基于ZigBee的大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)的研制與實現(xiàn)

鄒兵，張學習，謝云，陳文輝

(廣東工業(yè)大學自動化學院，廣東廣州510006)

0 前言

隨著大壩監(jiān)測項目的逐漸增多，應用在大壩監(jiān)控上的傳感器數(shù)量也在不斷加大，對單個傳感器或傳感器組實行獨立的自動化監(jiān)控是不可能的，應該將大壩的監(jiān)控項目全部包括在一個自動化系統(tǒng)之內(nèi)［1］。無線傳感器網(wǎng)絡和各種智能傳感器在工業(yè)控制領域的廣泛運用，使建立無線數(shù)字化水庫大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)成為可能。針對水庫樞紐區(qū)大壩監(jiān)控的需要，文中設計了基于ZigBee的水庫大壩安全監(jiān)控網(wǎng)絡，利用各路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)各監(jiān)測點數(shù)據(jù)到水庫大壩監(jiān)控中心。該方案充分利用了無線傳輸?shù)奶攸c，采用支持ZigBee通信協(xié)議、成本低、功耗低的設備，具有實時性強、布線復雜度低、維護簡單的優(yōu)點。

1 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)設置了一個中央控制單元，從這里對整個監(jiān)測項目進行自動化控制。無線傳感器網(wǎng)絡大壩安全監(jiān)控技術在檢測準確度和監(jiān)控靈活性等方面都具有傳統(tǒng)監(jiān)控手段難以比擬的優(yōu)勢，它不僅可以提供更大的靈活性、流動性，省去花在綜合布線上的費用和精力，而且通過自適應的組網(wǎng)和無線通信技術，使得整個無線傳感器節(jié)點之間通過分布式協(xié)作實現(xiàn)統(tǒng)計采樣、數(shù)據(jù)融合、查詢式監(jiān)控和動態(tài)功能升級等先進的監(jiān)控措施［2-3］。

1.1 ZigBee無線通信模塊的選型

基于性價比的考量，ZigBee無線射頻芯片采用飛思卡爾的MC13224，MC13224具有技術成熟，二次開發(fā)及其簡單等特點。在不使用內(nèi)部功放模塊的基礎上最大可輸出2.5 mW功率，在室外空曠環(huán)境下傳輸距離超過100 m，為確保通訊距離的可靠性，在本設計中引入外部功放芯片RF6575，此芯片是專用于2.4 G頻道功放芯片，輸出功率可達160 mW，無論室內(nèi)和室外使用，終端模塊可靠通訊距離都可以大幅度提高。ZigBee的無線射頻模塊的原理圖如圖1所示。

圖1 ZigBee的無線射頻模塊原理圖

1.2 網(wǎng)關模塊的硬件設計

網(wǎng)關是整個ZigBee無線網(wǎng)絡的核心，負責網(wǎng)絡的維護和數(shù)據(jù)的處理等任務，該節(jié)點包含有ZigBee射頻收發(fā)和GPRS模塊。其硬件由ARM7核Risc結構的LPC2210微處理器、Flash存儲器、網(wǎng)絡接口以及一些數(shù)據(jù)采集卡組成。主要功能包括:實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測信息的實時傳輸;采集現(xiàn)場設備信息并進行處理;響應監(jiān)測端的請求，為監(jiān)測端提供所需信息;接收監(jiān)測端的控制信息，經(jīng)過軟硬件轉(zhuǎn)換對現(xiàn)場設備信息進行控制。網(wǎng)關結構框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)關硬件結構框圖

GPRS通訊模塊選用廣和同公司的G600模塊，該模塊專為M2M應用設計，支持Dual 900/1800或850/1900雙頻。G600模塊外觀小巧，功耗低，GPRS數(shù)據(jù)連接可靠，內(nèi)置的TCP/IP協(xié)議棧。G600模塊符合工業(yè)級要求，采用B2B工業(yè)級連接器，可適應高溫高濕，電磁干擾等惡劣的工作環(huán)境?；贕PRS網(wǎng)絡的移動數(shù)據(jù)通信擴展了Flash程序存儲器和SDRAM，F(xiàn)lash存儲器可存放已調(diào)試好的用戶應用程序、嵌入式操作系統(tǒng)或其他在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等，SDRAM為操作系統(tǒng)和應用程序提供運行空間，并為通信提供接收和發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū);串口通訊模塊用于調(diào)試及與終端設備進行通信;JTAG接口可用于對芯片內(nèi)部的所有部件進行訪問，通過該接口可對系統(tǒng)進行調(diào)試、編程等［4-5］。另外，還有電源、復位等電路。網(wǎng)關模塊的處理核心與終端電路的核心都是ZigBee無線通信模塊。

GPRS鏈路的搭建和維護業(yè)務在ZigBee網(wǎng)關中實現(xiàn)，在ZigBee網(wǎng)關初始化流程中自動完成對G600模塊的上電檢測和初始化動作，保證G600模塊處于正常的待機狀態(tài)，當協(xié)調(diào)器定時上報時間達到時自動將G600模塊切換到GRPS模式，并完成數(shù)據(jù)通信任務。

1.3 無線通信協(xié)議

系統(tǒng)采用主從結構通信模式，監(jiān)測中心的PC機為主機，各網(wǎng)關為從機。系統(tǒng)通信模式的模塊化設計為主機通過Internet網(wǎng)絡和GPRS網(wǎng)絡 (包括手機短信通信)向從機發(fā)送指令。為保證監(jiān)控中心和網(wǎng)關之間的通信，特定義網(wǎng)關和監(jiān)控中心的通信協(xié)議，網(wǎng)關和監(jiān)控中心是以數(shù)據(jù)包是方式進行通信。采用模塊化設計協(xié)議棧，使得整個系統(tǒng)層次清楚、擴展性好，有利于ZigBee技術的二次開發(fā)［6-7］。

Zigbee網(wǎng)關由監(jiān)控中心通信數(shù)據(jù)包組成，數(shù)據(jù)包組成如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)包的組成

其中起始標志表示一個完整數(shù)據(jù)包 (分組)起始的標志;版本為標識協(xié)議的版本;命令標識是指命令類型;應答標識是數(shù)據(jù)應答標識;數(shù)據(jù)單元是數(shù)據(jù)包的有效載荷 (PDU);校驗單元是對協(xié)議中從“版本”到“數(shù)據(jù)單元”的內(nèi)容進行校驗;結束標志表示一個完整數(shù)據(jù)包 (分組)結束的標志。

通信過程:由監(jiān)控中心發(fā)起，網(wǎng)關應答。每次通信網(wǎng)管中心可以查詢網(wǎng)關的一個或多個監(jiān)控對象。查詢命令的通信過程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)通信過程圖

組包要求:監(jiān)控中心在下發(fā)命令時，發(fā)送查詢或設置命令，可以一次查詢一個或多個監(jiān)控對象，也可以設置一個或多個監(jiān)控對象。網(wǎng)管中心發(fā)查詢命令時，要在監(jiān)控對象的“監(jiān)控對象內(nèi)容”部分按協(xié)議中約定的長度填入數(shù)值 (數(shù)值為0x00)，并正確填寫“監(jiān)控對象長度”的值，網(wǎng)關在接收到后并不需要對“監(jiān)控對象內(nèi)容”部分進行處理返回時，用真實內(nèi)容替代這些0x00(若長度未達最大，末尾部分全部填0x00)。網(wǎng)關向監(jiān)控中心返回的數(shù)據(jù)包中，是按照設置好的各監(jiān)控對象的實際值返回的。

2 系統(tǒng)結構設計

我們的目標是要在上述應用背景下研究設計出一種通用的基于ZigBee的無線通信系統(tǒng)，這種ZigBee無線射頻模塊硬件系統(tǒng)如圖2所示。這種設備不但能夠支持最通用的GPRS網(wǎng)絡與TCP/IP通信，還能遠程控制和數(shù)據(jù)采集。也就是使這些設備網(wǎng)絡智能化。當一臺設備具有網(wǎng)絡智能時，人們可以在任何地方、任何時間通過網(wǎng)絡隨時監(jiān)測設備實時的狀態(tài)。系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構圖

系統(tǒng)主要由ZigBee網(wǎng)絡模塊、GPRS網(wǎng)絡模塊、大壩安全監(jiān)控中心三部分組成。

ZigBee網(wǎng)絡模塊由ZigBee終端模塊和網(wǎng)關模塊組成，其中網(wǎng)關是ZigBee網(wǎng)絡的核心。GPRS網(wǎng)絡模塊利用GPRS傳輸技術為系統(tǒng)實現(xiàn)遠程通信。大壩安全監(jiān)控中心由計算機、防火墻和數(shù)據(jù)庫等構成，通過計算機網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)庫技術和軟件平臺實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。在系統(tǒng)運行過程中，網(wǎng)管中心可以對監(jiān)控終端的運行參數(shù)進行設定，并可對采集到的儀表數(shù)據(jù)進行存儲、分析和匯總，便于水庫工作人員對監(jiān)測點的大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)信息進行觀察和分析。由于終端模塊一般距離監(jiān)控中心比較遠，并且處在水庫中，其工作電量也是要考慮的一個問題，所以系統(tǒng)在終端模塊加了太陽能充電裝置，保證其能連續(xù)工作，而且上傳的大壩數(shù)據(jù)信息也將終端模塊的電池電量納入監(jiān)控范圍。

3 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設計

該系統(tǒng)操作軟件在系統(tǒng)實時性、可靠性、效率等方面有著突出特點的專用操作軟件，由于系統(tǒng)信息處理量較大、實時性要求高，操作系統(tǒng)的存儲調(diào)度、進程管理、文件管理等都要求采取高效可行的策略。系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)流程圖

監(jiān)控系統(tǒng)軟件包括2大部分:一是負責與ZigBee網(wǎng)關通訊的底層軟件，用來接收網(wǎng)關上報的水文數(shù)據(jù)以及發(fā)送系統(tǒng)設置命令給網(wǎng)關，其中通訊方式又分為GPRS和短信兩種;二是人機交互的監(jiān)控中心操作界面，支持多任務、多進程，能提供較好的實時性。不論是底層通訊軟件還是上層人機交互界面都是在VC＋＋6.0環(huán)境下開發(fā)，底層通訊軟件在接收到網(wǎng)關上報的數(shù)據(jù)包后，做數(shù)據(jù)協(xié)議解析，對于符合通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到以年-月命名的TXT文件中存檔，并實時更新人機交互界面站點信息表中的水文數(shù)據(jù)及電池電壓數(shù)據(jù)。監(jiān)控系統(tǒng)軟件工作原理圖如圖6所示。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)軟件工作原理圖

在線實時監(jiān)控服務器是整個服務器的核心部分。主要功能是網(wǎng)關模塊實時對監(jiān)測信息的壓縮、編碼，并及時發(fā)送到監(jiān)控中心。網(wǎng)關是整個ZigBee無線網(wǎng)絡的核心。在響應監(jiān)控中心的命令時還要對下發(fā)指令進行解碼，然后將命令發(fā)送到終端模塊。終端模塊控制數(shù)據(jù)的實時采集，將采集的監(jiān)測信息存放在待編碼測控信息緩沖隊列中，在模塊需要發(fā)送數(shù)據(jù)時默認將目的站點編號和需要傳送數(shù)據(jù)組包后發(fā)送到上級模塊。上級模塊在接收該數(shù)據(jù)后提前與目的站點編號進行對比，如果該站點編號與自身站點編號一致，說明自身就是目的地址，處理并應答該數(shù)據(jù)，如果目的站點屬于子站則對子站進行轉(zhuǎn)發(fā)，否則對上級站點進行轉(zhuǎn)發(fā)。

3.1 在線遙控監(jiān)控調(diào)度與傳輸模塊

在線遙控監(jiān)控調(diào)度與傳輸模塊共同協(xié)作，為網(wǎng)關提供所需的測控信息，測控信息經(jīng)傳輸模塊根據(jù)所采取的網(wǎng)絡協(xié)議與網(wǎng)關建立連接，監(jiān)控各個水庫站點的數(shù)據(jù)信息。監(jiān)控信息調(diào)度模塊根據(jù)不同的服務需求采取相應的調(diào)度策略創(chuàng)建下發(fā)的指令流，傳遞給監(jiān)控信息傳輸模塊;監(jiān)控信息傳輸模塊將指令流分組、打包，發(fā)送到網(wǎng)關，并根據(jù)路由器和網(wǎng)關反饋的網(wǎng)絡狀態(tài)信息進行差錯處理和擁塞控制。

在線遙控監(jiān)測調(diào)度模塊要求系統(tǒng)能對所有的站點進行監(jiān)控，并且可以設置系統(tǒng)信息，如設置通訊方式、網(wǎng)管中心SIM卡號、數(shù)據(jù)上報時間間隔等，系統(tǒng)設置如圖7所示。該系統(tǒng)還要求在特殊情況下對具體大壩站點數(shù)據(jù)信息可以采取立即上報的操作，此時要求系統(tǒng)優(yōu)先服務的策略，對特定站點請求數(shù)據(jù)立即上報生成一個站點監(jiān)測信息流并上報到監(jiān)控中心。

圖7 系統(tǒng)設置圖

系統(tǒng)的傳輸模塊分為ZigBee無線網(wǎng)絡模塊、GPRS網(wǎng)絡模塊、Internet網(wǎng)絡模塊以及在特殊情況下的短信通信模塊。ZigBee無線網(wǎng)絡將信息上傳的傳輸方式如下:終端模塊傳感器節(jié)點采集的水文數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關上報給大壩安全監(jiān)控中心，同時大壩安全監(jiān)控中心針對傳感器網(wǎng)絡設置的個性化參數(shù)，如采集周期，上報間隔，立即上報等需要下發(fā)給網(wǎng)關。網(wǎng)關與監(jiān)控中心之間的通信除了上面提到的GRPS傳輸網(wǎng)絡方式之外，還可以通過短信方式實現(xiàn)互聯(lián)。網(wǎng)關搭載的GRPS模塊不僅可以通過撥號上網(wǎng)的方式登錄GPRS移動網(wǎng)絡，同時還可以收發(fā)短信。大壩安全監(jiān)控中心連接著一個工業(yè)級GSM MODEM，在Internet網(wǎng)絡斷路的情況下，可以由該GSM MODEM實現(xiàn)與網(wǎng)關之間短信通信，由此保證網(wǎng)關與大壩安全監(jiān)控中心之間穩(wěn)定的通信線路。

3.2 大壩數(shù)據(jù)信息的實時構造和顯示模塊

當系統(tǒng)要求上傳大壩數(shù)據(jù)信息是，系統(tǒng)會將上傳的數(shù)據(jù)實時分類構造，以便在顯示端能清楚辨別;當系統(tǒng)下發(fā)指令時，系統(tǒng)會根據(jù)顯示端的變化通過轉(zhuǎn)換程序?qū)ο掳l(fā)的指令進行構造以便底層識別。

實時數(shù)據(jù)的構造:實時數(shù)據(jù)主要有數(shù)據(jù)接收表、數(shù)據(jù)檢測表、站點參數(shù)表、報警數(shù)據(jù)表。數(shù)據(jù)接收到之后，系統(tǒng)會把原始數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)接收表，然后數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序會把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實際數(shù)值，并把每個檢測量存入到數(shù)據(jù)檢測表、報警數(shù)據(jù)表內(nèi)，以供數(shù)據(jù)展現(xiàn)使用。當需要對通訊主機和通訊終端進行設置，或者是下發(fā)參數(shù)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序會對要下發(fā)的數(shù)據(jù)進行編碼，然后把編碼的數(shù)據(jù)下發(fā)給監(jiān)控終端。實時數(shù)據(jù)各數(shù)據(jù)表的功能如下:

(1)數(shù)據(jù)接收表:存儲接收到的實時數(shù)據(jù);

(2)數(shù)據(jù)檢測表:檢測上傳的數(shù)據(jù)是否為安全界限內(nèi)的數(shù)據(jù);

(3)站點參數(shù)表:各個站點每個采集量的各種參數(shù);

(4)報警數(shù)據(jù)表:存儲報警的數(shù)據(jù)。

水庫數(shù)據(jù)信息顯示模塊是指在監(jiān)控中心把下發(fā)的指令、系統(tǒng)設置信息 (如圖8所示)和網(wǎng)關上報的大壩水位、終端模塊的電池電量通過顯示器可以隨時查看。ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡的網(wǎng)關模塊不斷地向監(jiān)控中心傳輸終端模塊采集的水位及電池電量等信息。監(jiān)控中心收到這些數(shù)據(jù)后實時地以圖表的方式顯示和更新，這些數(shù)據(jù)可以直接反映當前的水庫水位狀態(tài)以及采集終端的電壓情況，水位是否正常，各終端節(jié)點電池電壓是否充足，如圖9所示。

圖8 系統(tǒng)設置時顯示的數(shù)據(jù)信息圖

圖9 水庫數(shù)據(jù)實時顯示圖

3.3 存儲管理模塊

監(jiān)控中心除了實現(xiàn)站點水位及電池電量數(shù)據(jù)實時圖表顯示以外，還將存儲站點的歷史數(shù)據(jù)。存儲管理模塊的主要功能是將接收到的監(jiān)測端的數(shù)據(jù)信息根據(jù)一定的策略存儲至硬盤的特定區(qū)域，在必要情況下可以查詢存儲至硬盤的水庫歷史數(shù)據(jù)。系統(tǒng)對大壩數(shù)據(jù)的保存有較高要求:

(1)以較高的頻率，存放來自各數(shù)據(jù)采集終端收集的數(shù)據(jù);

(2)可以大容量，長時間的存放;

(3)具有站點個數(shù)顯示的擴展性;

(4)存放各個數(shù)據(jù)采集終端的各種配置。

該系統(tǒng)采用分組存儲策略，即將監(jiān)測信息按照時序關系分割成若干個數(shù)據(jù)單元存儲在文本中，存儲的信息單元包括站點編號、站點水位、站點終端的電池電量以及站點接收數(shù)據(jù)時的具體時間，所有的站點歷史數(shù)據(jù)都將存放在D:根目錄下，以年-月命名的txt文件中，即一個txt文件存放一個月的歷史數(shù)據(jù)。例如2014-5.txt存放的是2014年5月份所有站點(節(jié)點)的歷史數(shù)據(jù)，如圖10所示。

圖10 存儲歷史數(shù)據(jù)圖

txt文件中內(nèi)容包括站點編號、水位高度、電池電壓以及水位高度采樣時間即年、月、日、時、分、秒。

4 結論

針對現(xiàn)有的大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡通信技術的不足，提出了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡遠程監(jiān)控大壩的安全監(jiān)控系統(tǒng)，可以根據(jù)ZigBee的自適應組網(wǎng)，使整個無線傳感器節(jié)點之間通過分布式協(xié)作實現(xiàn)統(tǒng)計采樣、數(shù)據(jù)采集、查詢式監(jiān)控。系統(tǒng)具有安裝方式簡單、工程施工量少、通信可靠性高、投資成本低等優(yōu)點，是把物聯(lián)網(wǎng)技術應用到水利信息系統(tǒng)中的典型案例，值得推廣和借鑒。

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