水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)中無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用

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摘 要：近幾年來，對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究不斷增加。由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有安裝、拆除方便，容錯性小，準(zhǔn)確率高等優(yōu)點，在各類安全監(jiān)測系統(tǒng)中都得到了廣泛的運用?；诖?，本文對水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)中無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用進行探討。

關(guān)鍵詞：水庫大壩 安全監(jiān)測系統(tǒng) 無線傳感網(wǎng)

1.案例介紹

新疆卡拉貝利水利樞紐工程由大壩、廠房組成、溢洪道、左岸泄水建筑物。溢洪道布置大壩的右壩肩，總長500m，左岸泄水建筑物（包括1#、2#排沙洞和發(fā)電洞）布置大壩的左岸，1#排沙洞680m，2#排沙洞660m，發(fā)電洞540m。大壩的庫容量為2.62億m3，正常蓄水的情況下水位高程可以達到97.5m，年發(fā)電量在70×108KW.h。在壩后左巖山體布置有地下廠房，廠房按照單一洞室的形式來進行布置，按照從上到下的順序分別為安裝室、主變室、復(fù)廠房、和主機，總建設(shè)長度為130m，壩體進水口在大壩的十號壩段布置，底板的高程為1678.65m，地面高程為1700m，通過一個直徑為7m的引水隧洞將水引入到廠房中。

2.大壩的實時監(jiān)測系統(tǒng)

對各監(jiān)測點水庫的水位、水壓、滲流、流量、揚壓力等進行實時監(jiān)測時大壩實時監(jiān)測的主要任務(wù)，數(shù)據(jù)傳輸是用過無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的，數(shù)據(jù)模式或圖形模式在計算機被呈現(xiàn)出來，對水庫大壩的各項變化情況進行實時掌控，聲光報警可以應(yīng)用于特殊額數(shù)據(jù)。

（1）全天候遠(yuǎn)程自動監(jiān)測可以通過大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)，監(jiān)測的數(shù)據(jù)可以被自動采集并且放入到相關(guān)數(shù)據(jù)庫中。但是人工觀測條件是監(jiān)測系統(tǒng)必須具備的。

（2）監(jiān)測點的數(shù)據(jù)變化可以被大壩遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)完整的記錄下來，無線傳感網(wǎng)絡(luò)將信息實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)路由器中，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器獲得信息主要是通過 GSM、GPRS、CDMA等技術(shù)實現(xiàn)，利用Internet的功能數(shù)據(jù)中心服務(wù)器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫枰@些信息的部門（這些部門必須是包含于覆蓋范圍）。

3.大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的組成部分

（1）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)路由器。如果觀測點距離 GPRS 的傳輸設(shè)備比較遠(yuǎn)，此路由器的功能就是中轉(zhuǎn)各個觀測點間的數(shù)據(jù)。

（2）觀測點監(jiān)測終端。采用的水位傳感器、無線滲流、滲壓傳感器、無線揚壓力傳感器等必須符合IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，這些無線水庫的耗能必須低。

（3）無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。也稱為無線網(wǎng)絡(luò)管理器，通信主要是由計算機向GPRS傳輸模塊主動傳輸。

（4）GPRS傳輸設(shè)備。各個采集點的數(shù)據(jù)向無線網(wǎng)絡(luò)管理器的傳輸是由GPRS 技術(shù)實現(xiàn)的。

（5）數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)處理中心的主要組成部分是計算機和上位機軟件系統(tǒng)等。此系統(tǒng)的功能也比較強大：①實時將水庫大壩的監(jiān)測信息顯示出來；②可以對個觀測點的數(shù)據(jù)進行自動采集，并且將其完整存儲起來；③將實時數(shù)據(jù)作為進行預(yù)警分析的依據(jù)；④實現(xiàn)對觀測點任意時間的數(shù)據(jù)信息的詳細(xì)查詢；⑤將各種數(shù)據(jù)資料以表格的形式呈現(xiàn)。

分層分布開放式結(jié)構(gòu)是大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點，分散集中控制方式是該系統(tǒng)的運行方式，上位機巡測、存儲數(shù)據(jù)依據(jù)設(shè)定的時間監(jiān)測各個終端。無線網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳輸給GPRS 設(shè)備，GPRS 設(shè)備再將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，實時采集命令或修改定時采集時間是由數(shù)據(jù)中心服務(wù)器通過無線網(wǎng)絡(luò)管理和GPRS 設(shè)備向監(jiān)測終端發(fā)送的。

4.大壩安全監(jiān)測的現(xiàn)狀分析

以壩監(jiān)測發(fā)展的相關(guān)歷程為依據(jù)進行分析，可以總結(jié)出：世界各國進行自動化監(jiān)測的方法有數(shù)據(jù)管理自動化、管理自動化和全自動化三種。我國于20世紀(jì)70年代開始研究大壩安全監(jiān)測工作，80年代取得了很大成果，20世紀(jì)90年代中期是我國監(jiān)測自動化技術(shù)的成熟階段，大壩監(jiān)測的實時性、穩(wěn)定性、可靠性和實用性在很大程度上被提升。至今我國還沒有出現(xiàn)利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)測的案例，現(xiàn)階段我國采取的是有線監(jiān)測與控制處理中心相連接的方式，數(shù)據(jù)的實時處理都是中心完成的。傳感器受到有線傳感器總線傳輸數(shù)據(jù)量的影響，在運行過程中會出現(xiàn)各種問題，有線連接一方面影響了傳感器是否可以方便攜帶的功能，還對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定的影響。傳感器利用導(dǎo)線獨立完成數(shù)據(jù)監(jiān)視、采集和控制連接的工作，此方法可以應(yīng)用于很多重要的較大領(lǐng)域，臨時性是其連接的特點，完成實驗后需要盡快拆卸或重構(gòu)。

5.無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于大壩安全監(jiān)測中

5 . 1硬軟件的相關(guān)設(shè)計

5.1.1硬件的相關(guān)設(shè)計

進行硬件設(shè)計時必須要進行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，換句話說就是保證所有的設(shè)計與國際或國家水利行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)保持一致。

（1）MC13213系列微控制器被應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺，為了保證數(shù)據(jù)的精確度，需要將智能數(shù)據(jù)采集器 A/D轉(zhuǎn)換到 16 位；各種傳感可以同時連接在系統(tǒng)中。

（2）無線 2.4GHz ISM 頻段和IEE802.15.4/Zigbee分別是系統(tǒng)通信和通信協(xié)議采用的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）低耗能設(shè)計是無線水位傳感器必須采用，供電使用的是兩節(jié)可工作5 年以上的普通干電池。

（4）能夠在-40℃～60℃溫度下正常開展工作，在水電現(xiàn)場及野外的工作能力是極強的。

（5）防雷電、抗雷擊是設(shè)計系統(tǒng)具備的能力，但是因為無線大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備并不是與其他設(shè)備聯(lián)系在一起的，所以其抗受雷電沖擊的能力較弱。

（6）終端工作機制的壽命比較長，并且具有獨立性，因此如果某一設(shè)備出現(xiàn)了故障，不會影響整個系統(tǒng)，此外，系統(tǒng)還具有自檢測故障功能的獨有功能。

5.1.2設(shè)計軟件功能

（1）數(shù)據(jù)被自動采集并被傳輸，水庫大壩監(jiān)測點的各項采集數(shù)據(jù)被實時展現(xiàn)，采集頻率可以根據(jù)實際情況進行設(shè)定。endprint