大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)主要無線組網(wǎng)策略

陸 緯 ，劉 波 ，陳欣剛 ，李家群

（1. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2. 水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；3. 遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧 本溪 117100；4. 水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心，江蘇 南京 210012）

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)主要無線組網(wǎng)策略

陸 緯1,2，劉 波3，陳欣剛4，李家群1,2

（1. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2. 水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；3. 遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧 本溪 117100；4. 水利部水文儀器及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心，江蘇 南京 210012）

分析目前大壩安全監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)采集裝置主流的無線組網(wǎng)策略，在功耗、組網(wǎng)難度、費(fèi)用、通信距離等應(yīng)用需求方面分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合長期工程經(jīng)驗(yàn)羅列每種通信方式實(shí)際使用中的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、特點(diǎn)和注意事項(xiàng)，指出短距局域組網(wǎng)與廣域無線組網(wǎng)的靈活組合應(yīng)用對于減小土建工作量，提高系統(tǒng)防雷能力，實(shí)現(xiàn)更長時(shí)間的無人值守，增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸可靠性有著很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。隨著 LoRa 及 NB-IoT 等技術(shù)的不斷成熟及投入使用，大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用無線組網(wǎng)具有良好的應(yīng)用前景。

無線組網(wǎng)；大壩監(jiān)測；安全監(jiān)測；測控裝置

0 引言

大壩安全監(jiān)測是對大壩施工過程和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視的一種必要手段。目前，大壩監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)絕大部分是分布式架構(gòu)，利用傳統(tǒng)的傳感器作為數(shù)據(jù)采集裝置，傳感器的監(jiān)控及與上位機(jī)的通信由測控裝置（MCU）完成，MCU 再通過有線數(shù)據(jù)總線或無線網(wǎng)絡(luò)將采集的傳感器數(shù)據(jù)傳送至中心控制計(jì)算機(jī)[1]。通常大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集和傳輸具有以下特點(diǎn)：總體數(shù)據(jù)量不大，常規(guī)（1～2）次/d的采集頻率，1 條報(bào)文一般在 500 字節(jié)以內(nèi)；具備雙向通信條件，底層測控裝置按時(shí)測量并上報(bào)數(shù)據(jù)至中心計(jì)算機(jī)，同時(shí)中心計(jì)算機(jī)可隨時(shí)控制測控裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

由于水庫大壩等水利設(shè)施多在遠(yuǎn)離城市的偏僻地區(qū)，過去大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)多采用有線通信方式，常用的為短距離的雙絞屏蔽 RS-485 總線及長距離的標(biāo)準(zhǔn) RS-232/485 結(jié)合光纖的通信方式。采用有線通信方式時(shí)涉及的最大問題是相關(guān)電纜及光纜的鋪設(shè)，這些土建工作費(fèi)時(shí)、費(fèi)工、費(fèi)力，有的需要在大壩上專門開槽，影響壩體結(jié)構(gòu)和美觀；有的通信總線與動(dòng)力電纜共用電纜溝，會對通信造成電磁干擾；有的走線過長，線上有電流時(shí)會遭到雷電襲擊；有的串聯(lián)系統(tǒng)相對脆弱，其中一點(diǎn)損壞會影響整個(gè)系統(tǒng)的其他節(jié)點(diǎn)通信。由于對外通信是系統(tǒng)最易遭受損害的環(huán)節(jié)，因此需采用多種保護(hù)措施[2]。在實(shí)際工程中要做好測量及通信系統(tǒng)的接地、屏蔽等防電磁干擾措施，同時(shí)做好相關(guān)保護(hù)防止物理線路被人為損壞。

隨著全國范圍內(nèi)移動(dòng)公網(wǎng) 2G/3G/4G 信號覆蓋范圍的不斷擴(kuò)大，以及短距離局域無線射頻通信技術(shù)的發(fā)展，尤其是基于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的進(jìn)步，無線組網(wǎng)技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域。

1 局域無線組網(wǎng)方法

1.1 超短波組網(wǎng)

一般把 30～1 000 MHz 頻段稱為超短波頻段。大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域一般較多采用 220～240 MHz 的免費(fèi)頻段進(jìn)行一對一通信，超短波電臺先期在水雨情測報(bào)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，后推廣到大壩及巖土監(jiān)測行業(yè)。運(yùn)用電臺組網(wǎng)相關(guān)架構(gòu)示意圖如圖 1 所示，在實(shí)際大壩監(jiān)測應(yīng)用中的特點(diǎn)和注意事項(xiàng)如下：

1）適用于中心機(jī)房與測站處的直線距離在1 200 m 之內(nèi)，測控裝置發(fā)送端與機(jī)房接收端兩點(diǎn)之間通視無障礙物遮擋，機(jī)房接收電臺的天線宜置于房頂或面向測站的窗外，不宜置于室內(nèi)。為延伸通信距離或繞開障礙物，可設(shè)立中繼站。

2）超短波電臺功耗較大，沒有數(shù)據(jù)發(fā)送待機(jī)狀態(tài)時(shí)電流約為 50～60 mA，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)瞬間電流可達(dá)幾百毫安，但時(shí)間較短。局域網(wǎng)內(nèi)的每個(gè)電臺包括中繼臺的功耗及供電方式在方案確立之初都應(yīng)給予詳細(xì)考慮。建議各站點(diǎn)配備 12 V/100 A?h 容量的鉛酸蓄電池，以及不低于 12 V/30 W 的太陽能電板或相應(yīng)功率的不間斷供電。

3）當(dāng)現(xiàn)地測控裝置的報(bào)文較長時(shí)，通信波特率設(shè)置不宜過高，多個(gè)測控裝置通過多個(gè)電臺同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，機(jī)房中心接收電臺處易發(fā)生數(shù)據(jù)堵塞現(xiàn)象，建議接收數(shù)據(jù)采用握手方式。

4）現(xiàn)場組網(wǎng)的每個(gè)電臺的通信頻段必須一致，設(shè)置好后不能遠(yuǎn)程修改。周邊有其他監(jiān)測項(xiàng)目（如水情）使用同頻段的電臺上報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)，會干擾大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收，需要采用數(shù)據(jù)接收軟件進(jìn)行濾除。

5）超短波電臺通信網(wǎng)絡(luò)先期投入較大，后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較少，只要供電措施得當(dāng)，基本可穩(wěn)定運(yùn)行 3 a 以上。1 對電臺價(jià)格約為 5 000～7 000 元，另大容量電池及供電系統(tǒng)的投入也是一筆固定開支。

圖 1 大壩監(jiān)測電臺組網(wǎng)相關(guān)架構(gòu)示意圖

1.2 ZigBee 組網(wǎng)

ZigBee 技術(shù)采用主流 2.4 GHz 公用頻段，是一種應(yīng)用于短距離范圍內(nèi)、低傳輸數(shù)據(jù)速率下的各種電子設(shè)備之間的無線通信技術(shù)[3]，近年來在一些小型水庫大壩的安全監(jiān)測及灌區(qū)的噴淋灌溉節(jié)水控制上應(yīng)用了該技術(shù)。大壩監(jiān)測中 ZigBee 組網(wǎng)架構(gòu)示意圖如圖 2 所示，其數(shù)傳模塊類似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的基站，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各模塊之間可相互通信接力，使通信距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的 75 m 擴(kuò)展至幾百、幾千米。

ZigBee 模塊在實(shí)際大壩監(jiān)測項(xiàng)目中組網(wǎng)有以下特點(diǎn)和注意事項(xiàng)：

1）ZigBee 的點(diǎn)對點(diǎn)通信距離通常在 100 m 之內(nèi)，雖然從技術(shù)角度可以通過不斷增加路由的方法進(jìn)行通信距離上的擴(kuò)展，但更多的路由節(jié)點(diǎn)會帶來更多的維護(hù)工作量和出錯(cuò)幾率，同時(shí)只要距離測控裝置終端處最近的路由損壞，而其他路由都在通信距離之外，則測控裝置處的終端將無法接入 ZigBee網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)無法傳遞至上位機(jī)協(xié)調(diào)器處。在大壩監(jiān)測項(xiàng)目中，若測站與中心機(jī)房距離超過1 km，且中途沒有合適地點(diǎn)設(shè)置中繼路由器的情況下，不建議采用 ZigBee 技術(shù)，如需使用，建議在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)加入若干冗余路由，加強(qiáng)無線網(wǎng)絡(luò)的健壯性。

2）ZigBee 網(wǎng)絡(luò)采取碰撞避免策略，每個(gè)測控裝置處的 ZigBee 終端，需要在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)向機(jī)房的協(xié)調(diào)器發(fā)送請求，請求被允許后才能發(fā)送數(shù)據(jù)。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他所有終端均得到相關(guān)協(xié)調(diào)器正忙的通知，保持靜默，直到需要發(fā)數(shù)的終端發(fā)送完成，并且中央?yún)f(xié)調(diào)器確認(rèn)接收數(shù)據(jù)成功，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)才解除忙碌狀態(tài)恢復(fù)正常。只有 ZigBee 協(xié)調(diào)器或路由器有權(quán)允許新終端加入網(wǎng)絡(luò)[4]。

3）ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)穿墻性能弱，近距離一般只能穿透一面墻。障礙物厚度、內(nèi)部鋼筋造成的屏蔽性等因素均嚴(yán)重影響通信距離，在窗口及建筑物內(nèi)轉(zhuǎn)角處建議增加路由器的布置，盡量排除相關(guān)網(wǎng)絡(luò)信號死點(diǎn)。

4）目前有些國內(nèi)廠商通過加大 ZigBee 發(fā)射功率，研制出點(diǎn)對點(diǎn)之間最大視距通信距離達(dá)到 1 km以上的 ZigBee 數(shù)傳模塊，具體在大壩監(jiān)測現(xiàn)場應(yīng)用的實(shí)際情況如何還有待觀察，如果穩(wěn)定性和通信距離可以達(dá)到相關(guān)性能指標(biāo)，應(yīng)用前景會更加廣闊。

5）大壩監(jiān)測雙向通訊要求限制了在供電緊張或困難的情況下應(yīng)用 ZigBee。大壩監(jiān)測項(xiàng)目使用中，位于中心計(jì)算機(jī)房與電腦相連的 ZigBee 協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡(luò)核心一般是不斷電不睡眠的，為此需要配備小功率不間斷電源。底層測控裝置處的 ZigBee 終端一般由測控模塊控制上電或引腳喚醒，為保證嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性，終端無數(shù)據(jù)發(fā)送需求時(shí)也需保持工作模式不小于 30 mA 的電流，不能睡眠和掉電，需要消耗電能，在野外沒有穩(wěn)定供電的地方是很大的功耗開支。同樣，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的 ZigBee 路由器也需要常上電。一旦路由器和終端進(jìn)入睡眠，中心機(jī)房的 ZigBee 協(xié)調(diào)器無法通過網(wǎng)絡(luò)將其喚醒，所以對于野外供電困難的大壩監(jiān)測項(xiàng)目，不建議使用 ZigBee 無線組網(wǎng)。

圖 2 大壩監(jiān)測 ZigBee 組網(wǎng)架構(gòu)示意圖

6）ZigBee 數(shù)傳模塊價(jià)格較低，一般 1 個(gè)模塊價(jià)格在 100～500 元內(nèi)。

1.3 LoRa 組網(wǎng)

LoRa 是一種新型的基于 1 GHz 以下的超長距、低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，核心芯片的接收靈敏度達(dá)到-157 dBm，極大提高了微小信號的感知成功率，確保了網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性。LoRa 主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行（即非授權(quán)頻段），包括 433/868/915 MHz 等。局域 LoRa 網(wǎng)絡(luò)主要由終端、網(wǎng)關(guān)或集中器組成，應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。

LoRa 技術(shù)的引入，提供了一種簡單的能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長壽命、大容量、低成本的通訊組網(wǎng)方案。LoRa 模塊為用戶提供小巧、低成本的嵌入式數(shù)傳平臺，只需通過串口就可以實(shí)現(xiàn)無線應(yīng)用。大壩監(jiān)測中 LoRa 無線組網(wǎng)架構(gòu)示意圖如圖 3 所示。LoRa模塊組網(wǎng)在實(shí)際大壩監(jiān)測應(yīng)用中的特點(diǎn)和注意事項(xiàng)如下：

1）通信距離大。LoRa 技術(shù)大大改善了接收的靈敏度，使點(diǎn)到點(diǎn)通信距離達(dá)到 15 km（與環(huán)境有關(guān)）。在城市環(huán)境可以覆蓋 2 km 左右，而在密度較低的郊區(qū)，覆蓋范圍可達(dá)到 10 km，一般可以滿足水庫大壩監(jiān)測范圍的需要，直接實(shí)現(xiàn)測控裝置到中心機(jī)房集中器之間的點(diǎn)到點(diǎn)通信，穩(wěn)定性和可靠性大大提升。

2）功耗較低。LoRa 數(shù)傳模塊接收電流僅 10 mA左右，睡眠電流約 500 nA，大大延長了電池的使用壽命。LoRa 網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用于大壩監(jiān)測行業(yè)的關(guān)鍵優(yōu)勢在于：LoRa 終端進(jìn)入睡眠后可被遠(yuǎn)程空中喚醒，這樣測控終端處的終端功耗可以得到控制。既滿足低功耗的應(yīng)用要求，又滿足實(shí)時(shí)雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

圖 3 大壩監(jiān)測 LoRa 無線組網(wǎng)架構(gòu)示意圖

3）具備遠(yuǎn)程喚醒功能。在無線通信設(shè)計(jì)中，一方面，為了節(jié)能，要求節(jié)點(diǎn)盡可能長時(shí)間地休眠；另一方面，為了快速通信，要求集中器或網(wǎng)關(guān)盡可能快地喚醒節(jié)點(diǎn)。為緩解該矛盾，LoRa 網(wǎng)絡(luò)終端的空中喚醒策略設(shè)計(jì)了喚醒窗口，即 LoRa 終端間歇性地睡醒并處于接收狀態(tài)，查看是否收到 LoRa 集中器或網(wǎng)關(guān)發(fā)送來的上線指令，如果收到，則保持工作狀態(tài)等待接收進(jìn)一步的指令，如果收不到，則繼續(xù)睡眠。實(shí)現(xiàn)此工作方式的難點(diǎn)在于 LoRa 集中器/網(wǎng)關(guān)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀到達(dá) LoRa 終端時(shí)，LoRa 終端正處于間歇性的睡醒窗口期，此時(shí)來自 LoRa 集中器/網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)幀中的前導(dǎo)碼內(nèi)有符合規(guī)定數(shù)量的字符被LoRa 終端同步接收，則 LoRa 終端認(rèn)為數(shù)據(jù)有效，本次喚醒成功。實(shí)際使用中需要在 LoRa 發(fā)送端設(shè)置足夠的前導(dǎo)碼，前導(dǎo)碼的大小根據(jù) LoRa 接收端的睡眠時(shí)間確定。間歇性睡眠可以節(jié)省大量的功耗，但LoRa 集中器無法完全實(shí)現(xiàn) LoRa 終端的實(shí)時(shí)喚醒及操作，由于大壩安全監(jiān)測行業(yè)對數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性要求并不是太嚴(yán)苛，故 LoRa 無線組網(wǎng)可以在實(shí)際監(jiān)測中使用。

4）組網(wǎng)相對簡單。由于 LoRa 模塊采用智能化設(shè)計(jì)，基本都具備自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組網(wǎng)及自控制特性，具備自己的優(yōu)化算法，只要簡單加以配置即可自行組網(wǎng)。

5） 價(jià)格相對低廉。每臺 LoRa 終端模塊的價(jià)格在 300 元左右，LoRa 集中器或基站價(jià)格在 7 000～10 000 元內(nèi)，與 LoRa 集中器或基站連接的數(shù)據(jù)后臺可向提供服務(wù)的公司購買現(xiàn)地服務(wù)器或按年度購買數(shù)據(jù)服務(wù)，基本為一次性投資，后期費(fèi)用較少。

2 廣域無線組網(wǎng)方法

2.1 衛(wèi)星組網(wǎng)通信

衛(wèi)星通信模塊工作在高于 1 000 MHz、低于紅外線頻率的微波通信頻段，利用通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和若干個(gè)衛(wèi)星通信地球站組建 VSAT 衛(wèi)星通信系統(tǒng)，作為語音、數(shù)據(jù)、圖像傳輸和計(jì)算機(jī)廣域網(wǎng)的主干線。測控裝置的數(shù)據(jù)通過相關(guān)衛(wèi)星通信模塊，利用氣象、海事或地球資源等衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，傳送至接收端的衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收機(jī)。該應(yīng)用是解決復(fù)雜地形和邊遠(yuǎn)山區(qū)廣域分布的遙測數(shù)據(jù)收集問題的有力措施，在水雨情區(qū)域監(jiān)控中應(yīng)用較多，在大壩監(jiān)測項(xiàng)目中因相關(guān)監(jiān)測在地域分布上較為集中，故應(yīng)用較少，但在極端情況下必須考慮其應(yīng)用，如沒有蜂窩公網(wǎng)覆蓋的大區(qū)域海上風(fēng)電及峽谷底部的巖土等監(jiān)測項(xiàng)目。

衛(wèi)星組網(wǎng)通信在實(shí)際大壩監(jiān)測應(yīng)用中的特點(diǎn)和注意事項(xiàng)如下：

1）衛(wèi)星通信時(shí)延比較大，衛(wèi)星之間可能需要接力傳遞數(shù)據(jù)，電波及轉(zhuǎn)發(fā)的延時(shí)均要考慮。同時(shí)如果有數(shù)據(jù)包丟失，則要求發(fā)送端重新發(fā)送丟失的數(shù)據(jù)包，直到所有的數(shù)據(jù)接收完畢為止[5]。

2）相關(guān)通信成本較高，需要去衛(wèi)星管理部門申請或采用其授權(quán)單位的數(shù)據(jù)傳輸模塊，流程較為復(fù)雜，信道使用費(fèi)約 2 000～3 000 元/月。由于很多衛(wèi)星的民用開放度不高，使得衛(wèi)星通信的使用較為局限。

3）在相關(guān)水利工程所在地沒有公網(wǎng)信號的情況下，衛(wèi)星通信可以有效補(bǔ)充作為相關(guān)遠(yuǎn)程廣域無線組網(wǎng)的解決方法。在海上風(fēng)電項(xiàng)目的安全監(jiān)測中，由于遠(yuǎn)離陸上基站，很多風(fēng)電樁所在地沒有移動(dòng)通信信號，可采用衛(wèi)星通信的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

4）一般在露天情況下使用，大壩廊道等內(nèi)嵌設(shè)施一般不考慮。

2.2 GPRS 公網(wǎng)

目前國內(nèi)較為偏遠(yuǎn)的地區(qū)也基本實(shí)現(xiàn)了蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號的覆蓋，加上國家對水利工程維護(hù)保障的重視，一般水利設(shè)施基本都具備無線公網(wǎng)信號。GPRS，WCDMA 及 CDMA 等 3 種制式的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)已基本覆蓋全國，一般水庫大壩所在地具備其中一種網(wǎng)絡(luò)信號的覆蓋，也就具備最基本的大范圍無線組網(wǎng)的條件。

當(dāng)前國內(nèi)絕大部分水利監(jiān)測項(xiàng)目采用 GPRS 公網(wǎng)作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠脚_，近年來由于技術(shù)已經(jīng)十分成熟，在大壩及巖土工程安全監(jiān)測行業(yè)的應(yīng)用越來越多，無論測點(diǎn)分布集中或分散，只要具備網(wǎng)絡(luò)信號，應(yīng)用公網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和測量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的方法是可行的，也是穩(wěn)定可靠的。同時(shí)數(shù)據(jù)接收地與相關(guān)測控裝置的地域距離已經(jīng)不是問題，數(shù)據(jù)接收端的中心計(jì)算機(jī)只要能接入因特網(wǎng)均可以接收測控裝置發(fā)送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[6]。大壩監(jiān)測中 GPRS 組網(wǎng)架構(gòu)示意圖如圖 4 所示。

現(xiàn)場測控裝置

圖 4 大壩監(jiān)測 GPRS 組網(wǎng)架構(gòu)示意圖

運(yùn)用蜂窩網(wǎng)絡(luò) GPRS/WCDMA/CDMA 在實(shí)際大壩監(jiān)測應(yīng)用中遠(yuǎn)程組網(wǎng)的特點(diǎn)和注意事項(xiàng)如下：

1）測控裝置處需要具備蜂窩網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信號覆蓋，山區(qū)或偏遠(yuǎn)地區(qū)需要根據(jù)具體情況確定應(yīng)用。

2）組建網(wǎng)絡(luò)需要去當(dāng)?shù)匾苿?dòng)通信單位辦理手機(jī)SIM 卡，需要根據(jù)每張卡的流量支付流量費(fèi)，一般情況下，作為大壩靜態(tài)數(shù)據(jù)采集使用每張卡每月 5～10 元包月即可滿足需要。GPRS 數(shù)據(jù)傳輸模塊一般價(jià)格為 500～1 000 元/臺。

3）在大壩廊道、隧洞等沒有信號中繼或被鋼筋網(wǎng)屏蔽的水利設(shè)施的內(nèi)部無法使用，如需使用，須電信營運(yùn)商在相關(guān)建筑物內(nèi)布置信號中繼設(shè)備。

4）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性好，延時(shí)小，一般可遠(yuǎn)程修改 IP地址，建立雙向連接時(shí)需要耗費(fèi)較大的電量。

5）在大壩監(jiān)測行業(yè)已較長時(shí)間應(yīng)用，長期穩(wěn)定性好。GPRS 通信模塊長時(shí)間在線耗電較大，一般采用睡眠定時(shí)喚醒或設(shè)置相應(yīng)的窗口時(shí)間，在窗口時(shí)間對 GPRS 通信模塊進(jìn)行設(shè)置，可保證模塊在需要的時(shí)間段保持實(shí)時(shí)在線，便于隨時(shí)對大壩監(jiān)測傳感器進(jìn)行測量；保持在線時(shí)間結(jié)束，通信模塊斷電或進(jìn)入睡眠模式以降低功耗。

2.3 窄帶物聯(lián)網(wǎng)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）聚焦于低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，是一種基于現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)，使用 License 授權(quán)頻段，只占用大約 180 kHz 的帶寬，可直接部署于 GSM，UMTS 或 LTE 等網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本，實(shí)現(xiàn)平滑升級。應(yīng)用該技術(shù)組網(wǎng)的總體架構(gòu)類似于基于蜂窩基站的 GPRS 網(wǎng)絡(luò)。

NB-IoT 在實(shí)際大壩監(jiān)測遠(yuǎn)程組網(wǎng)中具備以下特點(diǎn)：

1）強(qiáng)鏈接。在同一基站情況下，NB-IoT 可以比現(xiàn)有無線技術(shù)提供 50～100 倍的接入數(shù)。1 個(gè)扇區(qū)能夠支持 10 萬個(gè)鏈接，支持低延時(shí)敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。大壩安全監(jiān)測現(xiàn)場的全部測量模塊、智能傳感器都可以接入，數(shù)量上基本不受限制。

2）高覆蓋。NB-IoT 室內(nèi)覆蓋能力強(qiáng)，比 LTE提升 20 dB 增益，相當(dāng)于提升了 100 倍覆蓋區(qū)域能力。不僅可以滿足農(nóng)村廣覆蓋需求，對于有深度覆蓋要求的應(yīng)用同樣適用，如大壩監(jiān)測領(lǐng)域中從廊道口向壩體內(nèi)部延伸的監(jiān)測應(yīng)用可以采用此技術(shù)。但是 NB-IoT 應(yīng)用需要依靠通信運(yùn)營商的現(xiàn)有基站的優(yōu)化，自主組網(wǎng)的靈活性受到限制。

3）低功耗。低功耗特性是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一項(xiàng)重要指標(biāo)，特別對于一些不能經(jīng)常更換電池的設(shè)備和場合，更要注重低功耗，如安置于高山荒野偏遠(yuǎn)地區(qū)中的各類傳感器或大壩周邊的地下水等監(jiān)測設(shè)備。NB-IoT 聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應(yīng)用，因此 NBIoT 設(shè)備功耗可以做到非常小，設(shè)備續(xù)航時(shí)間可以從過去的幾個(gè)月大幅提升到幾年。

4）低成本。與 LoRa 相比，NB-IoT 無需重新建網(wǎng)，射頻和天線基本上都是復(fù)用的，只需要清出一部分 2 GHz 頻段給 NB-IoT 使用，就可以直接進(jìn)行LTE 和 NB-IoT 的同時(shí)部署。目前大壩監(jiān)測系統(tǒng)多采用成熟的 GPRS 公網(wǎng)，后期進(jìn)行相關(guān)技術(shù)升級時(shí)更換數(shù)傳模塊即可。

目前一些芯片制造商已在搭建 NB-IoT 環(huán)境，制造 NB-IoT 的芯片和模組，可進(jìn)一步降低成本；運(yùn)營商在規(guī)劃基站優(yōu)化、基帶分配、射頻及規(guī)避可能的干擾方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)施，在一些城市及人口稠密區(qū)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基站的升級，支持 NB-IoT。目前有國內(nèi)廠商已經(jīng)提供相關(guān)集成 NB-IoT 模塊，雖然在大壩行業(yè)具體應(yīng)用還未開展，但 NB-IoT 技術(shù)是未來大壩監(jiān)測領(lǐng)域廣域低功耗物聯(lián)網(wǎng)的重要發(fā)展方向。

3 混合組網(wǎng)策略

在大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場組網(wǎng)應(yīng)用中，如果能滿足單一組網(wǎng)條件應(yīng)盡量采用單一方式組網(wǎng)，可以提高系統(tǒng)組件的通用性和互換性；如果成本過高或者受到傳感器測點(diǎn)布置點(diǎn)、周邊基站信號制約，而無法使用單一方式完成全部測點(diǎn)測站無線組網(wǎng)，需要考慮混合組網(wǎng)策略，充分運(yùn)用各種分散集中控制方式[7]。

一般情況下，局域和廣域 2 種無線組網(wǎng)方式可以互相結(jié)合、補(bǔ)充。在沒有公網(wǎng)或公網(wǎng)費(fèi)用較高的地方采用局域小范圍無線自組網(wǎng)，再通過相關(guān)網(wǎng)關(guān)將自組網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)通過公網(wǎng)或廣域網(wǎng)發(fā)送至中心采集計(jì)算機(jī)，即采用近距離物聯(lián)組網(wǎng) + 遠(yuǎn)程傳輸（小網(wǎng) + 大網(wǎng)）的方式。

目前國內(nèi)主流無線設(shè)備提供商都提供相關(guān)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，如一些廠家提供的 ZigBee 網(wǎng)關(guān)具有 ZigBee轉(zhuǎn) 2.5G/3G/4G 公網(wǎng)的傳輸功能，可采用該設(shè)備作為ZigBee 局域網(wǎng)與公網(wǎng)之間的傳輸媒介。另外如 4G LoRa 網(wǎng)關(guān)，可以集中 LoRa 局域網(wǎng)內(nèi)的測控裝置采集的數(shù)據(jù)通過公網(wǎng) 4G 信號遠(yuǎn)程傳輸。

4 結(jié)語

隨著國家移動(dòng)通信公網(wǎng)覆蓋范圍的不斷擴(kuò)大及數(shù)據(jù)服務(wù)價(jià)格的不斷降低，各種無線通訊技術(shù)得到了迅猛發(fā)展[8]，新型局域無線組網(wǎng)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，未來越來越多的新建水庫大壩工程監(jiān)測及老壩除險(xiǎn)加固系統(tǒng)升級等項(xiàng)目，將會采用無線技術(shù)組網(wǎng)將所有傳感器接入測控系統(tǒng)。未來在壩體或水工建筑物的內(nèi)部監(jiān)測、水利信息化平臺的建設(shè)等方面，采用擴(kuò)頻 LoRa 及窄帶物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)組網(wǎng)將會是一個(gè)重要的應(yīng)用方向，應(yīng)給予進(jìn)一步的研究，做到技術(shù)應(yīng)用與工程需求更好的結(jié)合。

[1] 章濤，舒乃秋，李紅玲，等. 大壩安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)傳感器通用數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2004 (2):36-38.

[2] 廖榮慶. 大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J]. 水利水電快報(bào)，2004，25 (1): 28-30.

[3] 劉東文，鄒兵，陳文輝，等. 基于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的研制[J]. 水利信息化，2014 (3): 33-37.

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[6] 李家群，吳健琨，張維科. 利用 GSM 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大壩遠(yuǎn)程監(jiān)控的應(yīng)用實(shí)踐[J]. 水利水文自動(dòng)化，2008 (2): 8-12.

[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): 79-80.

[8] 毛良明，邊靜如. 新型無線通信技術(shù)在安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)中的探索與應(yīng)用[J]. 水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測，2010 (6):38-40.

A brief analysis on wireless network strategy of dam safety monitoring system

LU Wei1,2, LIU Bo3, CHEN Xingang4, LI Jiaqun1,2
(1. Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China;2. Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, Nanjing 210012, China;3. Guanyinge Reservoir Administration of Liaoning Province, Benxi 117100, China;4. Hydrological Instruments and Geotechnical Instrumentation for Quality Supervision and Testing Center,the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China)

This article generally introduces same kinds of dominating wireless network strategies which are used in the current dam safety monitoring sensor data acquisition system. It describes the respective advantages and disadvantages in applications demands such as power, difficulty, cost and communication distance, as well as connecting with the experiences in engineering, lists architecture, characteristics and points for attention in actual use of each wireless network. Through the analysis of each method, it points out that the fl exible composite applications of using short distance of local area network and wide area wireless network have great practical signif i cance in reducing the construction work, improving the lightning protection ability, realizing longer working time, and enhancing the data transmission distance. With the development and use of new wireless technology such as LoRa and NB-IoT, the application of wireless network in the area of dam safety monitoring has a well application perspective.

wireless network; dam monitoring; safety monitoring; measuring and control device

TV698.1；TP393

A

1674-9405(2017)06-0059-06

10.19364/j.1674-9405.2017.06.012

2017-08-01

陸 緯（1983- ），男，江蘇南京人，工程師，主要從事工程安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件電路開發(fā)設(shè)計(jì)工作。