基于ZigBee的航標遙測終端在廣東省航道橋梁上的應用

楊萬鴻

摘 要：本文介紹了ZigBee技術的無線網絡來實現橋涵橋柱遙測的新型終端在廣東省I級航橋梁助航標志的應用，該終端由中心主機和測量盒兩部分組成。它的硬件電路采用stm32L151微處理器、ZigBee模塊和GSM模塊搭建，利用ZigBee傳輸技術將各個監測點上的航標運行狀態數據進行統一收集、處理、分析并通過GPRS/SMS將數據上報到服務器上。測量盒安裝在橋柱標、橋涵標上，采用穩定可靠無線Zigbee傳輸、組網技術將相對分散的橋柱標、橋涵標運行狀態數據集中上報到中心主機，一個中心主機可接入多個監測點，從而有效地實現了對橋涵橋柱燈的遙測遙控。

關鍵詞：ZigBee 遙控遙測 航標監測平臺

1.引言

隨著廣東省水運和航道事業的發展，航道運輸船舶日益增多、船舶噸位越來越大。隨之而來的船舶安全問題也是日漸嚴峻。特別是架設在江河上的橋梁，既要考慮車輛通行，又要考慮船舶通航，給航道管理部門帶來了很大的困難，在夜晚及陰雨天能見度低的情況下，更是降低了船舶通航安全系數，傳統的航標維護方式已不能滿足航道發展的需要，因此，新使用新的技術和手段來開發橋涵橋柱航標遙測終端是相當必要的。ZigBee無線網絡可通過自組網形式把采集的橋涵、橋柱標數據可實時傳輸給中心主機。而橋梁航標所采集傳輸的數據量不大，所需帶寬足夠。因此其低帶寬、低功耗、體積小、安全等特點，非常適合用于橋涵橋柱燈監測使用，從而有效地實現了對橋涵橋柱燈的遙測遙控。

2.由ZigBee技術遙測終端的硬件組成

2.1遙測終端硬件組成

在實際測試中ZigBee無線網絡在300米范圍信好非常穩定，同時可無限擴展，并且可以很容易的建立基于IEEE 802.15.4標準協議上面。本次橋梁上使用的ZigBee模塊型號是CC2530，具有短、中、長距離的無限ZigBee網絡低功耗。模塊工作在2.4GHz的ISM頻段。因此在跨度為300米范圍內的橋梁都采用此方案。

本施工項目中每座橋梁上下游各用1個中心主機和多個測量盒，為便于其穩定性上下游中心機各自獨立與各自所處在一個平面的測量盒組網。橋涵橋柱中心主機適用于各監測點數據接收、處理、分析并通過GPRS/SMS通訊方式將數據上報到服務器上。橋涵橋柱測量盒，用于檢測橋柱上的航標燈在夜晚是否正常發光，并將監測點數據上報到中心主機，其中心主機和測量盒硬件結構圖（如圖一）

2.2遙測終端電源

新型ZigBee無線連接技術的橋涵橋柱中心主機使用4V/100AH的免維護鉛酸蓄電池，為確保中心主機在通訊時需有穩定的3.3V與5.0V工作電壓，在工作電壓部分采用了升、降穩壓轉換電路。（如圖二）。

升壓電源模塊（如圖三）：采用AMC3202升壓芯片，將蓄電池電壓升高到5.6V。

升壓芯片工作電壓范圍在2.7V～30V，通過調整反饋電阻阻值（RB18，RB19）來調節升壓電路的數據電壓。當AMC3202的輸入電壓比輸出電壓高時，此芯片自動停止工作，輸入電壓通過電感，二極管直接連接至輸出。

降壓電源模塊（如圖四）：給GSM模塊供電的LDO降壓電源采用SPX29302T5，其輸出電壓可調，通過反饋電阻R88，R89進行調整其輸出電壓。由于GSM模塊的瞬間發送電流需要2A，但是持續時間不長，在它的電源輸入腳放置470uf鉭電容進行儲能，使其輸入端的電壓不至于跌落太多；放置47pf與20pf陶瓷電容進行高頻退耦，改善其電源的完成性能。

2.3遙測終端功耗及環境

在通過實驗環境測試以及現場監測，在工作電壓為4V采集通訊主機模塊與外設功耗約為30mA，ZigBee模塊功耗約為30MA，GSM模塊部分功耗約為15mA，其綜合平均功耗約為72 mA。工作電壓：3.3V～6V，環境溫度：-20℃～65℃，環境濕度：0～95%RH，無冷凝。

3.現場安裝與調試3.1現場安裝示意圖

廣東省I級航采用ZigBee無線連接技術的橋涵橋柱航標遙測遙控系統，包括：岸基監控模塊、采集通訊主機模塊、多個航標終端、數據采集模塊。岸基監控模塊與采集通訊主機模塊通過無線通信方式連接，通過GPRS/SMS通訊方式將數據上報；主機通過無線ZigBee與從機模塊連接；橋涵橋柱的終端從機模塊之間通過無線對接的方式對航標的工作狀態信息進行采集。從而實現的橋柱橋涵RTU直接監測橋柱橋涵所有燈信息，并遠程傳輸的功能。在跨度介于300米間的橋梁采用了，一主三從的安裝方式（如圖五），單孔雙向通行只需要2張通訊卡就可實現橋涵橋柱航標燈信息采集，從而實現了高效、精準、經濟的遙測遙控監控功能。

3.2不同橋柱燈相關配置

基于各中心主機、測量盒、太陽能板有效充電、航標燈及橋梁所處位置、天氣狀況等綜合因素，經實驗數據分析及現場檢測，廣東省I級航道橋梁太能板、蓄電池配置參數表一：

4.調試結果與結論

目前西江局及東莞局加裝了采用ZigBee無線傳輸技術橋涵橋柱遙測終端，在運行過程中均能正確、穩定、有效監測橋涵橋柱燈燈質異常、蓄電池電壓電流異常、太陽能板充電異常。并能通過GPRS/SMS通訊方式將數據上報，同時在遙測監控系統中可在線實時發送指令對終端進行設置（如圖五），實現了橋涵橋柱燈遠程遙控監測，并且運行穩定。由此可見，采用ZigBee無線連接技術的橋涵橋柱航標遙測遙控系統可以方便的實現橋梁橋柱航標遙測終端功能，其GPRS/SMS雙模通信，可確保數據多途徑、多方式上傳監測系統，同時每座橋梁只需要用2張通訊卡便可實現整座橋梁采集信號上報，降低了后期維護成本，因此ZigBee無線連接技術的橋涵橋柱航標遙測遙控系統可在廣東省內河I級航道全面實施。

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