東風西沙水庫無線安全監測網絡的設計與應用

華 濤，傅羅真，李桂平，崔 崗，肖慶華

（1.南京獻南瑞集團公司，江蘇省南京市 211106；2.上海勘測設計研究院，上海市 200434）

0 引言

安全監測自動化系統在各個工程的廣泛應用，為發揮工程效益、提高設計和施工技術水平方面發揮了重要作用，同時更為檢驗工程安全提供重要的信息，在安全監測領域的作用舉足輕重。

近年來，隨著科技的迅猛發展，無線通信技術在安全監測自動化系統中的應用研究也不斷深入，以GPRS、3G、4G為代表的移動通信技術、以WLAN（WIFI）、ZigBee、WiMAX為代表的近距離無線通信技術，以及傳統的數傳電臺、特高頻/甚高頻為代表的無線通信技術在工程安全監測自動化系統的應用日益廣泛。其中，ZigBee無線通信技術以其低功耗、低數據速率、使用免費等特別適合安全監測自動化的一系列特點受到業內人士的廣泛關注。ZigBee技術突破了傳統監測依賴敷設數據傳輸總線的束縛，實現了點對點的近距離無線信號傳輸，可視傳輸距離不小于500m，最大可達到1.6km，且支持無線通信距離的擴展，可靈活構建免費的無線局域監測網絡，在工程監測領域具有良好的應用前景。

但由于工程環境的復雜性也往往會給ZigBee無線監測網絡的設計帶來挑戰，本文結合上海東風西沙水庫安全監測自動化系統的工程應用環境，力求在工程的技術經濟型、實用性和先進性之間取得優化平衡，研究了無線監測網絡的實現方案，給出了具體的無線安全監測網絡的設計。

1 無線安全監測網絡

1.1 ZigBee主要技術特點

ZigBee是一種新興的基于IEEE 802.15.4無線標準研制開發的、有關組網、安全和應用軟件方面的技術。它采用直接序列擴頻技術，具有擴頻技術抗干擾性強、誤碼率低、安全性高等優點[1]。ZigBee技術還具有以下特點：

（1）低功耗: 由于ZigBee的傳輸速率低，發射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設備非常省電；相比較而言，藍牙、WiFi通信速率雖高，但功耗更大。

（2）成本低：由于ZigBee協議免專利費，終端設備價格一般較便宜。

（3）網絡工作頻段免費：ZigBee工作在免費的不必許可證的工業科學醫療（ISM）頻段（美國為915MHz，歐洲地區為868MHz，全球其他地區為2.4 GHz）。因此，不用進行復雜的頻段使用申請，無需交納頻段使用費用，這也是ZigBee得到廣泛應用的突出優點之一。

（4）網絡容量大，組網便捷，擴展性好。ZigBee技術可采用星型、網狀型、簇狀型三種網絡拓撲結構，此外，通過各種路由功能節點，可形成最大容量為65535的超大個人局域網絡（PAN，Personal Area Network，個域網），并且該個域網絡可與現有的移動通信網絡、互聯網等網絡連接，具有良好的擴展性。

（5）通信速率低，但滿足工程監測的需要。ZigBee模塊工作在20～250kbit/s的較低速率，針對不通的工作頻段，分別提供250kbit/s（2.4GHz）、40kbit/s（915MHz）和 20kbit/s（868MHz）的原始數據吞吐率，滿足低速率傳輸數據的應用需求。

（6）傳輸距離近，室內傳輸距離在10～100m之間，室外可視環境下實測通信距離在600m以上，但可通過路由等功能節點進行組網來擴展通信距離。

（7）安全性高，ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用接入控制清單（ACL）防止非法獲取數據以及采用高級加密標準（AES128）的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性[2]。

ZigBee技術的上述特點，使其特別適合于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸，以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用[3]，從而決定了ZigBee技術在工程安全監測領域有著較強的適用性。

1.2 ZigBee無線安全監測網絡

基于ZigBee的無線安全監測網絡，是通過基于ZigBee技術的無線數據采集模塊、無線傳輸模塊、無線通信管理模塊以及相關數據采集模塊，構建的監測反映工程安全性態的各種物理量的數據采集傳輸網絡。

ZigBee無線安全監測網絡中的所有模塊具有同一個網絡ID，這些模塊形成了個域網。其中，無線通信管理器作為協調器，負責對PAN網絡中各個無線節點的管理；每個ZigBee個域網中只能存在一個協調器功能模塊，且協調器功能模塊處于通信鏈路的下行端，即處于發出命令的數據采集系統的一端；個域網中可以存在多個無線采集模塊和無線傳輸模塊，其中，無線采集模塊具備傳感器信號采集和數據無線通信功能，無線數據傳輸模塊僅承擔數據無線通信功能；這兩種模塊均可通過相應配置，同時承擔無線通信路由中繼功能，以實現對ZigBee無線通信距離的擴展，有效擴展ZigBee的應用范圍，提高無線安全監測網絡的實用性。典型的無線安全監測網絡如圖1所示。

圖1 無線安全監測網絡示意圖

圖1 所示的無線監測網絡，理論上無線數據采集模塊和無線數據傳輸模塊的網絡容量可達65535個。但考慮到各模塊均配置為中繼模式，模塊越多，自動構建網絡中形成的中繼層數越多，通信延時相應越大，網絡的實時性受到影響。因此，在工程應用中，應結合工程環境，將無線監測網絡適度劃分為多個PAN。然后可以利用有線數據傳輸設備（如光端機）或其他類型的無線通信方式（例如GPRS無線通信），再依據不同的通信協議轉換和解析，將多個域網組成的無線安全監測網絡有效整合到一個安全監測自動化系統中。圖2為多個無線安全監測網絡PAN和有線光纖通信網絡整合的網絡示意圖。

圖2 無線安全監測網絡與既有有線通信網絡的融合示意圖

綜上所述，采用基于ZigBee技術的無線安全監測網絡，尤其適用于現場條件不能或者難以滿足敷設通信線纜的情況下，方便快捷地構建局域的測控網絡。同時，無線安全監測網絡與工程現場既有的有線通信網絡（如典型的RS485總線網絡）的組合十分靈活方便，無縫融合于既有的安全監測自動化系統，從而使無線安全監測網絡的應用優勢進一步放大，安全監測自動化系統的構建真正做到靈活多變，實現因地制宜。

2 工程設計與應用

2.1 工程概況

上海東風西沙水庫位于上海長江口南支上段的北側，崇明島西南部，屬于城市供水工程，位上海第三大水庫。環庫大堤總長度12km，有效庫容890.2萬m3，總庫容976.2萬m3。環庫堤段分為東南西北四個堤段，長度分別為1220、4798、2352m和3638m，圍堤及取水、排水和輸水三個泵站，圍堤劃分為19個觀測斷面，共布置各類觀測儀器202支，主要用于變形監測和滲壓監測，其中斷面2-2，3-3，11-11布置有串聯固定式測斜儀和振弦式滲壓計，其他斷面的儀器均為振弦式滲壓計。

東風西沙水庫各斷面觀測點通信距離間隔為600m或800m，其中南堤老海塘段環境相對開放，樹木茂盛，且因客觀因素影響，無法敷設總線，無市電可用，其他的東西北堤各測點鋪設電纜施工成本較高；各個泵站內環境設施良好，具備交流供電條件，且取水泵站、排水泵站至輸水泵站之間都具備光纖通信電纜；安全監測自動化系統主機安裝于輸水泵站內的控制室。

2.2 方案設計

根據綜合現場勘察和分析，明確東風西沙水庫的安全監測網絡具有以下特征：環形圍堤長度12km，堤上各觀測點間距800m，點與點之間鋪設通信電纜困難，而各泵站幾乎均勻分布在環形圍堤上，取水、排水兩個泵站均具備通信光纜至輸水泵站。

基于既有的工程條件，設計方案如下：

（1）16個滲壓計觀測斷面的無線數據采集模塊（產品型號：NDA1471）均配置路由功能，除承擔本測點的無線采集通信功能外，還為下一斷面的測點提供無線通信中繼功能。

（2）為避免無線通信管理設備所覆蓋的網絡中，節點數和路由層級過多而加大通信延時，將根據無線通信管理器（產品型號：NDA1770）的安裝于三個泵站的建筑物頂端，再依據無線通信管理器的位置對測點進行分區，形成三個具有不同ID的個域網，保證各個域網的中繼層數均在6級以內，具體劃分見圖3。劃分后的3個分區的無線通信管理器均通過光纜有線通信方式接入至監控主機。

（3）由于三個泵站處振弦式和差阻式儀器較多也較為集中，利用現有的DAU2000型常規采集模塊，通過光纜有線通信方式進行采集通信更為經濟合理。

（4）距離泵站相對較近且附近有交流電供應的斷面（2-2，3-3，11-11），因配置有滲壓計和固定式測斜儀，故采用DAU2000型常規模塊采集，再配合無線數據傳輸模塊NDA3320，實現無線傳輸。

（5）其余斷面采用無線測量模塊NDA1471測量采集并傳輸數據，采用太陽能供電，且在程序中增加監測太陽能供電電壓的功能，為后期維護提供參考。

（6）老海塘處各斷面間（7-7，8-8，9-9），可視距離不滿足要求的情況下，適當增加1～2個無線通信中繼模塊，以保證無線信號強度。

圖3 東風西沙水庫無線安全監測網絡分區示意圖

2.3 系統網絡圖

根據上述的設計方案，基于無線安全監測網絡形成的東風西沙水庫安全監測自動化系統總體網絡布置如圖4所示。

如圖4所示，根據工程現場實際劃分的3個無線安全監測網PAN A、B、C中，無線通信管理器NDA1770管理無線數據采集模塊NDA1471和無線數據傳輸模塊NDA3320，再將形成的無線個域網通過光端機NDA3421及光纜連接至監測自動化系統主機上；各泵站的DAU2000型數據采集模塊則直接通過光端機連接至系統主機。無線安全監測網絡和既有的有線通信網絡完美融合，形成了一個布局合理、經濟實用、技術先進的安全監測自動化系統。

2.4 工程實現及效果

東風西沙水庫安全監測自動化工程2014年3月開工，于2014年7月共完成19個無線測量站點和3個有線測站的安裝以及系統調試工作。安裝過程中，因各觀測斷面測點設備采用ZigBee無線通信方式，只需將采集模塊和傳感器正確連接，再就近安裝太陽能板，環水庫共12km內的測點，不需要額外鋪設電源和通信電纜，無須大量的土建施工即可使安全監測系統快捷地接入自動化系統中，施工周期短，施工成本低，構建的安全監測網絡成本相當經濟。

東風西沙水庫無線安全監測網絡自投運以來，截至目前已經穩定運行滿一年。在實際運行中，模塊電源采用了20W/9V的太陽能板配合6V/12Ah的鉛酸蓄電池，模塊監測的電壓數據均維持在6V以上，電源系統免維護，給業主帶來了較大的便利；視通環境下，各測點無線通信間距為800m，并互為中繼，形成了多達7級的無線中繼鏈路，每個PAN內形成了長達約5km的無線通信通道。同時，為了保證通信的系統穩定性，在無法視通的環境下，結合現場工況分析，適當增加中繼模塊，進一步改善了系統的穩定性。實際應用驗證表明，在中繼鏈路最末端的測點，其通信時延在3s左右，能夠滿足工程安全網絡的應用要求；執行安全監測系統中的取大規模數據命令和通信測試命令，未出現丟包的現象。

圖4 東風西沙安全監測自動化系統網絡布置圖

圖5 東風西沙水庫安全監測自動化系統部分實測成果展示

東風西沙無線安全監測網絡在系統的實際運行中，表現穩定可靠，得到業主和監理的認同。如圖5所示為部分實測數據。

3 總結

本文結合東風西沙水庫安全監測自動化系統的特點，因地制宜設計出的基于ZigBee技術的無線安全監測網絡在工程上切實可行，并取得穩定有效的應用成果。應用實踐表明，基于ZigBee的無線安全監測網絡具有成本低、建設周期短、組網便捷、安裝維護方便的顯著優點，可大幅減少安全監測工程的土建施工工作量，使得安全監測自動化系統的構建過程更靈活多變，在一定程度上促進了工程項目的經濟性和實用性的平衡，提升了安全監測網絡的技術先進性，值得大力推廣和深入研究。

[1] 劉子京，裴文江. 基于ZigBee協議的無線傳感器網絡研究［J］. 計算機技術與發展，2009，19（5）:192-194.

[2] 任秀麗，于海斌. ZigBee協議的無線傳感器網絡的安全性研究［J］. 儀器儀表學報，2007，28（12）:133-134.

[3] 曾衍仁. 基于ZigBee技術的遠程測控網絡[D]. 廣東工業大學碩士學位論文，2011.

華 濤（1981—），男，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向：電子儀器儀表的開發和系統集成。E-mail：huatao@sgepri.sgcc.om.cn

傅羅真（1984—），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：安全監測自動化系統的工程應用和資料分析，E-mail：fuluozhen@sgepri.sgcc.om.cn

李桂平，（1981—）男，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向：電子儀器儀表的開發和系統集成，E-mail：liguiping@sgepri.sgcc.om.cn

崔 崗（1978—），男，本科生，工程師，主要研究方向為安全監測自動化系統的工程應用，E-mail:cuigang@sgepri.sgcc.om.cn

肖慶華（1977—），男，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向為巖土工程設計和安全監測設計，E-mail:xqh@sidri.com