一种无人机数据采集的风力发电装置管理系统及方法

技术领域

本发明属于风力发电管理技术领域，具体涉及一种无人机数据采集的风力发电装置管理系统及方法。

背景技术

自然环境里蕴含的能量种类繁多，其中更以风能、太阳能、振动能、热能、电磁能居多。风能作为自然环境中蕴含丰富的能源，不仅可再生、可持续，而且清洁环保无处不在，因此，风能一直备受青睐，它不仅是人类最先从环境中 开采的能量之一，更是当今清洁能源自供能研究的一个重点领域。风能是自然界中常见的自然现象，特别是在经济不发达，风能资源丰富的山地地区。增加本地风力发电机的数量不仅可以增加我国的经济价值，而且可以提供本地能源供应。

考虑到风能对当前社会结构的重要性，如何提高风力发电装置运行的实时动态可检测性，并允许在整个发电装置运行期间及时发现问题，使整个风力发电装置运行更平稳和安全是亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明针对上述缺陷，提供一种通过采用第二网络协议接口将作为边缘控制器的主无人机控制设备直连中央处理计算控制中心模块，并通过第一网络协议接口作为边缘控制器的主无人机控制设备直连云数据处理中心模块，云边协同发展，将分布式边缘处理局域网络的多个子无人机的飞行路线控制以及能耗控制分开进行计算，有效提交准确度并降低数据处理中心的数据计算量和能耗的一种无人机数据采集的风力发电装置管理系统及方法。

本发明提供如下技术方案：一种无人机数据采集的风力发电装置管理系统，所述系统包括若干个主无人机，每个主无人机与多个子无人机形成一个分布式边缘处理局域网络，其特征在于，所述分布式边缘处理局域网络中的主无人机作为边缘控制器，所述分布式边缘处理局域网络中的多个子无人机作为边缘服务器；所述分布式边缘处理局域网络中的主无人机与多个子无人机通过无线通信模块通信连接；所述系统还包括与若干个主无人机通信的中央处理计算控制中心模块和云数据处理模块，所述多个子无人机上均设置有数据采集模块；

每个主无人机包括第一网络协议接口和第二网络协议接口，所述第一网络协议接口用于通过无线通信系统与多个子无人机和所述云数据处理模块通信连接；所述第二网络协议接口用于将每个主无人机与中央处理计算控制中心模块通信连接；

若干个主无人机上均设置有无人机控制模块，用于局部数据处理工作，作为所述边缘控制器的一个边缘计算处理节点，进而实现作为边缘服务器的多个子无人机通过边缘控制器最终与云数据处理模块的通信连接。

进一步地，所述无线通信系统包括PLC通信模块、LED显示模块和网络协议通信配置模块；所述网路协议通信配置模块用于配置具体通信参数，实现作为边缘计算处理节点的主无人机的无人机控制模块与云数据处理模块的通信；所述LED显示模块用于实时显示数据监控信息、历史数据表格信息以及历史数据形成的实时数据曲线信息。

进一步地，所述PLC通信模块为基于Socket协议实现分布式边缘处理局域网络内的多个子无人机与主无人机的通信。

进一步地，所述网络协议通信配置模块中配置的网络协议为消息队列遥测传输协议、DDS协议、AMQP协议或JMS协议中的一种。

进一步地，所述无人机控制模块用于并对所述数据采集模块采集到的数据进行边缘计算，对所述分布式边缘处理局域网络内的风力发电装置的状态进行边缘计算和存储，进而进一步实时跟踪、调整和控制所述分布式边缘处理局域网络中的主无人机和多个子无人机的能耗情况、巡航范围和路径。

进一步地，所述中央处理计算控制中心模块，用于实时监测所述分布式边缘处理局域网络中的主无人机和多个子无人机的状态和采集到的数据，控制主无人机和多个子无人机形成的分布式边缘处理局域网络在整个被监测管理区域中的所占面积，协调多个分布式边缘处理局域网络实时监测区域，保证整个被监测管理区域全部被监测管理。

进一步地，所述云数据处理模块，用于云端融合计算多个分布式边缘处理局域网络的若干主无人机和每个主无人机对应的多个子无人机的能耗优化。

进一步地，所述第二网络协议接口采用的协议为Modbus RTU通信协议。

进一步地，所述数据采集模块包括风力发电装置的风机转子破损图像采集模块、风速传感器、风向传感器、所述多个子无人机所在分布式边缘处理局域网络所在区域的地形地貌图像数据采集模块、GPRS实时定位模块和无人机能耗监测模块。

本发明还提供上述系统的一种无人机数据采集的风力发电装置管理方法，包括以下步骤：

S101、若干个主无人机的分布式边缘处理局域网络形成风力发电装置管理系统所监测的全部区域，每个主无人机通过所述第一网络协议接口和所述无线通信系统将所述无人机控制模块实时跟踪并控制多个无人机在其分布式边缘处理局域网络所在区域内的飞行路线的控制指令传输至多个子无人机；

S102、多个无人机上的所述数据采集模块采集其所在区域内的风力发电装置的风机转子破损情况的图像信息、风速数据信息、风向数据信息和多个子无人机所在分布式边缘处理局域网络所在区域的地形地貌图像数据信息，并通过所述无线通信系统和所述第一网络协议接口传输至所述多个子无人机对应的主无人机的无人机控制模块内；

S103、所述无人机控制模块对所述分布式边缘处理局域网络内的风力发电装置的状态进行边缘计算和存储，进而进一步实时跟踪、调整和控制所述分布式边缘处理局域网络中的主无人机和多个子无人机的能耗情况、巡航范围和路径；无线通信系统内的网路协议通信配置模块配置具体通信参数，将作为边缘计算处理节点的主无人机的无人机控制模块边缘计算得到的主无人机和多个子无人机的能耗情况通过第一网络协议接口传输至所述云数据处理模块；无人机控制模块边缘计算得到的所述分布式边缘处理局域网络中的主无人机和多个子无人机的巡航范围和路径通过所述第二网路协议接口传输至所述中央处理计算控制模块内；

S104、所述中央处理计算控制中心模块接收多个主无人机的无人机控制模块进行边缘计算后的结果和所述分布式边缘处理局域网络中的主无人机和多个子无人机的巡航范围和路径，并实时监测所述分布式边缘处理局域网络中的主无人机和多个子无人机的状态和采集到的数据，控制主无人机和多个子无人机形成的分布式边缘处理局域网络在整个被监测管理区域中的所占面积，协调多个分布式边缘处理局域网络实时监测区域，保证整个被监测管理区域全部被监测管理；

S105、所述云数据处理模块接收S103步骤计算得到的所述分布式边缘处理局域网络中的主无人机和多个子无人机的能耗情况，云端融合计算多个分布式边缘处理局域网络的若干主无人机和每个主无人机对应的多个子无人机的能耗优化。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过设置若干个个作为边缘控制器的主无人机和与每个主无人机进行无线通信的、作为边缘服务器的多个子无人机；主无人机的无人机控制模块作为边缘计算处理节点，与云数据处理模块的通信，进而分散了云数据处理模块的数据信息处理压力，与云数据处理模块的云计算形成互补，二者协作，弥补了仅仅将数据全部传输至云数据处理模块进行处理计算而无边缘计算所无法解决的问题，突破了以往的集中式数据处理的云计算特点，并可以与云数据处理模块共享边缘计算前后的原始数据以及计算结果。

2、本发明采用若干个具有无人机控制模块作为边缘计算处理节点的分布式部署的设计，有效将部分或全部数据迁移至物联网云计算的边缘，在地里位置上更接近无人机终端设备以及传感器，实现了分布式的数据处理、分析和储存，缩短了与数据源头的距离，有效提高了底层设备与数据处理中心(即若干个无人机的无人机控制模块)的数据传输效率，不但降低了云服务中心面临的计算压力，而且有效提高了网络服务和数据处理的实时性和私密性，无需将所有终端无人机采集到的数据全部上传至云数据处理模块所在的云端，直接在若干个无人机的无人机控制模块上进行计算并存储，有效降低了网络传输过程可能带来的数据泄密的风险，提高了风力发电装置数据管理的安全性。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为本发明提供的一种无人机数据采集的风力发电装置管理系统整体示意图；

图2为本发明提供的管理系统的无线通信系统的结构示意图；

图3为本发明提供的管理系统的设置于多个子无人机上的数据采集模块的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，为本实施例提供的一种无人机数据采集的风力发电装置管理系统，系统包括若干个主无人机，每个主无人机与多个子无人机形成一个分布式边缘处理局域网络，分布式边缘处理局域网络中的主无人机作为边缘控制器，分布式边缘处理局域网络中的多个子无人机作为边缘服务器；分布式边缘处理局域网络中的主无人机与多个子无人机通过无线通信模块通信连接；系统还包括与若干个主无人机通信的中央处理计算控制中心模块和云数据处理模块，多个子无人机上均设置有数据采集模块；

如图3所示，数据采集模块包括风力发电装置的风机转子破损图像采集模块(第一摄像头)、风速传感器、风向传感器、多个子无人机所在分布式边缘处理局域网络所在区域的地形地貌图像数据采集模块(第二摄像头)、GPRS实时定位模块和无人机能耗监测模块。GPRS实时定位模块用于实时监测主无人机和多个子无人机在其所在的分布式边缘处理局域网络所在区域内的地理位置信息，无人机能耗监测模块用于实时监测多个子无人机在其所在的分布式边缘处理局域网络所在区域内的飞行时剩余的能量。

每个主无人机包括第一网络协议接口和第二网络协议接口，第一网络协议接口用于通过无线通信系统与多个子无人机和云数据处理模块通信连接；第二网络协议接口用于将每个主无人机与中央处理计算控制中心模块通信连接；

若干个主无人机上均设置有无人机控制模块，用于局部数据处理工作，作为边缘控制器的一个边缘计算处理节点，进而实现作为边缘服务器的多个子无人机通过边缘控制器最终与云数据处理模块的通信连接。

如图2所示，无线通信系统包括PLC通信模块、LED显示模块和网络协议通信配置模块；网路协议通信配置模块用于配置具体通信参数，实现作为边缘计算处理节点的主无人机的无人机控制模块与云数据处理模块的通信；LED显示模块用于实时显示数据监控信息、历史数据表格信息以及历史数据形成的实时数据曲线信息。

PLC通信模块为基于Socket协议实现分布式边缘处理局域网络内的多个子无人机与主无人机的通信。网络协议通信配置模块中配置的网络协议为消息队列遥测传输协议(MQTT协议)、DDS协议、AMQP协议或JMS协议中的一种。

无人机控制模块用于并对数据采集模块采集到的数据进行边缘计算，对分布式边缘处理局域网络内的风力发电装置的状态进行边缘计算和存储，进而进一步实时跟踪、调整和控制分布式边缘处理局域网络中的主无人机和多个子无人机的能耗情况、巡航范围和路径。

中央处理计算控制中心模块，用于实时监测分布式边缘处理局域网络中的主无人机和多个子无人机的状态和采集到的数据，控制主无人机和多个子无人机形成的分布式边缘处理局域网络在整个被监测管理区域中的所占面积，协调多个分布式边缘处理局域网络实时监测区域，保证整个被监测管理区域全部被监测管理。

云数据处理模块，用于云端融合计算多个分布式边缘处理局域网络的若干主无人机和每个主无人机对应的多个子无人机的能耗优化。

进一步地，第二网络协议接口采用的协议为Modbus RTU通信协议。

进一步地，第二网络协议接口采用的协议可以采用Modbus TCP通信协议。为在Modbus RTU通信协议上加一个MBAP报文头，由于TCP是基于可靠连接的服务，Modbus TCP通信协议相较Modbus RTU通信协议不再需要Modbus RTU通信协议中的CRC校验码，所以在Modbus TCP协议中是没有CRC校验码，简化了通信协议的过程。

实施例2

本实施例采用实施例1提供的系统的一种无人机数据采集的风力发电装置管理方法，包括以下步骤：

S101、若干个主无人机的分布式边缘处理局域网络形成风力发电装置管理系统所监测的全部区域，每个主无人机通过第一网络协议接口和无线通信系统的PLC通信模块将无人机控制模块实时跟踪并控制多个无人机在其分布式边缘处理局域网络所在区域内的飞行路线的控制指令传输至多个子无人机；

S102、多个无人机上的数据采集模块采集其所在区域内的风力发电装置的风机转子破损情况的图像信息、风速数据信息、风向数据信息和多个子无人机所在分布式边缘处理局域网络所在区域的地形地貌图像数据信息，并通过无线通信系统的PLC通信模块和第一网络协议接口传输至多个子无人机对应的主无人机的无人机控制模块内；无线通信系统内的LED显示模块实时显示数据监控信息、历史数据表格信息以及历史数据形成的实时数据曲线信息；

S103、无人机控制模块对分布式边缘处理局域网络内的风力发电装置的状态进行边缘计算和存储，进而进一步实时跟踪、调整和控制分布式边缘处理局域网络中的主无人机和多个子无人机的能耗情况、巡航范围和路径；无线通信系统内的网路协议通信配置模块配置具体通信参数，将作为边缘计算处理节点的主无人机的无人机控制模块边缘计算得到的主无人机和多个子无人机的能耗情况通过第一网络协议接口传输至云数据处理模块；无人机控制模块边缘计算得到的分布式边缘处理局域网络中的主无人机和多个子无人机的巡航范围和路径通过第二网路协议接口传输至中央处理计算控制模块内；

S104、中央处理计算控制中心模块接收多个主无人机的无人机控制模块进行边缘计算后的结果和分布式边缘处理局域网络中的主无人机和多个子无人机的巡航范围和路径，并实时监测分布式边缘处理局域网络中的主无人机和多个子无人机的状态和采集到的数据，控制主无人机和多个子无人机形成的分布式边缘处理局域网络在整个被监测管理区域中的所占面积，协调多个分布式边缘处理局域网络实时监测区域，保证整个被监测管理区域全部被监测管理；

S105、云数据处理模块接收S103步骤计算得到的分布式边缘处理局域网络中的主无人机和多个子无人机的能耗情况，云端融合计算多个分布式边缘处理局域网络的若干主无人机和每个主无人机对应的多个子无人机的能耗优化。

本发明对多个子无人机和主无人机形成的分布式边缘处理局域网络的控制策略的制定和控制指令的下发都需要保证实时性，而整个系统设备运行过程数据信息是有时效性的，等数据到了云数据处理中心上时，可能已经“过期”。通过设置若干个具有边缘计算能力的无人机控制模块的主无人机，能够有效的边缘数据处理，进而可以缩短响应时间，带宽和连接成本，减少存储需求。

通过采用第二网络协议接口将作为边缘控制器的主无人机控制设备直连中央处理计算控制中心模块，并通过第一网络协议接口作为边缘控制器的主无人机控制设备直连云数据处理中心模块，云边协同发展，将分布式边缘处理局域网络的多个子无人机的飞行路线控制以及能耗控制分开进行计算，有效提交准确度并降低数据处理中心的数据计算量和能耗，促进无人机与互联网应用相结合，对风力发电装置运行过程数据和环境数据进行监控。融合互联网、云技术、边缘服务于一体，实现工业互联网中人、机、物全面互联的思想。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。