基于分層分布式智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的水電站結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)

鄭 麗

(貴州新中水工程有限公司，貴州 貴陽 550000)

1 基于智能傳感器的監(jiān)控體系

本文提出了一種基于智能傳感器的分布式結(jié)構(gòu)的水電站監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用分層傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

該架構(gòu)為監(jiān)測工作中遇到問題提供了相應(yīng)解決方案，如：(1)靈活性和可擴展性，而不是現(xiàn)有的不靈活的集中監(jiān)控系統(tǒng)。(2)與其他系統(tǒng)(如警報系統(tǒng))無縫集成。(3)通過高級監(jiān)控提供更好的預(yù)測，改進風(fēng)險管理。(4)現(xiàn)有監(jiān)測結(jié)構(gòu)升級和集成的有效方法。(5)與決策支持系統(tǒng)連接的綜合信號、警告和報警設(shè)施。

這種新的分布式解決方案利用了傳感器網(wǎng)絡(luò)及電子設(shè)備，價格與優(yōu)質(zhì)銅纜價格相比有所下降。新的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)將提高水電站結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，在洪水和地震期間繼續(xù)監(jiān)測建筑物。另一方面，在這些特殊事件期間，通信和能源供應(yīng)中斷和故障的可能性增加。智能傳感器網(wǎng)絡(luò)具有靈活性和有限的自主權(quán)，可以解決部分系統(tǒng)設(shè)備所造成的損壞，保證監(jiān)控的連續(xù)性[1]。

由于采用了新的傳感器網(wǎng)絡(luò)，將傳感器連接到測量儀器的模擬信號電纜的長度將大大縮短。這樣不僅降低了布線成本，而且降低了電氣噪聲，提高了數(shù)據(jù)測量精度。較短的信號電纜也意味著減少了由雷電過電壓引起的高壓擾動，提高了系統(tǒng)的可靠性。

為了實現(xiàn)新的基于智能傳感器的水電站結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，必須實現(xiàn)以下功能：(1)一系列網(wǎng)絡(luò)接口模塊(MOTE)的設(shè)計和開發(fā)，具有模擬/數(shù)字前端，用于各種已調(diào)試的特定傳感器。(2)一組智能傳感器的設(shè)計和實現(xiàn)，用于位移、傾角和土壤濕度等參數(shù)的監(jiān)測任務(wù)。(3)定義測量和配置結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的數(shù)據(jù)庫接口。(4)用于配置傳感器網(wǎng)絡(luò)、從傳感器獲取、可視化和存檔數(shù)據(jù)的軟件應(yīng)用程序的實現(xiàn)。

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

水電工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測傳感器系統(tǒng)具有傳感器種類繁多(數(shù)百個)的特點。只有通過多級、分層的網(wǎng)絡(luò)組織和每一級的標準化接口，才能保證測量數(shù)據(jù)的有效傳輸。因此，在分層網(wǎng)絡(luò)中需要幾個通信模塊：有線和無線集線器、路由器和網(wǎng)關(guān)[2-3]。

2.1 配備模擬/數(shù)字前端的網(wǎng)絡(luò)接口模塊，用于各種已調(diào)試的傳感器

接口模塊的軟件應(yīng)在每個級別提供，不僅是數(shù)據(jù)流量控制，而且還應(yīng)提供配置和診斷設(shè)施。

根據(jù)具體測量類型，必須配備的傳感器節(jié)點包括：(1)水電結(jié)構(gòu)專用傳感器的模擬/數(shù)字前端。(2)嵌入式微型計算機(基于微控制器)。(3)用于聯(lián)網(wǎng)的收發(fā)器。(4)電源/電池管理單元。傳感器根據(jù)感測到的物理效應(yīng)和現(xiàn)象產(chǎn)生電信號。微控制器根據(jù)特定算法(線性化、濾波、平均等)處理電信號，并存儲輸出值。傳感器節(jié)點應(yīng)具有連接到電力公用網(wǎng)絡(luò)的電源，或者具有用于部分自治的電池。

新的網(wǎng)絡(luò)接口模塊系列應(yīng)具有四個可選通信接口：(1)短程低功耗無線接口。(2)無線中程接口。(3)低速長距離有線接口。(4)高速中距離有線接口。整個網(wǎng)絡(luò)接口模塊系列將基于節(jié)能低功耗微控制器(確保一年或兩年的電池壽命)。

由于一些監(jiān)測巖土工程儀器(傳感器)安裝遠離水電站結(jié)構(gòu)周圍區(qū)域，無線“塵埃”必須與無線電收發(fā)器連接，無線電收發(fā)器能夠在露天條件下(視線)至少2 km范圍內(nèi)可通信。由于水電站有時位于沒有GSM/GPRS覆蓋的地方，因此無線電收發(fā)器將獨立于GSM/GPRS服務(wù)。必須特別注意設(shè)備的堅固和緊湊的機械設(shè)計，以確保高可靠性和防止惡劣環(huán)境和破壞。

2.2 智能有線和無線傳感器

針對位移、傾角和土壤濕度的監(jiān)測任務(wù)，研制了一組智能有線和無線傳感器。有線傳感器通過RS485接口連接，而無線傳感器將通過其連接的收發(fā)器連接到適當?shù)臒o線集線器。

3 相關(guān)軟件平臺

傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)、測試、部署、管理和配置必須由相關(guān)的軟件平臺支持。軟件應(yīng)用應(yīng)便于創(chuàng)建和編輯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的配置、傳感器網(wǎng)絡(luò)的配置、傳感器校準參數(shù)的管理以及從傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)的實時可視化或存檔數(shù)據(jù)的可視化。這些應(yīng)用程序?qū)⑻峁┮粋€智能傳感器系統(tǒng)的抽象視圖和一個物理布局視圖以及一個分層的網(wǎng)絡(luò)拓撲表示機制。將通過圖形界面提供測量點(傳感器位置)的簡單位置和參考，以便在水電站結(jié)構(gòu)平面圖上顯示位置。

為度量和配置結(jié)構(gòu)選擇了基于XML的表示。這種表示能夠?qū)y量的空間和時間屬性關(guān)聯(lián)起來，并且能夠處理現(xiàn)場使用的傳感器的數(shù)量和類型的動態(tài)變化。新的軟件平臺除了提供經(jīng)典的數(shù)據(jù)采集功能外，還應(yīng)提供適合于戰(zhàn)略結(jié)構(gòu)的專門監(jiān)控功能：行為預(yù)測、診斷支持、決策支持和遠程警報功能，基于水工結(jié)構(gòu)靜動力特性的數(shù)學(xué)模型。

4 試驗結(jié)果

一些PC軟件應(yīng)用程序在C++中實現(xiàn)，在一個環(huán)境(QT)中，允許跨平臺數(shù)據(jù)傳輸和在不同操作系統(tǒng)上的可移植性，以便更好地集成和與其他應(yīng)用/系統(tǒng)進行互操作。這些應(yīng)用程序允許數(shù)據(jù)收集、存檔和可視化。

應(yīng)用程序開發(fā)了一系列低功耗無線節(jié)點。他們可以模擬前端和串行輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換器與數(shù)字傳感器(I2C、SPI等)或模擬傳感器接口?；贜∶1網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)了一個無線集線器，使得多個傳感器節(jié)點可以連接到該集線器。

集線器考慮了兩種實現(xiàn)方式：一種基于8位微控制器和USB接口，用于測試和診斷，另一種基于NXP Cortex M3處理器。

根據(jù)Modbus協(xié)議，開發(fā)了一種基于RS-485串行總線的傳感器模塊通信的有線多點網(wǎng)絡(luò)。Cortex M3處理器運行網(wǎng)關(guān)軟件，可以配置傳感器并收集其測量數(shù)據(jù)。除此之外，網(wǎng)關(guān)還可以充當數(shù)據(jù)記錄器，通過以太網(wǎng)端口TCP/IP將本地測量存儲在USB閃存上。網(wǎng)關(guān)還提供了網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換機制，使得分組在多個(子)網(wǎng)絡(luò)中的傳感器可以分層集成。

進一步的實驗利用遠程連接鏈路進行，該鏈路允許在數(shù)公里范圍內(nèi)進行無線傳輸。使用基于泛素網(wǎng)絡(luò)Inner Feed技術(shù)的兩個納米橋M2設(shè)備建立PPT鏈路，將整個無線電系統(tǒng)集成到天線的接收器中。

5 結(jié) 論

所提出的水電站結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)所需的模塊和接口范圍已部分實現(xiàn)，并通過多個軟件應(yīng)用程序進行了測試，這些應(yīng)用程序允許對有線/無線節(jié)點進行配置、管理和自動數(shù)據(jù)采集。計劃進一步設(shè)計適當?shù)臄?shù)據(jù)庫架構(gòu)及其相關(guān)應(yīng)用程序，以方便與決策支持系統(tǒng)連接的綜合信令、警告和警報。