基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究

李艷華，岐世峰

（1.黃河科技學(xué)院信息工程學(xué)院，鄭州 450000；2.攀枝花學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機學(xué)院，攀枝花 617000）

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究

李艷華1，岐世峰2

（1.黃河科技學(xué)院信息工程學(xué)院，鄭州 450000；2.攀枝花學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機學(xué)院，攀枝花 617000）

利用各種傳感器取得水位、滲流、滲壓及大壩變形數(shù)據(jù)，然后通過路由及網(wǎng)關(guān)節(jié)點傳到上位機，對信息進行分析處理，判斷大壩的安全情況，并幫助工作人員作出正確大壩安全防護措施。此系統(tǒng)具有低功耗、能實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的無線傳輸?shù)忍攸c，適于大范圍推廣，這對我國大壩安全監(jiān)測工作有著重大意義。

大壩安全監(jiān)測；水位傳感器；無線傳輸

0 引言

我國地域廣闊，河流眾多，現(xiàn)有數(shù)以萬計的河堤大壩，保護著人民的人身安全及財產(chǎn)安全。按照我國相關(guān)的技術(shù)規(guī)范及設(shè)計規(guī)范的要求，河堤、水庫大壩均需要進行安全監(jiān)測。我國大部分水庫大壩由于各種原因都還處于人工監(jiān)測狀態(tài)；目前安裝了的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)則技術(shù)相對比較落后，大多都是有線分布式系統(tǒng)，但由于我國地貌比較復(fù)雜，監(jiān)測點所處的地理位置比較分散，使得監(jiān)測系統(tǒng)存在著干擾多、易損壞、造價高、安裝及維護困難等諸多缺點；而一部分水庫大壩也安裝了無線系統(tǒng)，但也存在因為技術(shù)所限導(dǎo)致的系統(tǒng)功耗太高或者采集數(shù)據(jù)不準確等缺點[1]。

本文所研究的監(jiān)測系統(tǒng)采用全無線的方式構(gòu)造，每一個節(jié)點均采用電池供電，顯著的降低了系統(tǒng)的安裝復(fù)雜度，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的低功耗工作模式，使得節(jié)點的平均電池更換周期為5年，后期的維護工作量也大為減少。系統(tǒng)現(xiàn)場安裝使用幾年來，運行正常，經(jīng)過測量，符合設(shè)計標準。

1 系統(tǒng)總體方案

由于水庫的大壩通常長達至千米，假設(shè)沿大壩方向平均分布4列測壓管，每列有3個采樣點，每個采樣點有3種處于不同深度的測壓管，所以總計有36個測壓管。所以根據(jù)其分布狀況，同時考慮系統(tǒng)的擴展性，則系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，整個網(wǎng)絡(luò)分為兩層，即由所有簇頭節(jié)點所組成的網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)采集傳感器與簇頭節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)[2,9]。每個簇頭節(jié)點相當于一個路由器，在網(wǎng)絡(luò)中分布密度較低，傳輸距離較遠，分布呈鏈狀，構(gòu)成了樹狀網(wǎng)。而傳感器節(jié)點則根據(jù)地理位置選擇不同的簇頭節(jié)點進行短距離傳輸，呈星型環(huán)繞于簇頭節(jié)點的周圍，構(gòu)成了星型網(wǎng)。這種樹狀網(wǎng)和星型網(wǎng)相結(jié)合的連接方式有效地擴展了網(wǎng)絡(luò)的傳輸范圍及增強了無線傳輸信號的強度[3]。當監(jiān)測區(qū)域較小，節(jié)點的通信半徑能完全覆蓋時，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)則可以簡化為兩級的星型網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的管理節(jié)點主要負責通過GPRS或Internet信號將無線傳感器網(wǎng)內(nèi)傳輸過來的數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換傳輸給上位機，或?qū)⑸衔粰C發(fā)布的采集任務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)給無線傳感器網(wǎng)內(nèi)，起到網(wǎng)關(guān)的作用[2]。

在系統(tǒng)中，設(shè)計有兩種網(wǎng)關(guān)，分別是傳感器網(wǎng)到USB轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)和傳感器網(wǎng)到GPRS網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)，分別適用于近距離和超遠程距離的數(shù)據(jù)傳輸。

簇頭節(jié)點的作用有兩個：管理簇內(nèi)傳感器節(jié)點和對主干網(wǎng)的數(shù)據(jù)進行路由轉(zhuǎn)發(fā)。對簇內(nèi)傳感器節(jié)點的管理主要包括節(jié)點時鐘同步、發(fā)布采集命令、接收采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)融合等工作。

每個傳感器節(jié)點連接一個測壓水位傳感器，負責采集水位信息[4]。

由于系統(tǒng)在安裝完后一般不會有太大的變化，各個節(jié)點的位置相對固定，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本保持不變，依據(jù)這一特性，設(shè)計相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在大幅提高傳輸效率的同時，還具有一定的擴展性。

2 系統(tǒng)節(jié)點設(shè)計

根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點及大壩監(jiān)測系統(tǒng)的一些特殊要求，做到節(jié)點設(shè)計盡量符合以下指標：超低功耗、防潮性能好、低成本、安全可靠、通信能力強、計算能力強等。

2.1 水位傳感器電路設(shè)計

為了避免模擬信號在遠距離傳輸時引入的干擾，采用前端數(shù)字化方式設(shè)計水位傳感器電路，具體電路框圖如圖2所示。

圖中的主控MCU采用的是Microchip公司PIC16系列的單片機16F690芯片，內(nèi)部集成10位AD轉(zhuǎn)換器和I2C總線控制器；而高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片則采用了ADS1110芯片，ADS1110是AD公司推出的單路差分信號16位AD轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部集成振蕩器、內(nèi)部基準源和可編程增益放大器，只需簡單連接就能采集差分信號；電源激勵模塊則采用了芯片TC1240和TLV2211組成，二者組成恒流源給傳感器供電；電路中另外加入了一個熱敏電阻，接到單片機AD輸入端用于采集溫度信息，對傳感器的測量結(jié)果進行溫度補償，以免傳感器在工作時受溫度影響導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不準確的現(xiàn)象發(fā)生，提高測量精度[5]。

圖2 水位傳感器電路框圖

電路中的壓力傳感器則采用的是差壓式橋式壓力傳感器[6，8]。

2.2 簇頭節(jié)點設(shè)計

簇頭節(jié)點的信號框圖如圖3所示。

圖3 簇頭節(jié)點的信號框圖

圖中的主控MCU采用的是Silicon Labs公司的低功耗、可靠性高的Si1000芯片，它的內(nèi)部集成了單片機和無線射頻收發(fā)模塊，它即可以分析處理和存儲數(shù)據(jù)，又可以連接RF射頻天線實現(xiàn)與管理節(jié)點的無線射頻通信。

射頻電子開關(guān)采用的是UPG2214芯片，UPG2214是一個天線開關(guān)，它的的兩個引腳分別連接接收回路、發(fā)射回路。UPG2214還有兩個輸入控制邏輯，連接主控MCU芯片Si1000的兩個GPIO管腳。Si1000的GPIO管腳輸出不同的電平給UPG2214的兩個控制邏輯，進而控制連接在UPG2214上的一個RF射頻天線完成不同方向的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，從而節(jié)省傳感器節(jié)點的體積。

射頻信號接收電路跨接Si1000的兩個差分輸入端RXP和RXN。在兩個引腳間輸入一個相位差為的差分信號。接收回路可以給Si1000提供一個相位差近似為180度的信號。

在Si1000的射頻供電部分，利用濾波電容，降低電源的紋波。

另外，電路中利用30MHz晶振用于給射頻部分提供基準頻率，利用32.768KHz晶振用于給芯片內(nèi)的RTC（實時時鐘）提供基準頻率。

2.3 管理節(jié)點電路設(shè)計

本系統(tǒng)中的管理節(jié)點是一個GPRS網(wǎng)關(guān)電路，它是在簇頭電路的基礎(chǔ)上增加了一個GPRS模塊SIM900A，Si1000與模塊間通過UART標準接口進行通信，如圖4所示。

圖4 GPRS電路框圖

管理節(jié)點與計算機之間采用USB接口進行數(shù)據(jù)傳輸和電能供應(yīng)。而Si1000只支持UART通信，因此設(shè)計中采用了微芯公司的PIC18F14K50作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中介。經(jīng)過PIC18F14K50的協(xié)議轉(zhuǎn)換，形成了UART串口與Si1000連接。14K50可以由USB直接供電工作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件主要用于控制和管理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)利用各個傳感器去采集水庫大壩的滲流、滲壓、水位、溫度等數(shù)據(jù)信息。然后通過無線信號將這些實時數(shù)據(jù)傳輸給計算機，管理軟件將數(shù)據(jù)分析處理以后以圖表的形式顯示出來，以方便水庫管理人員隨時了解水庫大壩的安全信息。并且當水庫大壩有安全威脅時，傳感器采集到的數(shù)據(jù)會超出計算機上提前設(shè)置的預(yù)警值，那么通過分析處理后由管理軟件自動發(fā)出警報，以便水庫管理人員及時采取措施排除安全隱患[7,10]。系統(tǒng)的控制流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié)語

在大壩安全監(jiān)測方面，傳感器技術(shù)的應(yīng)用愈來愈多。本文所設(shè)計的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，具有安裝及后期維護簡單、成本低廉、測量精度高、性能穩(wěn)定，功耗較低等特點，適于大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。通過長時間的使用，使得水庫的工作人員能夠很好地完成對整個水庫大壩安全的自動監(jiān)控及管理，大大提高了工作效率，具有較好的市場推廣性和應(yīng)用性。

[1]繆新穎.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].大連理工大學(xué)，2014.

[2]吳學(xué)文，彭光路，查理敏.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2008(6)：52-56.

[3]劉鐵流.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能糧倉監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].金陵科技學(xué)院學(xué)報，2010(4)：12-17.

[4]黃梨華，張紓松.煤礦分布式突水監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].釀酒科技，2011(11)：70-71.

[5]郭懷天.基于電阻應(yīng)變式稱重傳感器的電子天平的研制[D].吉林大學(xué)，2007.

[6]周丹.無線傳感網(wǎng)絡(luò)在大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用研究[D].武漢理工大學(xué)，2008.

[7]李國斌，常春波.基于無線傳感網(wǎng)的水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)[J].中國防汛抗旱，2014(1)：84-85.

[8]郭懷天.基于電阻應(yīng)變式稱重傳感器的電子天平的研制[D].吉林大學(xué)，2007.

[9]楊瑩,周曉旭,郭曉澎,等.基于WiFi的分布式無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù)，2016,39(11)：122-125.

[10]周干武,酈能惠,何寧.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的土石壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)研究[J].巖土工程學(xué)報，2014(12)：2330-2334.

Research on Dam Safety Monitoring System Based on Wireless Sensor Network

LI Yan-hua1，QI Shi-feng2
（1.College of Information Engineering,Huanghe S&T College Zhengzhou 450000；2.School of Mathematics and Computer Science,Panzhihua University,Panzhihua 617000）

Obtains the water level,seepage,seepage pressure and dam deformation data by using various sensors,then which is transmitted to the host computer using routing and gateway nodes,after analyzing and dealing with the information,judge the safety condition of the dam,and help the staff to make the correct dam safety protection measures.This system has the characteristics of low power,wireless transmission of monitoring data and so on.It is suitable for large-scale promotion,and it has great significance on the China's dam safety monitoring.

Dam Safety Monitoring;Water Level Sensor;Wireless Transmission

鄭州市科技局項目基金資助（No.zzlg201608）

1007-1423（2017）31-0071-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.31.018

李艷華（1980-），女，河南扶溝人，碩士，講師，研究方向為無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信、嵌入式系統(tǒng)，Email：liyanhua5566@163.com

岐世峰（1964-），男，山西臨猗人，學(xué)士，教授，研究方向為無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信、人工智能

2017-09-05 < class="emphasis_bold">修稿日期：2

2017-10-21