東風(fēng)西沙水庫無線安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與應(yīng)用

華 濤，傅羅真，李桂平，崔 崗，肖慶華

（1.南京獻南瑞集團公司，江蘇省南京市 211106；2.上海勘測設(shè)計研究院，上海市 200434）

0 引言

安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)在各個工程的廣泛應(yīng)用，為發(fā)揮工程效益、提高設(shè)計和施工技術(shù)水平方面發(fā)揮了重要作用，同時更為檢驗工程安全提供重要的信息，在安全監(jiān)測領(lǐng)域的作用舉足輕重。

近年來，隨著科技的迅猛發(fā)展，無線通信技術(shù)在安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用研究也不斷深入，以GPRS、3G、4G為代表的移動通信技術(shù)、以WLAN（WIFI）、ZigBee、WiMAX為代表的近距離無線通信技術(shù)，以及傳統(tǒng)的數(shù)傳電臺、特高頻/甚高頻為代表的無線通信技術(shù)在工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛。其中，ZigBee無線通信技術(shù)以其低功耗、低數(shù)據(jù)速率、使用免費等特別適合安全監(jiān)測自動化的一系列特點受到業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注。ZigBee技術(shù)突破了傳統(tǒng)監(jiān)測依賴敷設(shè)數(shù)據(jù)傳輸總線的束縛，實現(xiàn)了點對點的近距離無線信號傳輸，可視傳輸距離不小于500m，最大可達(dá)到1.6km，且支持無線通信距離的擴展，可靈活構(gòu)建免費的無線局域監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，在工程監(jiān)測領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

但由于工程環(huán)境的復(fù)雜性也往往會給ZigBee無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計帶來挑戰(zhàn)，本文結(jié)合上海東風(fēng)西沙水庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的工程應(yīng)用環(huán)境，力求在工程的技術(shù)經(jīng)濟型、實用性和先進性之間取得優(yōu)化平衡，研究了無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)方案，給出了具體的無線安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。

1 無線安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

1.1 ZigBee主要技術(shù)特點

ZigBee是一種新興的基于IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的、有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)。它采用直接序列擴頻技術(shù)，具有擴頻技術(shù)抗干擾性強、誤碼率低、安全性高等優(yōu)點[1]。ZigBee技術(shù)還具有以下特點：

（1）低功耗: 由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設(shè)備非常省電；相比較而言，藍(lán)牙、WiFi通信速率雖高，但功耗更大。

（2）成本低：由于ZigBee協(xié)議免專利費，終端設(shè)備價格一般較便宜。

（3）網(wǎng)絡(luò)工作頻段免費：ZigBee工作在免費的不必許可證的工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ISM）頻段（美國為915MHz，歐洲地區(qū)為868MHz，全球其他地區(qū)為2.4 GHz）。因此，不用進行復(fù)雜的頻段使用申請，無需交納頻段使用費用，這也是ZigBee得到廣泛應(yīng)用的突出優(yōu)點之一。

（4）網(wǎng)絡(luò)容量大，組網(wǎng)便捷，擴展性好。ZigBee技術(shù)可采用星型、網(wǎng)狀型、簇狀型三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此外，通過各種路由功能節(jié)點，可形成最大容量為65535的超大個人局域網(wǎng)絡(luò)（PAN，Personal Area Network，個域網(wǎng)），并且該個域網(wǎng)絡(luò)可與現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)連接，具有良好的擴展性。

（5）通信速率低，但滿足工程監(jiān)測的需要。ZigBee模塊工作在20～250kbit/s的較低速率，針對不通的工作頻段，分別提供250kbit/s（2.4GHz）、40kbit/s（915MHz）和 20kbit/s（868MHz）的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

（6）傳輸距離近，室內(nèi)傳輸距離在10～100m之間，室外可視環(huán)境下實測通信距離在600m以上，但可通過路由等功能節(jié)點進行組網(wǎng)來擴展通信距離。

（7）安全性高，ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單（ACL）防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES128）的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性[2]。

ZigBee技術(shù)的上述特點，使其特別適合于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸，以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用[3]，從而決定了ZigBee技術(shù)在工程安全監(jiān)測領(lǐng)域有著較強的適用性。

1.2 ZigBee無線安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

基于ZigBee的無線安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，是通過基于ZigBee技術(shù)的無線數(shù)據(jù)采集模塊、無線傳輸模塊、無線通信管理模塊以及相關(guān)數(shù)據(jù)采集模塊，構(gòu)建的監(jiān)測反映工程安全性態(tài)的各種物理量的數(shù)據(jù)采集傳輸網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee無線安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的所有模塊具有同一個網(wǎng)絡(luò)ID，這些模塊形成了個域網(wǎng)。其中，無線通信管理器作為協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)對PAN網(wǎng)絡(luò)中各個無線節(jié)點的管理；每個ZigBee個域網(wǎng)中只能存在一個協(xié)調(diào)器功能模塊，且協(xié)調(diào)器功能模塊處于通信鏈路的下行端，即處于發(fā)出命令的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一端；個域網(wǎng)中可以存在多個無線采集模塊和無線傳輸模塊，其中，無線采集模塊具備傳感器信號采集和數(shù)據(jù)無線通信功能，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊僅承擔(dān)數(shù)據(jù)無線通信功能；這兩種模塊均可通過相應(yīng)配置，同時承擔(dān)無線通信路由中繼功能，以實現(xiàn)對ZigBee無線通信距離的擴展，有效擴展ZigBee的應(yīng)用范圍，提高無線安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的實用性。典型的無線安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 無線安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖1 所示的無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，理論上無線數(shù)據(jù)采集模塊和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的網(wǎng)絡(luò)容量可達(dá)65535個。但考慮到各模塊均配置為中繼模式，模塊越多，自動構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)中形成的中繼層數(shù)越多，通信延時相應(yīng)越大，網(wǎng)絡(luò)的實時性受到影響。因此，在工程應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合工程環(huán)境，將無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)適度劃分為多個PAN。然后可以利用有線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備（如光端機）或其他類型的無線通信方式（例如GPRS無線通信），再依據(jù)不同的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換和解析，將多個域網(wǎng)組成的無線安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)有效整合到一個安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)中。圖2為多個無線安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)PAN和有線光纖通信網(wǎng)絡(luò)整合的網(wǎng)絡(luò)示意圖。

圖2 無線安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與既有有線通信網(wǎng)絡(luò)的融合示意圖

綜上所述，采用基于ZigBee技術(shù)的無線安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，尤其適用于現(xiàn)場條件不能或者難以滿足敷設(shè)通信線纜的情況下，方便快捷地構(gòu)建局域的測控網(wǎng)絡(luò)。同時，無線安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與工程現(xiàn)場既有的有線通信網(wǎng)絡(luò)（如典型的RS485總線網(wǎng)絡(luò)）的組合十分靈活方便，無縫融合于既有的安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，從而使無線安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用優(yōu)勢進一步放大，安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的構(gòu)建真正做到靈活多變，實現(xiàn)因地制宜。

2 工程設(shè)計與應(yīng)用

2.1 工程概況

上海東風(fēng)西沙水庫位于上海長江口南支上段的北側(cè)，崇明島西南部，屬于城市供水工程，位上海第三大水庫。環(huán)庫大堤總長度12km，有效庫容890.2萬m3，總庫容976.2萬m3。環(huán)庫堤段分為東南西北四個堤段，長度分別為1220、4798、2352m和3638m，圍堤及取水、排水和輸水三個泵站，圍堤劃分為19個觀測斷面，共布置各類觀測儀器202支，主要用于變形監(jiān)測和滲壓監(jiān)測，其中斷面2-2，3-3，11-11布置有串聯(lián)固定式測斜儀和振弦式滲壓計，其他斷面的儀器均為振弦式滲壓計。

東風(fēng)西沙水庫各斷面觀測點通信距離間隔為600m或800m，其中南堤老海塘段環(huán)境相對開放，樹木茂盛，且因客觀因素影響，無法敷設(shè)總線，無市電可用，其他的東西北堤各測點鋪設(shè)電纜施工成本較高；各個泵站內(nèi)環(huán)境設(shè)施良好，具備交流供電條件，且取水泵站、排水泵站至輸水泵站之間都具備光纖通信電纜；安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)主機安裝于輸水泵站內(nèi)的控制室。

2.2 方案設(shè)計

根據(jù)綜合現(xiàn)場勘察和分析，明確東風(fēng)西沙水庫的安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)具有以下特征：環(huán)形圍堤長度12km，堤上各觀測點間距800m，點與點之間鋪設(shè)通信電纜困難，而各泵站幾乎均勻分布在環(huán)形圍堤上，取水、排水兩個泵站均具備通信光纜至輸水泵站。

基于既有的工程條件，設(shè)計方案如下：

（1）16個滲壓計觀測斷面的無線數(shù)據(jù)采集模塊（產(chǎn)品型號：NDA1471）均配置路由功能，除承擔(dān)本測點的無線采集通信功能外，還為下一斷面的測點提供無線通信中繼功能。

（2）為避免無線通信管理設(shè)備所覆蓋的網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點數(shù)和路由層級過多而加大通信延時，將根據(jù)無線通信管理器（產(chǎn)品型號：NDA1770）的安裝于三個泵站的建筑物頂端，再依據(jù)無線通信管理器的位置對測點進行分區(qū)，形成三個具有不同ID的個域網(wǎng)，保證各個域網(wǎng)的中繼層數(shù)均在6級以內(nèi)，具體劃分見圖3。劃分后的3個分區(qū)的無線通信管理器均通過光纜有線通信方式接入至監(jiān)控主機。

（3）由于三個泵站處振弦式和差阻式儀器較多也較為集中，利用現(xiàn)有的DAU2000型常規(guī)采集模塊，通過光纜有線通信方式進行采集通信更為經(jīng)濟合理。

（4）距離泵站相對較近且附近有交流電供應(yīng)的斷面（2-2，3-3，11-11），因配置有滲壓計和固定式測斜儀，故采用DAU2000型常規(guī)模塊采集，再配合無線數(shù)據(jù)傳輸模塊NDA3320，實現(xiàn)無線傳輸。

（5）其余斷面采用無線測量模塊NDA1471測量采集并傳輸數(shù)據(jù)，采用太陽能供電，且在程序中增加監(jiān)測太陽能供電電壓的功能，為后期維護提供參考。

（6）老海塘處各斷面間（7-7，8-8，9-9），可視距離不滿足要求的情況下，適當(dāng)增加1～2個無線通信中繼模塊，以保證無線信號強度。

圖3 東風(fēng)西沙水庫無線安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)分區(qū)示意圖

2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

根據(jù)上述的設(shè)計方案，基于無線安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)形成的東風(fēng)西沙水庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)布置如圖4所示。

如圖4所示，根據(jù)工程現(xiàn)場實際劃分的3個無線安全監(jiān)測網(wǎng)PAN A、B、C中，無線通信管理器NDA1770管理無線數(shù)據(jù)采集模塊NDA1471和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊NDA3320，再將形成的無線個域網(wǎng)通過光端機NDA3421及光纜連接至監(jiān)測自動化系統(tǒng)主機上；各泵站的DAU2000型數(shù)據(jù)采集模塊則直接通過光端機連接至系統(tǒng)主機。無線安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和既有的有線通信網(wǎng)絡(luò)完美融合，形成了一個布局合理、經(jīng)濟實用、技術(shù)先進的安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)。

2.4 工程實現(xiàn)及效果

東風(fēng)西沙水庫安全監(jiān)測自動化工程2014年3月開工，于2014年7月共完成19個無線測量站點和3個有線測站的安裝以及系統(tǒng)調(diào)試工作。安裝過程中，因各觀測斷面測點設(shè)備采用ZigBee無線通信方式，只需將采集模塊和傳感器正確連接，再就近安裝太陽能板，環(huán)水庫共12km內(nèi)的測點，不需要額外鋪設(shè)電源和通信電纜，無須大量的土建施工即可使安全監(jiān)測系統(tǒng)快捷地接入自動化系統(tǒng)中，施工周期短，施工成本低，構(gòu)建的安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)成本相當(dāng)經(jīng)濟。

東風(fēng)西沙水庫無線安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)自投運以來，截至目前已經(jīng)穩(wěn)定運行滿一年。在實際運行中，模塊電源采用了20W/9V的太陽能板配合6V/12Ah的鉛酸蓄電池，模塊監(jiān)測的電壓數(shù)據(jù)均維持在6V以上，電源系統(tǒng)免維護，給業(yè)主帶來了較大的便利；視通環(huán)境下，各測點無線通信間距為800m，并互為中繼，形成了多達(dá)7級的無線中繼鏈路，每個PAN內(nèi)形成了長達(dá)約5km的無線通信通道。同時，為了保證通信的系統(tǒng)穩(wěn)定性，在無法視通的環(huán)境下，結(jié)合現(xiàn)場工況分析，適當(dāng)增加中繼模塊，進一步改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實際應(yīng)用驗證表明，在中繼鏈路最末端的測點，其通信時延在3s左右，能夠滿足工程安全網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用要求；執(zhí)行安全監(jiān)測系統(tǒng)中的取大規(guī)模數(shù)據(jù)命令和通信測試命令，未出現(xiàn)丟包的現(xiàn)象。

圖4 東風(fēng)西沙安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)布置圖

圖5 東風(fēng)西沙水庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)部分實測成果展示

東風(fēng)西沙無線安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)的實際運行中，表現(xiàn)穩(wěn)定可靠，得到業(yè)主和監(jiān)理的認(rèn)同。如圖5所示為部分實測數(shù)據(jù)。

3 總結(jié)

本文結(jié)合東風(fēng)西沙水庫安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的特點，因地制宜設(shè)計出的基于ZigBee技術(shù)的無線安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)在工程上切實可行，并取得穩(wěn)定有效的應(yīng)用成果。應(yīng)用實踐表明，基于ZigBee的無線安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)具有成本低、建設(shè)周期短、組網(wǎng)便捷、安裝維護方便的顯著優(yōu)點，可大幅減少安全監(jiān)測工程的土建施工工作量，使得安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的構(gòu)建過程更靈活多變，在一定程度上促進了工程項目的經(jīng)濟性和實用性的平衡，提升了安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)先進性，值得大力推廣和深入研究。

[1] 劉子京，裴文江. 基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究［J］. 計算機技術(shù)與發(fā)展，2009，19（5）:192-194.

[2] 任秀麗，于海斌. ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性研究［J］. 儀器儀表學(xué)報，2007，28（12）:133-134.

[3] 曾衍仁. 基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程測控網(wǎng)絡(luò)[D]. 廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011.

華 濤（1981—），男，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向：電子儀器儀表的開發(fā)和系統(tǒng)集成。E-mail：huatao@sgepri.sgcc.om.cn

傅羅真（1984—），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的工程應(yīng)用和資料分析，E-mail：fuluozhen@sgepri.sgcc.om.cn

李桂平，（1981—）男，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向：電子儀器儀表的開發(fā)和系統(tǒng)集成，E-mail：liguiping@sgepri.sgcc.om.cn

崔 崗（1978—），男，本科生，工程師，主要研究方向為安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的工程應(yīng)用，E-mail:cuigang@sgepri.sgcc.om.cn

肖慶華（1977—），男，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向為巖土工程設(shè)計和安全監(jiān)測設(shè)計，E-mail:xqh@sidri.com