塊，用于獲取全球定位系統(tǒng)（GPS）的位置和時間信息。它通常由GPS接收器和天線組成，可以通過接收衛(wèi)星發(fā)射的GPS信號來確定設備的位置和時間。以下是一些常見的GPS-NEO-6M的參數(shù)和特性：工作電壓范圍通常為3.3V至5V，具有多種定位模式，包括熱啟動、溫啟動和冷啟動等，具有多種定位精度，最高可達2.5米，具有多種天線類型，包括內(nèi)置天線和外置天線等。2.4.6OLED顯示器OLED代表有機發(fā)光二極管，是一種使用有機材料制成的發(fā)光二極管，可以在不需要背光的情況下發(fā)出光。OLED顯示器通常具有更高的對比度和更快的響應時間，因為它們不需要背光，并且可以逐像素地控制亮度和顏色。OLED顯示器可以在顯示黑色時關閉像素。對于本課題的設計，占有十分重要的地位。

第3章系統(tǒng)下位機設計3.1系統(tǒng)下位機總體設計STM32通信模塊STM32通信模塊電壓電流檢測蜂鳴器紅外光電開關GPS模塊溫度傳感器WiFiLora組網(wǎng)圖3.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖3.2系統(tǒng)下位機設計3.2.1通信模塊設計該系統(tǒng)下位機設計采用STM32單片機作為主控。1.下位機設計中中繼器端，由于WiFi和Lora是通過串口連接到中繼器端，因此下位機程序中首先對WiFi串口和Lora串口進行初始化，波特率分別設置為115200、9600。采用Lora自組網(wǎng)模塊進行各個節(jié)點之間的無線數(shù)據(jù)傳輸，可以實現(xiàn)多個節(jié)點之間的通信和協(xié)同工作，在Lora模塊有VCC、GND、TXT和RXD等引腳，將Lora模塊VCC接到單片機的電源引腳，GND引腳連接到單片機的地線。將Lora的TXD引腳連接到單片機的RXD引腳，RXD引腳連接到單片機的TXD，初始化串口模塊并指定波特率后發(fā)送AT指令，實現(xiàn)Lora模塊的設置。程序端通過read_lora()函數(shù)讀取節(jié)點端發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過lora()發(fā)送數(shù)據(jù)。再通過ESP8266與上位機端進行通信，首先建立TCP連接，設置透傳模式，最后開始發(fā)送數(shù)據(jù)。使用wifi_tx()對數(shù)據(jù)進行發(fā)送，使用WiFi_rev()對數(shù)據(jù)進行接收，實現(xiàn)與服務器之間通訊。對數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送會在main()函數(shù)下有一個while循環(huán)來循環(huán)運行，保證數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)相對高速率地傳輸。具體的代碼如下圖所示：圖3.2循壞代碼圖2.下位機設計中子節(jié)點端，使用Lora自組網(wǎng)模塊每隔兩秒發(fā)送一次數(shù)據(jù)實現(xiàn)與中繼端非阻塞式的數(shù)據(jù)傳輸。Lora模塊與ESP8266硬件圖如下圖所示：圖3.3Lora模塊圖3.4ESP82663.2.2紅外光電開關對于風力電機的運行狀態(tài)實時監(jiān)測與控制，通過紅外光電開關來實現(xiàn)。具體的方法是將小電機作為風力電機，利用紅外光電開關檢測到小電機的葉片遮擋了紅外開關時，向單片機發(fā)送一個低電平信號。這個低電平信號通過外部中斷接收脈沖。在中斷中進行風力fun_nub變量的自加，再通過fan_test()函數(shù)將轉(zhuǎn)速顯示到屏幕上。利用STM32單片機對風力電機進行控制和協(xié)調(diào)。紅外光電開關硬件圖如下圖所示：圖3.5紅外光電開關3.2.3溫度傳感器設計在風力電機故障檢測方面，系統(tǒng)采用溫度傳感器DS18B20監(jiān)測風力電機繞組的溫度。將DS18B20的VCC引腳連接到主板的+3V電源引腳，將GND引腳連接到主板GND引腳，將DQ引腳連接到主板的數(shù)字IO引腳。單片機借助單總線通信協(xié)議驅(qū)動溫度傳感器采集溫度，再將溫度數(shù)據(jù)讀出來，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到Lora模塊，Lora轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關。網(wǎng)關端的Lora接收到數(shù)據(jù)后，通過WiFi上傳到服務器中。當溫度過高時，系統(tǒng)通過報警模塊向STM32單片機發(fā)出報警信號。若工作人員未及時處理故障，則STM32單片機通過中斷向系統(tǒng)發(fā)送復位命令，系統(tǒng)復位后溫度自動恢復正常。另外，當工作人員在特殊情況下（如停電、過熱）未及時處理故障時，可以通過調(diào)節(jié)服務器端溫度預警值來防止因過熱導致設備損壞。DS18B20溫度傳感器如下圖所示：圖3.6溫度傳感器3.2.4電流電壓測量設計為了實現(xiàn)對風力電機發(fā)電量的采樣，系統(tǒng)通過ADC端口4接收電壓，ADC端口5接收電流，系統(tǒng)使用P_TEST()函數(shù)將端口號作為實參傳遞到adc.c文件中的get_ad()中，P_TEST()函數(shù)代碼如下圖3.7所示，完成將電流和電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程。在完成功率的計算后，將數(shù)據(jù)傳輸至上位機進行處理分析。由于在實際運行過程中，由于電壓基本不變，電流急速上升的情況下，電路可能會發(fā)生短路，導致整個系統(tǒng)損壞。在上位機上設置相應的程序代碼，通過上位機與STM32單片機進行通信。上位機程序在收到STM32單片機發(fā)出的報文后，向STM32單片機發(fā)送該電機電路故障提示。并且在中繼器上報警系統(tǒng)報警。這樣可以實現(xiàn)對風力電機的實時監(jiān)控和保護。圖3.7P_TEST函數(shù)代碼圖3.2.5GPS模塊設計在定位風力電機位置方面，系統(tǒng)采用帶天線的GY-NEO有源陶瓷天線模塊進行定位，GPS-NEO-6M是一款常用的GPS模塊，它可以通過串口與單片機或者計算機進行通信。在進行硬件調(diào)試時，需要確保模塊正確連接到單片機，并且單片機的串口通信設置正確。1.確保模塊正確連接到單片機。GPS-NEO-6M模塊通常有6個引腳，包括VCC、GND、TX、RX等引腳。VCC和GND分別連接到單片機的電源和地，TX和RX分別連接到單片機的串口發(fā)送和接收引腳。PPS和ANT引腳不需要連接。2.確保單片機的串口通信設置正確。需要設置正確的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗位。GPS-NEO-6M模塊的波特率設置為9600，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1，校驗位為無。3.GPS的信息是通過串口發(fā)送到單片機中，GPS發(fā)送$GPGGA報文在USART1_IRQHandler(void)中接收中斷，通過串口1接收后使用deal_gps()函數(shù)對數(shù)據(jù)進行接收，再進行轉(zhuǎn)存，在gps_com_decode()函數(shù)中對采集到的數(shù)據(jù)進行解析，該函數(shù)如圖3.8所示，最終數(shù)據(jù)存儲到gps_data_buf[200]中，從而準確獲取風力電機的位置信息。GPS的硬件圖如下圖所示：圖3.8GPS模塊圖3.9GPS解析代碼圖3.2.6OLED顯示屏在程序開始的時候，我們對OLED進行了初始化，使其進入工作狀態(tài)。在連接成功之后，OLED顯示屏就會顯示出“12345”的數(shù)字。這個時候，電壓電流以及風扇的轉(zhuǎn)速也都將會被輸出顯示到OLED顯示屏上。OLED顯示屏硬件部分如下圖所示：圖3.10OLED顯示屏3.2.7電池電池使用的是鋰電池，供電穩(wěn)定，可循環(huán)充放電。當發(fā)電機無法發(fā)電時，或發(fā)電不夠，電池將自動補償電量，提供穩(wěn)定的電量供給，并且電池模塊上的燈光亮起。當發(fā)電機供電充足，可以為鋰電池充電，存儲電量。3.2.8蜂鳴器蜂鳴器采用的是一個電磁式有源蜂鳴器作為系統(tǒng)報警使用，將蜂鳴器的正負極連接到中繼器端，當溫度高于預警值時，單片機驅(qū)動蜂鳴器工作。

第4章系統(tǒng)軟件設計4.1上位機設計流程4.1.1系統(tǒng)上位機總設計初始化數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)，上傳到服務器，存儲到數(shù)據(jù)庫初始化數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)，上傳到服務器，存儲到數(shù)據(jù)庫后端從數(shù)據(jù)庫抓取數(shù)據(jù)顯示到前端頁面開始圖4.1上位機設計流程圖4.1.2監(jiān)測溫度程序機組出現(xiàn)溫度過高大概率是出現(xiàn)了故障，因此對溫度的監(jiān)測是設計該程序必不可少的環(huán)節(jié)，在對溫度監(jiān)測的程序設計中，對溫度的閾值進行設置，當出現(xiàn)溫度過高時，會出現(xiàn)報警和頁面提示。防止因溫度過高帶來的損失。監(jiān)測溫度程序的流程圖如圖下所示：圖讀取溫度確定溫度閾值蜂鳴器報警提示超限讀取溫度確定溫度閾值蜂鳴器報警提示超限溫度小于閾值正常溫度大于閾值4.1.3監(jiān)測電流電壓程序接收下位機端電流電壓電壓=0接收下位機端電流電壓電壓=0且電流！=0短路，該號機故障電路正常NY圖4.3監(jiān)測電流電壓流程圖4.2前端設計前端運行在瀏覽器中展現(xiàn)給用戶瀏覽的網(wǎng)頁，可以更加直面的表現(xiàn)出數(shù)據(jù)的變化，是人機交互的基礎橋梁，主要由html語言與CSS與JavaScript搭建和優(yōu)化完成，html語言容易學習與開發(fā)，編程語言格式也便于閱讀和維護，做到輕量化，易于搜索引擎抓取。CSS語言在HTML語言的基礎上實現(xiàn)網(wǎng)頁的樣式與布局設計，使頁面美觀大方，并且升級輕松、維護方便，解決內(nèi)容與表現(xiàn)分離的問題。JavaScript可以實現(xiàn)動態(tài)的效果，增加網(wǎng)頁的交互性和動態(tài)性，并且可以通過Ajax技術(shù)，在無需重新加載整個頁面的情況下更新部分技術(shù)，實現(xiàn)頁面數(shù)據(jù)的異步加載。方便數(shù)據(jù)的更新，可以實時地檢測到風電機的各項數(shù)據(jù)參數(shù)。前端頁面的設計在index.html文件中，在loadXMLDoc()函數(shù)中對按鈕添加事件，通過xmlhttp.open()和xmlhttp.send()函數(shù)前端向后端發(fā)送調(diào)用數(shù)據(jù)庫請求，后端從數(shù)據(jù)庫中抓取數(shù)據(jù)，交給前端，界面可以直觀動態(tài)地顯示風力發(fā)電機的風力、電流、電壓、地理位置、機組、和故障情況完成上位機的設計。前端的整體界面如下圖所示：圖4.4前端整體界面4.3后端設計后端的系統(tǒng)設計主要是為了處理業(yè)務邏輯，處理用戶的請求、執(zhí)行業(yè)務規(guī)則和流程，以及生成相應結(jié)果。主要采用的是PHP語言，PHP是開源與免費的，可以在后臺編寫前端的邏輯，可以很容易地加載基于PHP的應用程序并連接到數(shù)據(jù)庫。在后端文件中，可以使用api.php與下位機端的數(shù)據(jù)進行接收，也可以下發(fā)上位機的指令。使用read.php()函數(shù)負責前端向后端調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，下位機產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行分析和處理，以便提供有用的信息和洞察力。并且提供安全和可靠的服務，確保系統(tǒng)不會受到攻擊或故障。及時對數(shù)據(jù)進行備份與恢復。圖4.5api.php代碼圖4.4數(shù)據(jù)庫設計數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)存儲的基礎，在涉及到任何數(shù)據(jù)的存儲、查詢和維護都會使用到數(shù)據(jù)庫，在本課題設計中，下位機上傳的數(shù)據(jù)由后端進行接收后將其存儲到數(shù)據(jù)庫中，在后端的設計中會調(diào)用到數(shù)據(jù)庫的接口，首先需要建立與數(shù)據(jù)庫之間的聯(lián)系，使用select_db()函數(shù)連接數(shù)據(jù)庫服務器如下圖4.6所示。連接到服務器后開始創(chuàng)建數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)表如圖4.7所示，而后對數(shù)據(jù)進行查找和調(diào)用。采用SQLServer2008作為數(shù)據(jù)庫平臺，為數(shù)據(jù)提供一個安全、穩(wěn)定、可靠的存儲環(huán)境，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。圖4.6連接服務器代碼圖圖4.7數(shù)據(jù)庫表

第5章系統(tǒng)測試在其它部分完成了對該系統(tǒng)的設計，為保證系統(tǒng)正常運行，對該系統(tǒng)進行硬件和軟件部分測試，是確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的重要步驟。在硬件測試方面，需要檢查所有硬件組件是否正確連接，并且檢查元件是否有無損壞的情況。在軟件測試方面，需要使用測試方法來驗證軟件的正確性和穩(wěn)定性。這些測試方法可以幫助發(fā)現(xiàn)和解決風力發(fā)電峰谷自動補償系統(tǒng)中的各種問題，從而確保系統(tǒng)能夠正常運行。在測試過程中，記錄測試結(jié)果，并及時修復發(fā)現(xiàn)的問題。只有經(jīng)過充分的測試和修復后，才可以對風電場進行正常的運轉(zhuǎn)。5.1系統(tǒng)硬件調(diào)試5.1.1Lora模塊調(diào)試LoRa模塊的硬件調(diào)試通常需要以下步驟：1.連接LoRa模塊：將LoRa模塊連接到硬件系統(tǒng)中。通常，LoRa模塊具有SPI接口，因此需要將其連接到微控制器的SPI總線上。還需要將模塊的其他引腳連接到微控制器上，例如模塊的復位引腳和中斷引腳。2.配置LoRa模塊：在開始使用LoRa模塊之前，配置它以使用正確的頻率和帶寬。在此可以使用LoRa模塊的配置寄存器來完成此操作。將模塊的頻率設置為與LoRa網(wǎng)關相同，并將帶寬設置為與該的應用程序相匹配。3.測試LoRa模塊：一旦已經(jīng)連接和配置了LoRa模塊，就可以開始測試它是否正常工作?？梢允褂靡粋€簡單的測試程序來發(fā)送和接收LoRa數(shù)據(jù)包。并且可以使用ArduinoLoRa庫來簡化此過程。該庫提供了發(fā)送和接收LoRa數(shù)據(jù)包的函數(shù)。調(diào)試后OLED顯示屏上顯示Lora連接如下圖所示：圖5.1LoRa模塊調(diào)試圖5.1.2發(fā)電機的測試將發(fā)電機連接到PA4PA5引腳，當發(fā)電機工作時，OLED顯示屏顯示電流、電壓和風速，發(fā)電機連接正常。5.1.3鋰電池連接測試將鋰電池插入到節(jié)點端的引腳上，當發(fā)電機工作時，鋰電池模塊上的LED燈熄滅，電池連接正常。5.2系統(tǒng)功能測試首先將STM32中繼器的接口聯(lián)電，將中繼器的USB接口連接到電源，在程序端使用延遲等待五秒鐘，檢查中繼器上的OLED顯示屏是否顯示“12345”，已確認是否連接成功，并且此時網(wǎng)絡也能連接成功，同樣的步驟再將節(jié)點的STM32單片機連接，屏幕成功顯示。對上位機所連接網(wǎng)絡名進行更改，開始調(diào)試測試。在進行紅外光電開關組成的發(fā)電機測試時，先將其插入到節(jié)點端的PA5PA4引腳上，在這一步中，可以觀察上位機，上位機上所有數(shù)據(jù)都將進行初始化0，當轉(zhuǎn)動發(fā)電機時，電壓、電流和風力的值發(fā)生改變，這意味著完成了該設計的初始化?？梢赃M行下一步的測試環(huán)節(jié)，初始化后頁面顯示如下圖所示：圖5.2數(shù)據(jù)初始化頁面顯示進行功能測試：1.對溫度監(jiān)測功能進行測試：在傳感器方面使用了DS18B20溫度傳感器。該傳感器對采用單總線通信協(xié)議，所有的通信都從一個初始化序列開始，該序列來自主機的復位脈沖和DS18B20的存在脈沖組成，當他發(fā)送脈沖以響應復位時，他向單片機指示它已經(jīng)總線上并準備好操作。對溫度的接收精準。測試首先要對溫度值進行閾值的設定，用戶通過手觸摸該傳感器模擬氣溫升高或設備出現(xiàn)故障升溫，可以看到上位機上的溫度數(shù)據(jù)升高，說明溫度傳感器沒有故障，通信模塊收發(fā)信號也無故障。若溫度高于預設的溫度值，則中繼器上的蜂鳴器會發(fā)出警報，上位機網(wǎng)頁端會提示“超限”。用戶在前端可以對溫度閾值進行更改，在后端的設計中有“+”“-”兩個按鈕的事件制作，將預設的溫度值降低，這時若當前溫度小于設定值，則蜂鳴器也會發(fā)出警報。溫度測試頁面如下圖所示：圖5.3溫度測試頁面顯示2.短路故障監(jiān)測：電流電壓的變化和功率可以表現(xiàn)出電路中出現(xiàn)的問題，當電路中出現(xiàn)短路時，電流會增大，電壓會降低，同時功率也會發(fā)生變化。為了檢測短路故障，我們可以使用一條導線將發(fā)電機與節(jié)點的電路短路。此時，電壓為0，電流不為0。如果這種情況持續(xù)三秒鐘以上，中繼器將亮起紅燈，提示出現(xiàn)短路故障。此時，如果轉(zhuǎn)動發(fā)電機，會產(chǎn)生明顯的阻力。同時，在前端頁面中的短路預警位置也會提示該機組出現(xiàn)短路。這種方法可以幫助我們及時發(fā)現(xiàn)電路中的短路故障，并采取相應的措施進行修復，確保電路的正常運行。數(shù)據(jù)如下圖所示：圖5.4短路故障檢測頁面顯示3.風力發(fā)電補償功能測試：將電池插入節(jié)點引腳上，當單片機檢測到有電流電壓產(chǎn)生，發(fā)電機工作，此時電池上燈光熄滅，停止自動補償；當未檢測到電流電壓時，電池上燈光亮起，開始自動補償。4.定位測試：通過GPS定位模塊，可以顯示發(fā)電機所在的具體地理位置，快速定位。定位測試信息如下圖所示：圖5.5GPS定位地理位置頁面展示

第6章總結(jié)在本系統(tǒng)設計中，我們著重于對風力電站的峰谷自動補償進行了設計，通過深入了解風能的優(yōu)點劣勢和風電場中普遍存在的問題，以達到最大化利用風能的目的，對風電場實現(xiàn)高效率的管理。在各個風電機子節(jié)點中采用Lora技術(shù)，以便實現(xiàn)遠距離低功耗的數(shù)據(jù)傳輸，同時保證了借助電池的穩(wěn)定供電，我們利用風電機產(chǎn)生的電流電壓來判斷是否需要進行電力補償，從而全面實現(xiàn)自動補償?shù)墓δ?。通過對風電發(fā)電機組進行監(jiān)控和控制，能夠及時了解機組狀況、故障信息以及發(fā)電量等數(shù)據(jù)，便于運維人員進行維護和管理。但是，我也意識到在本設計中也存在著不可避免的問題，比如說在定位方面，只能在室外才可以顯示定位的具體經(jīng)緯度，在室內(nèi)進行測試時，經(jīng)緯度無法顯示。在短路測試中，我們盡最大努力取得了較為準確的數(shù)據(jù)，但仍不能完全避免數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的情況。其次在設計中使用電池供電是無法代替電網(wǎng)供電的，更無法實現(xiàn)為電網(wǎng)提供動力支持。綜上所述，雖然在本系統(tǒng)設計中存在一些問題和挑戰(zhàn)，由于風能的不穩(wěn)定和不可預測性，風電場的功率輸出存在波動和不穩(wěn)定的問題，這也使得風電場的管理和運營變得更加復雜和困難。但我們希望能夠通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化，實現(xiàn)對風能的更高效利用，本設計只是一種理想的模型，但可以為風電場的管理和運營在設計中提供更加可靠和智能化的參考價值與解決辦法。參考文獻付丹丹.儲能技術(shù)在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用研究[J].電氣技術(shù)與經(jīng)濟,2023(01):150-151+155.谷群遠,劉木森.對風力發(fā)電設備無損檢測技術(shù)的研究[J].科技風,2022(14)楊淼森,周文.風力發(fā)電系統(tǒng)預防性維修決策技術(shù)分析[J].中國設備工程,2023(04):74-76.趙金鑫.風力發(fā)電自動化控制系統(tǒng)中的智能化技術(shù)應用研究[J].應用能源技術(shù),2022(07):54-57.楊亞,王龍,徐杰.風力發(fā)電機最大功率模型補償控制[J].蘭州工業(yè)學院學報,2022,29(03):73-77+83.朱琪.LoRa無線傳感網(wǎng)信道質(zhì)量評估與組網(wǎng)方法研究[D].武漢理工大學,2021.馬驍.基于LoRa的小規(guī)模組網(wǎng)關鍵技術(shù)研究[D].河北科技大學,2020.陳文靜.新能源風力發(fā)電系統(tǒng)中自適應控制技術(shù)的應用及未來前景[J].電子測試,2022(16):104-106.李偉,井興洋.控制技術(shù)在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用[J].中國高新科技,2022(16):144-146.SantosLeonardoL.S.,AmarisHortensia,AlonsoMonica,BelatiEdmarcioA.,?ngelosEduardoW.S.,MeloJoelD..Anovelmethodologytodeterminethereactivepowerrangerequirementsforwindgeneratorsconsideringthecorrelationofelectricitydemandandwindgeneration[J].ElectricPowerSystemsResearch,2022,209.UzDilek,ChimCallista.IntermittencyinWindEnergyandEmissionsfromtheElectricitySector:Evidencefrom13YearsofData[J].Sustainability,2022,14(4).DesalegnBelachew,GebeyehuDesta,TamiratBimrew.Windenergyconversiontechnologiesandengineeringapproachestoenhancingwindpowergeneration:Areview.[J].Heliyon,2022,8(11).ZsiborácsHenrik,PintérGábor,VinczeAndrás,BaranyaiNóraHeged?sné.WindPowerGenerationSchedulingAccuracyinEurope:AnOverviewofENTSO-ECountries[J].Sustainability,2022,14(24).MoradianSogol,OlbertAgnieszkaI.,GharbiaSalem,IglesiasGregorio.Copula-basedprojectionsofwindpower:Irelandasacasestudy[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2023,175.DemeslayClément,GautierRoland,RostaingPhilippe,BurelGilles,FicheAnthony.ANovelSchemeforDiscreteandSecureLoRaCommunications[J].Sensors,2022,22(20).

附錄附錄A：中繼器端部分代碼voidwifi_tx(){ u8tbuf[200]; staticu32my_time=0; if(my_time<Sys_Run_Time) { esp_err++; my_time=Sys_Run_Time+1000; if(esp_err<10) { clear(tbuf,200); str_str_int(tbuf,"tp=",tp/10); str_str_int(tbuf,".",tp%10); str_str_int(tbuf,"&eu=",eu); str_str_int(tbuf,"&ei=",ei); str_str_int(tbuf,"&fans=",fans); str_str(tbuf,"&N=");str_str(tbuf,GPS_N); str_str(tbuf,"&E=");str_str(tbuf,GPS_E); ESP8266_SEND(tbuf); } else { OLED_ShowString(0,0,"DisConnect",16,1); OLED_Refresh(); esp8266_init_inter(); esp_err=0; } }}voidread_lora(){ u16i; ei=lora_buf[0]; ei=ei*256+lora_buf[1]; eu=lora_buf[2]; eu=eu*256+lora_buf[3]; tp=lora_buf[4]; tp=tp*256+lora_buf[5]; fans=lora_buf[6]; fans=fans*256+lora_buf[7]; for(i=0;i<10;i++) { GPS_N[i]=lora_buf[i+8]; } for(i=0;i<11;i++) { GPS_E[i]=lora_buf[i+18]; }}voidread_data(){ u8bu[10]; if(uart1_st>0) { if(time_data==0) { esp_err=0; bu[0]=data_buf[0]&0x0f; bu[1]=data_buf[1]&0x0f; if(bu[0]>0) { bz=1; view_zt(1); } else { bz=0; OLED_ShowString(0,32,"",16,1); } if(bu[1]>0) { led=1; view_zt(0); } else { led=0; OLED_ShowString(0,48,"",16,1); } uart1_st=0; } }}voidlora(){ if(uart2_st>0) { if(uart_gps_time==0) { delay_ms(20); read_lora(); uart2_st=0; OLED_ShowString(0,16,"loraconnect",16,1); OLED_Refresh(); } }}voidWiFi_rev(){ if((uart1_st>0)) { if(time_data==0) { read_data(); uart1_st=0; esp_err=0; OLED_ShowString(0,0,"intenConnect",16,1); OLED_Refresh(); } }}intmain(){ RCC_Configuration(RCC_PLLMul_9); NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); USART1_Init(115200); Usart2_Init(9600); SysTick_Init(72); init_io(); OLED_Init(); TIM4_Init(100,720-1); OLED_ShowString(0,16,"12345",16,1); OLED_Refresh(); delay_ms(1000);delay_ms(1000);delay_ms(1000);delay_ms(1000);delay_ms(1000); while(1) { wifi_tx(); WiFi_rev(); lora(); OLED_Refresh(); }}附錄B：節(jié)點端部分代碼voidgps_com_decode(){ intst=0,x,y; u8bu[20]; clear(bu,20); if(find_ch_nub(gps_buf,',',50)>2) { copy_string(gps_buf,bu,0,find_ch_addr(gps_buf,',',1)); if(size_of(bu)) { if(bu[4]=='.') { clear(GPS_N,20); copy_string(gps_buf,GPS_N,0,find_ch_addr(gps_buf,',',1)); } st++; } clear(bu,20); copy_string(gps_buf,bu,find_ch_addr(gps_buf,',',2),find_ch_addr(gps_buf,',',3)); if(size_of(bu)) { if(bu[5]=='.') { clear(GPS_E,20); copy_string(gps_buf,GPS_E,find_ch_addr(gps_buf,',',2),find_ch_addr(gps_buf,',',3)); st++; } } if(st==2) { OLED_ShowString(0,48,GPS_E,16,1); OLED_ShowString(0,32,GPS_N,16,1); my_GPS_xy_OK=1; } else { my_GPS_xy_OK=0; } }}voidlora(){ staticu32my_time=0; u16i; if(my_time<Sy