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风力发电机组健康检查系统

发布于 2024-09-16 17:42:08 浏览：235 订阅该版

[tocm]

# 风力发电机组健康检查系统

## 项目背景及意义

随着我国能源结构的调整和环保意识的提升，风力发电得到了快速发展。然而，风力发电系统在长期运行过程中，受到自然环境和设备老化等因素的影响，常常会出现诸如叶片损坏、发电机故障、变桨系统异常等各类问题。传统的人工巡检和设备状态监测方式不仅耗时费力，且检测的准确性较低，难以及时发现问题。基于此背景，针对传统检测方式存在的准确性和实时性不足的问题，本设计提出了一套基于边缘智能的风力发电机组智能巡检系统。该系统旨在提升风力发电机组的运维管理效率，实现更精准、实时的设备状态监测和故障检测。

### 关键词

风力发电机组；齿轮箱；电机故障；智能化检测

## 边缘智能风力发电机组健康检查系统系统架构设计

利用RT-Thread操作系统提供的物联网通信能力和实时性，构建起对整个底层边缘传感器数据的的实时采集和传输。随后通过Linux丰富的生态构建起边缘AI智能模型，对采集到的数
据进行实时的分类和识别，实现对风力发电机组的智能巡检。整个系统架构如下。

![边缘系统架构.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240916/a19e04037cb167cf71ff8afb073bafd6.png.webp)

## 边缘智能运维原理

在风力发电机组工作过程中，齿轮箱、发电机等极易出现机械振动过大、卡机、转速不稳定、运行宕机等故障。如果不能及时发现故障元件进行更换，就会危急整个系统的正常运转，
照成大量的经济损失。传统单一的震动检查存在可靠性不高的问题，为了提高对风力发电机组健康检测的有效率，需要结合声音、红外图像、图像等方面来构建整个风力发电机组的
健康检查模型。

## RT-Thread工程配置

### RT-Thread版本选择

本项目选择**5.0.2**版本进行设计，该版本支持finsh调试时第二位参数支持自动补全，如过去的 `list_thread、list_sem、list_mutex`等指令都在 `list`指令下，通过 `list [参数]`进行选择，利用该特性，可以极大的便利用户对调试代码的设计。

### MCU选择

这里选择常用的**STM32F407ZGT6**作为边缘MCU设备，该设备资源丰富，通过拓展**SRAM**和**SD**卡等存储设备，可以融入更多的功能，为后续多样的需求提供支持。

### RT-Thread工程架构

由于时间和精力有限，目前对整个项目的功能设计较为简单，实现了一部分简单功能，如数据采集和传输、文件系统等功能。RT-Thread工程架构如下图所示。

![RT-Thread工程架构.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240916/5cbcb1c847ad3a74c56165472f30c70b.png)

### Modbus组件配置

#### 组件选择

这里选择**FreeModus**组件，该组件可以支持从站RTU、ASCII、TCP模式，和主站RTU模式，但值得注意的是，该组件在主站设计上仍有一些个人觉得不妥的地方，需要进行修改。

## 边缘计算平台

预定计划采用华为Atlas200进行设计，但参加缺货，所以这里采用RK3658进行设计。

## 内网穿透

这里有一个详细的frp内网穿透教程，大家可安装教程学习。

[内网穿透教程-哔哩哔哩](https://www.bilibili.com/video/BV1zQ4y177F7/?spm_id_from=333.788)

### 客户端配置

在按照教程配置后，进行frpc开机后自动运行配置。

个人配置的frpc.toml的内容

> ```
> root@topeet:~$ cat app/frp/frpc.toml 
> user = "topeet"
> 
> serverAddr = "服务器ip地址"
> serverPort = 略
> 
> auth.method = "token"
> auth.token = "token密码"
> 
> [[proxies]]
> name = "ssh"
> type = "tcp"
> localIP = "127.0.0.1"
> localPort = 22
> remotePort = 略
> ```

使用**systemctl** 实现 frpc 开机后台运行

> ```shell
> root@topeet:~$ vim /etc/systemd/system/frpc.service
> root@topeet:~$ cat /etc/systemd/system/frpc.service
> [Unit]
> Description = frp cloud
> After = network.target syslog.target
> Wants = network.target
> 
> [Service]
> Type = simple
> TimeoutStartSec=infinity
> ExecStartPre=/bin/sleep 60
> Restart=on-failure
> RestartSec=5s
> ExecStart = /root/app/frp/frpc -c /root/app/frp/frpc.toml
> ExecReload = /root/app/frp/frpc reload -c /root/app/frp/frpc.toml
> LimitNOFILE = 1048576  
> 
> [Install]
> WantedBy = multi-user.target
> ```

专门用于jupyter的frpc.toml配置，这里得先进行ssh连接之后，才能进行启动。

> ```shell
> root@topeet:~$ cat app/frp/frpc-jupyter.toml 
> user = "topeet"
> 
> serverAddr = "服务器ip地址"
> serverPort = 略
> 
> auth.method = "token"
> auth.token = "token密码"
> 
> [[proxies]]
> name = "jupyter"
> type = "http"
> localIP = "127.0.0.1"
> localPort = jupyter运行的端口
> # http username and password are safety certification for http protocol
> # if not set, you can access this customDomains without certification
> # httpUser = "admin"
> # httpPassword = "admin密码"
> # if domain for frps is frps.com, then you can access [web01] proxy by URL http://web01.frps.com
> subdomain = ""
> customDomains = ["服务器ip地址"]
> ```

用于测试的指令

> ```shell
> systemctl enable frpc  # 使能 frpc 服务
> systemctl start frpc  # 启动 frpc 服务
> systemctl stop frpc  # 启动 frpc 服务
> systemctl restart frpc  # 如果修改了frpc.toml文件，则重启 frpc 服务
> systemctl status frpc  # 显示 frpc 服务运行的状态
> ```

### 服务器端配置

服务器端自动启动frps服务的配置

> ```shell
> root@hcss-ecs-aa62:~/frp# vim /etc/systemd/system/frps.service 
> root@hcss-ecs-aa62:~/frp# cat /etc/systemd/system/frps.service 
> [Unit]
> Description = frp cloud
> After = network.target syslog.target
> Wants = network.target
> 
> [Service]
> # 指定服务的类型为 simple，意味着这个服务会启动一个进程，并假定这个进程不会派生出其他的子进程。
> Type = simple
> # 表示该服务的启动时间没有限制，即启动过程可以无限期地等待完成。
> TimeoutStartSec = infinity
> # 在执行主服务命令之前，会先执行一个预执行命令，即 sleep 60，这意味着启动前服务会等待 60 秒。
> ExecStartPre = /bin/sleep 60
> # 指定该服务在失败时会自动重启。
> Restart = on-failure
> # 如果服务失败，5 秒后重新启动。
> RestartSec = 5s
> # 用于启动主进程
> ExecStart = /root/frp/frps -c /root/frp/frps.toml
> # 重新加载配置文件，通常是当配置文件内容改变时，执行该命令让服务重新加载新配置。
> ExecReload = /root/frp/frps reload -c /root/frp/frps.toml
> # 该指令设置进程可以打开的最大文件数为 1048576。这个值用于增加文件句柄的限制，
> # 通常对于网络代理服务比较重要，因为它可能会处理大量的网络连接。
> LimitNOFILE = 1048576  
> 
> [Install]
> # 表示该服务应在系统的 multi-user.target 启动级别中启动，通常对应没有图形界面的多用户模式。
> WantedBy = multi-user.target
> 
> ```

用于测试的指令

> ```shell
> systemctl enable frps  # 使能 frps 服务
> systemctl start frps  # 启动 frps 服务
> systemctl stop frps  # 启动 frps 服务
> systemctl restart frps  # 如果修改了frps.toml文件，则重启 frps 服务
> systemctl status frps  # 显示 frps 服务运行的状态
> ```

## miniconda配置

### 1.安装miniconda

#### 1.1 配置sd卡

为了减小miniconda对原系统内存的占用，这里将miniconda下载到外部sd卡上

> ```shell
> root@topeet:~$ lsblk # 列出系统中所有可用的块设备信息
> NAME         MAJ:MIN RM  SIZE RO TYPE MOUNTPOINT
> mmcblk0      179:0    0 29.1G  0 disk 
> ├─mmcblk0p1  179:1    0    4M  0 part 
> ├─mmcblk0p2  179:2    0    4M  0 part 
> ├─mmcblk0p3  179:3    0   64M  0 part 
> ├─mmcblk0p4  179:4    0   64M  0 part 
> ├─mmcblk0p5  179:5    0   32M  0 part 
> ├─mmcblk0p6  179:6    0   12G  0 part /
> ├─mmcblk0p7  179:7    0  192M  0 part /oem
> └─mmcblk0p8  179:8    0 16.8G  0 part /userdata
> mmcblk0boot0 179:32   0    4M  1 disk 
> mmcblk0boot1 179:64   0    4M  1 disk 
> mmcblk1      179:96   0 29.2G  0 disk 
> └─mmcblk1p1  179:97   0 29.2G  0 part /mnt/sdcard  # 这里我挂接在目录/mnt/sdcard，这列可以联想RT-Thread挂接文件系统的过程，两者有异曲同工的地方
> ```

格式化sd卡，将其配置为ext文件系统类型，因为这样才能将软件下载到这上面。

> ```shell
> root@topeet:~$ cat /etc/fstab
> # <file system>			<mount pt>		<type>		<options>		<dump>	<pass>
> /dev/root			/			auto		rw,noauto		0	1
> proc				/proc			proc		defaults		0	0
> devpts				/dev/pts		devpts		defaults,gid=5,mode=620	0	0
> tmpfs				/dev/shm		tmpfs		mode=0777		0	0
> tmpfs				/tmp			tmpfs		mode=1777		0	0
> tmpfs				/run			tmpfs		mode=0755,nosuid,nodev	0	0
> sysfs				/sys			sysfs		defaults		0	0
> debug				/sys/kernel/debug	debugfs		defaults		0	0
> pstore				/sys/fs/pstore		pstore		defaults		0	0
> PARTLABEL=oem	/oem	ext2	defaults	0 2
> PARTLABEL=userdata	/userdata	ext2	defaults	0 2
> /dev/mmcblk1p1 /mnt/sdcard ext4 defaults 0 2		# 这一行为我添加的内容
> ```

#### 1.2 下载安装miniconda

这一步操作和网上关于miniconda配置安装大体一样，没有什么区别。

#### 1.3 安装开发所需的必须包

> ``` shell
> root@topeet:~$ conda create -n ml python=3.8 # 创造一个用于机器学习的conda环境，python版本为3.8
> root@topeet:~$ conda activate ml # 激活ml环境，注意下载python包时得注意下载的环境，后续的环境都是 ml 环境
> (ml)root@topeet:~$ conda install pyserial # 用于串口通信的python包
> (ml)root@topeet:~$ pip install pymodbus # 用于modbus通信的python包，注：经过测试，在arcch64环境下，使用conda下载该包时，很多时候都不成功，得用pip指令下载。
> (ml)root@topeet:~$ conda install jupyter # 用于下载jupyter包，编译远程python调试编程
> ```

### 2.jupyter notebook配置

输入指令`jupyter notebook --generate-config`，得到配置文件`/root/.jupyter/jupyter_notebook_config.py`，并修改文件内容。

```shell
(ml)root@topeet:~$ jupyter notebook --generate-config
root@topeet:~$ vim /root/.jupyter/jupyter_notebook_config.py
```

让后添加如下内容：

```shell
c.ServerApp.allow_remote_access = True # 允许远程访问，该配置很重要，不然无法通过内网穿透访问。
c.ServerApp.allow_root  = True # 允许root启动jupyter notebook
c.ServerApp.ip = '0.0.0.0' # 监听所有ip，该配置很重要，不然无法通过内网穿透访问。
c.ServerApp.notebook_dir = '/mnt/sdcard' # 指定jupyter notebook运行时工作的目录目录
c.ServerApp.open_browser = False # 禁止自动打开浏览器
c.ServerApp.password_required = True # 需要密码
c.ServerApp.password = '密码' # 下一步生成
c.ServerApp.port = 8888 # 指定端口
```

配置jupyter notebook的访问密码，执行命令：`jupyter notebook password`，输入密码，再次输入密码，即可完成配置。得到文件`/root/.jupyter/jupyter_server_config.json`，内容如下：

> ```shell
> (ml)root@topeet:~/.jupyter$ cat jupyter_server_config.json 
> {
>   "IdentityProvider": {
>     "hashed_password": "密码"
>   }
> }
> ```

运行jupyter notebook，可以指定运行ip地址，例如：jupyter notebook --ip=设备的ip地址，该方法适用于局域网访问

> ```
> (ml)root@topeet:~/ jupyter notebook # 或者 jupyter notebook --ip=设备的ip地址
> ```

此时便可以通过网上的操作进行访问jupyter服务

## 基于EMQX的MQTT服务器搭建

这里有一个详细的EMQX MQTT服务搭建的教程，大家可安装教程学习。

[基于EMQX搭建自己的MQTT服务器-哔哩哔哩](https://www.bilibili.com/video/BV1d84y1Q71X/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click)