無線通信ZigBee技術在中小型水庫大壩安全監測中的應用

2019-09-10 19:43:14劉文輝雷四華徐贊

水利水電快報 2019年11期

劉文輝雷四華徐贊

摘要：深入分析了中小型水庫安全監測網絡構建的特點，綜合論證了ZigBee結合GPRS技術作為前端通信在中小型水庫安全監測中的可行性。以江西省中小型水庫為例，結合其數量眾多且對安全監測需求迫切等特點，將ZigBee技術作為前端通信基礎，設計了一套系統組成合理、實用性強的監測系統。應用實踐證明，ZigBee無線通信技術系統架構簡單實用，符合中小型水庫大壩區域內的應用需求，可為全面開展中小型水庫監測及其安全運行提供扎實可靠的技術支撐。

關鍵詞：大壩安全監測;ZigBee技術;無線通信;GPRS;中小型水庫

中圖法分類號：TV698.1 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.015

利用信息化技術建設大壩安全監測自動化系統，完善水庫大壩安全運行管理機制是促進水庫大壩安全運行的總體趨勢，也是解決中小型水庫安全監測的有效手段[1-5]。隨著通信技術的發展，采用無線接入的通信方式對中小型水庫進行信息監測較為有效可行。本文采用支持短距離ZigBee通信技術且功耗、成本低的無線傳感器，與無線數據采集儀之間組成ZigBee無線網絡系統，結合公用無線網絡（GPRS、3G或4G），構建了一套水庫信息動態監測系統，具有實用性強、布線復雜度低、維護簡單的優點，能較好地解決偏遠地區中小型水庫的信息采集不便等問題[6-7]。

1 主要無線通信技術

目前，安全監測系統中采用的無線通信技術主要分為以下幾種[8-10]：

（1）數據電臺。數據電臺數據與語音兼容，大多采用調頻擴頻技術，為單載波調制，可采用單工、半雙工、時分雙工、TDD、全雙工方式，收發同頻或異頻中轉組網。數據電臺建設成本低，但運行維護成本高，易受外界干擾。

（2）衛星通信。衛星通信利用地球衛星作為中繼站轉發或反射無線信號，在兩個或多個地面站之間進行通信，衛星通信的顯著優點有：通信距離遠，不受地理限制;通信容量大，可實時傳輸圖像;不受大氣層干擾，通信可靠。但衛星通信的信道租用成本高，不適合在中小型水庫廣泛應用。

（3）公用移動通信網絡。公用移動通信網絡有GSM、GPRS、3G或4G 等通信技術。GPRS（General Packet Radio Service）是一種基于GSM系統的無線分組交換技術，提供端到端、廣域網絡無線IP連接，在目前監測站點通信中仍占有較重比例。

（4）無線局域網。WLAN屬于短距離無線通信的一種，主要標準為IEEE 802.11系列。其優點是傳輸速率大，可達幾十兆至數百兆;但在無橋接時，其傳輸距離一般在幾十米以內，且隨著距離增加，信號強度急劇下降。設備運行功耗多在數百毫安。

（5）ZigBee技術。ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議，通過大幅簡化協議，降低了對通信控制器的要求。根據國際標準規定，ZigBee技術是一種中短距離、低功耗、低成本、高容量、高安全性（提供了3級安全模式）的無線通信技術，通信距離一般介于10～100 m，在增加發射功率后，亦可增加到1～3 km;響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15 ms，節點連接進入網絡只需30 ms，廣泛適用性于自動控制和遠程控制領域。

（6）其他通信技術。包括藍牙、紅外、射頻識別、超寬帶技術等。其中，藍牙技術通信距離太短，通常在1～10 m;紅外只能點對點傳輸，組網不便;射頻識別組網技術暫不成熟。基于此，以上技術均很少應用于水庫大壩安全監測中。

2 中小型水庫大壩安全監測特點

中小型水庫大壩安全自動化監測系統具備工程安全監測系統的一般特征，同時也具備一些獨有的特點。

（1）大壩分布范圍廣且測點分散，數據通信基礎設施欠缺。大壩監測包括壩體工程主體結構、地基基礎、兩岸邊坡、相關設施及周邊環境等內容，其監測布點范圍廣泛、監測要素眾多;而我國中小型水庫大多數在20世紀60～70年代建設，其數據通信基礎設施欠缺。

（2）監測點無電力供應，低功耗設備成為首選。大壩監測的多數測點分布于壩體、壩前、壩后等室外場地，接入市電常存在繁瑣的布線工作，且有一定安全隱患，而大功率的太陽能、風能、蓄電池等建設成本昂貴，為此，安全監測首選低功耗設備。

（3）數據通信速率低，數據量小。中小型水庫安全監測對實時性要求不高，多為間歇性、周期性數據采集，系統傳輸的數據量相對較小，數據傳輸速率低，應用時需關注通信的穩定性。

（4）控制網絡設備成本，保持運行維護成本較低。中小型水庫數量眾多，若單個水庫安全監測建設、運行維護成本較高，將大幅度提高總投資及運行維護費用。為此，對各安全監測需嚴格控制成本，同時考慮低運行維護費。

通過對中小型水庫安全監測特點的分析可知，在構建安全監測網絡時，采用無線通信方式要明顯優于有線電纜傳輸。無線監測網絡系統，是構建中小型水庫安全監測系統的首選網絡環境[11]。針對大壩安全監測系統測點多，低功耗、低速率、低成本要求等特點，如果每個測點都配接一個通訊設備（RTU）并配置一張通訊卡，系統建設成本勢必明顯上升。在眾多無線通信方式中，ZigBee通信技術具有明顯優勢。中小型水庫的壩區范圍不大，利用該技術以每套無線數據采集儀為中心構成若干個無線通訊系統，各個系統的信號區域互相疊加，相鄰的兩套數據采集儀互為備份，可實現水庫大壩區域內眾多測點和無線數據采集儀無線實時數據傳輸。將采集各個測點的實時數據，再通過無線數據采集儀內置的4G模塊，利用GPRS、3G或4G公網信號，將大壩監測數據傳輸至監控調度中心，成為前端通信與遠程傳輸的可靠搭配。這種架構，距離較近的傳感器可以共用RS485傳輸線就近接入ZigBee模塊，從而大量節省終端設備以及相應的通訊費、太陽能供電系統，并可減少相應的立桿以及建設費用，加快施工周期，達到大幅降低整個系統建設費用和施工周期的良好效果。

3 ZigBee技術在大壩安全監測中的應用

3.1 設計背景

江西省現有1萬余座水庫，中小型水庫占絕大部分，且多數位于偏遠的山林地區，具有“點多、面廣”的特點，各水庫在防洪、灌溉、發電、供水、航運和水產養殖等方面發揮了巨大作用，取得了顯著的社會和經濟效益。為加強水庫大壩安全管理，近10余年來，病險水庫除險加固取得了顯著的成績，絕大部分的大中型水庫和重要小型水庫安全狀況得以改觀。但目前大壩安全監測還尚未滿足“規范、準確、及時”的要求，對于地理位置偏遠，交通、供電、通訊等條件相對較差的小型水庫，所在地水庫管理局（或者鄉鎮）的水庫管理人員無法實時觀測到水庫出現的險情，存在較大安全隱患。開展大壩安全現場自動監測（獲得實時數據）、遠程傳輸控制已成為水庫安全管理建設重要內容。

3.2 系統整體結構

前端傳感器采用內置ZigBee模塊無線傳感器，通訊設備采用內置有ZigBee無線通訊模塊和4G通訊模塊的無線數據采集儀。由于這些設備需在野外工作，根據系統具體情況，配置太陽能電池板及鉛酸蓄電池作為后備電源。系統整體結構如圖1所示。

3.3 系統組成

水庫大壩自動監測系統主要由現場監測設備、遠程傳輸設備、通信平臺和監測中心等4個部分組成[12-13]。

（1）現場監測設備。包括形變儀、水位計、雨量計、工業照相機以及傳感器等負責計量和采集大壩變形、水庫水位、降雨量等信息，并對水庫現場進行拍照或錄像（圖片和錄像信息通過RS485通訊線路就近直接接入無線采集儀）。傳感器上電后內置的ZigBee模塊立即搜尋并接入附近的多路數據采集儀的ZigBee網絡，從而實現雙向通訊。

（2）無線數據采集儀。即水庫監測終端，內置ZigBee無線傳輸模塊和4G通訊模塊，負責采集現場無線傳感器。通過ZigBee協議發送的實時數據和圖片信息，再通過內置的4G通訊模塊利用公用移動網絡將現場信息傳送給監測中心[14]。無線數據采集儀上電后自動組網，無需人員干預;增加或刪除監測點不影響其他監測點的正常工作。監控現場附近的兩臺無線數據采集儀可互為備份，同時接收并上傳數據。

（3）通信平臺。包括公用移動網絡（GPRS、3G或4G）和Internet網絡。經公用移動網絡，各水庫的水位、降雨量數據和現場圖片傳輸到Internet公網，并通過固定IP地址傳送給監測中心服務器。

（4）監測中心。包括交換機、服務器、UPS 電源等硬件設備和操作系統、數據庫、水庫監測系統等軟件組成。

3.4 ZigBee通信及節電設計

系統中現場監測設備配置終端機作為ZigBee網絡中的網絡協調器，按照設定的工作時間為傳感器間歇性供電，傳感器上電后加入ZigBee網絡并將數據發送給數據終端機，如果數據發送失敗，可按照設置地址發送給備用數據終端機，這樣大大改善了整個系統的數據傳輸可靠性。

結合傳感器間歇式上電工作特點，遠程數據終端機的PANID應保持不變，便于上電后能迅速加入網絡。將遠程數據終端機PANID設置為固定值，并配置編譯選項，能保存傳感器運行過程中的狀態量，在掉電或復位后，傳感器可恢復之前的連接狀態。

另外，為實現節電目的，遠程數據終端機和傳感器在空閑時都進入休眠狀態，同時可預設休眠時間，由休眠定時器控制休眠狀態。

3.5 軟件系統功能

軟件系統采用 B/S 結構設計，用戶可通過局域網或廣域網進行遠程訪問。現場監測系統對所監測水庫實現全天候遠程自動監測，可完整記錄各水庫數據的動態變化過程。在大壩現場自動監測、遠程傳輸控制基礎上，軟件系統包括實時多源信息查詢服務、監測預警服務、多媒體數據存儲管理服務等子系統。

在監測預警服務中，軟件系統實時跟蹤監測信息，在水位預警方面，汛期高于汛限水位或非汛期低于死水位時，系統可通過彈出提示框、發出報警音、向相關責任人發送報警短信等多種形式報警，并自動拍攝現場照片傳送給監測中心。各子系統功能豐富、有機協調、操作便利，可較好地滿足業務管理需求。

3.6 測站建設

目前，江西省共有15座中小型水庫監測采用ZigBee無線數據傳輸技術。本文以撫州、新余兩市為例，具體說明ZigBee技術的應用情況。撫州市共有9座水庫采用了該技術，主要應用為雨量、水情信息監測采集，部分測站包括圖像采集。新余市共有6座水庫采用了該技術，包括雨量、水情及圖像等信息采集內容。撫州、新余兩市水庫ZigBee技術應用情況如表1所示。

按照各采集要素頻次要求，雨情、水情每日應有平安報及增量自報，圖像為1 h一報，變形監測應有每日平安報及定時自報。經過對近2 a的數據采集情況統計分析，撫州市、新余市各雨情、水情數據到報及時率均達到90%以上，個別測站在檢修維護過程中存在影響數據到報及時率，少數站點存在故障，對數據到報及時率影響較大。ZigBee技術模塊運行較為穩定，暫無故障。

4 結語

水庫大壩各監測點的無線傳感器通過ZigBee無線數據傳輸與系統的無線數據采集儀實現無線雙向通信。壩體上各無線數據采集儀的距離相隔很近，ZigBee通訊對距離的要求很低，從而可以有效規避惡劣天氣、無線電電磁干擾對系統通訊的影響，相鄰的無線數據采集儀因為通訊范圍重疊區域很大可以互為備份，再通過公用移動網絡傳輸模塊發送至省、市、縣等監控平臺并接收各級平臺下發的命令。

實踐證明，ZigBee無線通信技系統架構簡單實用，無需在壩體上鋪設供電和通信纜線或建設大量的立桿，其特點與中小型水庫大壩區域內的應用需求較為契合，同時還可節省大量設備費用，加快建設周期。

參考文獻：

[1] 劉蘇忠，趙廣超. ?大壩安全監控研究綜述[J]. ?中國水運（下半月）， 2009，9（11）：147-148.

[2] 顧沖時. ?大壩與壩基安全監控理論和方法及其應用[M]. ?南京：河海大學出版社， 2006.

[3] 吳中如. ?水工建筑物安全監控理論及其應用[M]. ?北京：高等教育出版社， 2003.

[4] 肖雨. ?萬安大壩安全監控管理信息系統應用[J]. ?電子技術與軟件工程， 2014（14）：199.

[5] 吳懷明. ?水庫大壩安全監控系統的研究[D]. ?哈爾濱：哈爾濱理工大學， 2012.

[6] 董甲彬，王金鑫，李玲，等. ?GPRS技術在水庫水質監測系統中的應用研究[J]. ?信息技術， 2007，31（7）：122-124.

[7] 鄭立安. ?基于ZigBee技術的尾礦壩體安全監測預警系統研究與設計[D]. ?太原：太原理工大學， 2014.

[8] 鐘章隊. ?GPRS通用分組無線業務[M]. ?北京：人民郵電出版社， 2001： 95-97.

[9] 王鈞銘. ?通信技術[M]. ?北京：北京電子科技大學出版社， 1995.

[10] 孫暉，張冶沁，劉俊延. ?信號分析與處理——虛擬儀器實驗教程[M]. ?北京：清華大學出版社， 2013.