基于ZigBee技術(shù)的土石壩水庫(kù)安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

黃起升，林　紅，吳　科，林宇航，黃　隆，陳香湍，毛行奎

（1.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建福州，350108；2.福建省水利管理中心，福建福州，350001；）

基于ZigBee技術(shù)的土石壩水庫(kù)安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

黃起升1，林紅2，吳科1，林宇航2，黃隆2，陳香湍2，毛行奎1

（1.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建福州，350108；2.福建省水利管理中心，福建福州，350001；）

安全監(jiān)測(cè)在水庫(kù)運(yùn)行管理中起重要作用。在已有的系統(tǒng)中，采集數(shù)據(jù)通常采用基于RS-485串口的有線傳輸方式，該有線網(wǎng)絡(luò)存在布線困難、施工周期長(zhǎng)、成本高和易受自然雷擊放電影響等缺點(diǎn)。筆者提出了一種基于ZigBee無線通信技術(shù)的土石壩水庫(kù)安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它實(shí)現(xiàn)了各監(jiān)測(cè)點(diǎn)與監(jiān)控中心的電氣隔離，具有安全性和可靠性高、施工方便、布線簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及運(yùn)行后，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的和要求。

ZigBee；RS-485；水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

0　引言

水庫(kù)具有防洪、灌溉、供水、發(fā)電等作用，水庫(kù)的安全與人民生命財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)，因此，對(duì)水庫(kù)的安全在線監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)信息包括水位、雨量、流速、滲流、水質(zhì)、風(fēng)速、濕度、溫度、氣壓、浸潤(rùn)線等多種參數(shù)。不同的水壩對(duì)監(jiān)測(cè)信息的要求不同，所需測(cè)量的信息參數(shù)也不同。從解放后至今，國(guó)內(nèi)已建成的八萬多座水壩中，土石壩約占90%左右。對(duì)土石壩壩體而言，滲透破壞是常見病害,設(shè)計(jì)一套可靠的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是保證水庫(kù)安全的必備措施。土石壩浸潤(rùn)線位置的高低是影響壩體滲透穩(wěn)定和抗滑穩(wěn)定的最重要因素之一。土石壩滲透水溢出點(diǎn)的滲透坡降較陡時(shí)，壩坡就會(huì)發(fā)生流土、管涌，甚至滑坡、垮壩。對(duì)土石壩浸潤(rùn)線進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)可為水庫(kù)安全運(yùn)行、壩體安全穩(wěn)定提供科學(xué)依據(jù)。為了解土壩內(nèi)浸潤(rùn)線的位置變化，掌握壩體在運(yùn)行期間的滲透情況，必須在壩體內(nèi)埋設(shè)測(cè)壓管，通過測(cè)壓管傳輸出來的數(shù)據(jù)確定土壩浸潤(rùn)線。

水庫(kù)大壩分布在野外，春季庫(kù)區(qū)空氣濕度比較大，土壤含水率高，電阻率低，是最易受到雷擊的地方之一。已有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用有線的RS-485連接方式，而位于大壩上的傳感器檢測(cè)節(jié)點(diǎn)多，且信號(hào)線路很長(zhǎng)，這給線路本身和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的防雷帶來很大難度，容易被雷擊，導(dǎo)致關(guān)聯(lián)設(shè)備的損壞。Zig?Bee作為一種新興的短距離、低速率、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有低成本、低功耗、低速率、低時(shí)延、數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈能力強(qiáng)等特性，并具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力與較大的網(wǎng)絡(luò)容量，其技術(shù)特點(diǎn)克服了有線連接的缺陷，且能達(dá)到系統(tǒng)信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)哪康腫1]。

本次設(shè)計(jì)意在通過ZigBee無線通信技術(shù)構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)加入該網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行土石壩水庫(kù)安全信息采集和分析，避免了有線網(wǎng)絡(luò)的布線和成本問題，同時(shí)通過無線通訊技術(shù)重點(diǎn)解決了實(shí)際中系統(tǒng)易受雷擊等自然放電現(xiàn)象帶來的系統(tǒng)損壞問題。

1　系統(tǒng)框圖

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為遠(yuǎn)程測(cè)站和監(jiān)控中心站兩部分。遠(yuǎn)程測(cè)站主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心站主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理。遠(yuǎn)程測(cè)站主要由RTU（Remote Terminal Unit，遠(yuǎn)程終端單元）、電源、通信設(shè)備、避雷器和傳感器組成。RTU與傳感器直接相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與顯示。RTU將采集到的數(shù)據(jù)以超短波的方式傳輸?shù)奖O(jiān)控中心站的計(jì)算機(jī)中，并進(jìn)行分析處理，為防洪、抗旱提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

RTU是遠(yuǎn)程測(cè)站的核心，主要實(shí)現(xiàn)：（1）土石壩水庫(kù)安全信息實(shí)時(shí)自動(dòng)采集與顯示；（2）根據(jù)設(shè)定好的時(shí)間，定時(shí)采集土石壩水庫(kù)安全信息；（3）響應(yīng)監(jiān)控中心站的指令，及時(shí)發(fā)送實(shí)時(shí)土石壩水庫(kù)安全信息[2]。

傳感器的種類比較豐富，有壓力傳感器、雨量傳感器、水位傳感器、流量傳感器、溫度傳感器等。本系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)壩內(nèi)浸潤(rùn)線，通過底部帶有孔洞的鍍鋅管將傳感器深埋到壩內(nèi)。傳感器采用MPM4700型智能液位變送器，這是一款基于差壓式測(cè)量原理的投入式液位變送器，當(dāng)它被投入到水中某一深度時(shí)，傳感器迎液面受到的壓力為：

式（1）中的P為變送器液面所受壓力；ρ為水體密度；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋籔0為水面上的大氣壓；H為變送器在水中的深度。通過導(dǎo)氣不銹鋼鋼管將水的壓力傳到傳感器的正壓腔，液面上的大氣壓P0與傳感器的負(fù)壓腔相連，以抵消傳感器背面的P0，則傳感器測(cè)的壓力為：

已知水的密度和當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，于是可以得到液位深度?/p>

MPM4700將測(cè)得的壓力以數(shù)字的形式通過RS-485方式傳輸[3]。

已有遠(yuǎn)程測(cè)站結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，即深埋于（或達(dá)10多m）土石壩體內(nèi)的壓力傳感器通過有線把大壩內(nèi)的滲透壓以及溫度數(shù)據(jù)傳送到地面，然后再經(jīng)過有線方式在大壩表面上布線，把數(shù)據(jù)長(zhǎng)距離（土石壩監(jiān)測(cè)點(diǎn)最遠(yuǎn)距離可達(dá)上百米）傳送到位于機(jī)房?jī)?nèi)的RTU。這種有線連接方式使系統(tǒng)存在布線施工方面的困難，并且雷電引起的電壓電流瞬變往往導(dǎo)致傳輸線上的多個(gè)485收發(fā)器損壞，并損壞機(jī)房?jī)?nèi)的RTU。在這種測(cè)控系統(tǒng)中引入ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，即深埋于土石壩體內(nèi)的壓力傳感器通過有線把大壩內(nèi)的滲透壓以及溫度數(shù)據(jù)傳送到地面，然后再經(jīng)過ZigBee終端網(wǎng)絡(luò)無線發(fā)射數(shù)據(jù)，由位于機(jī)房?jī)?nèi)的ZigBee協(xié)調(diào)器接收，而后再由有線很短距離地傳送給同位于機(jī)房?jī)?nèi)的RTU?？梢?，分布于大壩上的各壓力傳感器（ZigBee終端）之間由于沒有有線連接，相互獨(dú)立，與機(jī)房?jī)?nèi)的RTU等沒有有線連接，因此不需要在大壩面上復(fù)雜地布線，也避免因有線連接導(dǎo)致的易被雷擊情況出現(xiàn)。

圖1　已有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of existing system

圖2　引入ZigBee系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of system based ZigBee technology

2　硬件設(shè)計(jì)

在遠(yuǎn)程測(cè)站部分引入ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。它包括終端設(shè)備和協(xié)調(diào)器部分。終端設(shè)備通過485接口與傳感器相連，組織傳輸數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器通過485接口與RTU相連，提供所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。其硬件原理框圖如圖3所示。其中CPU模塊主要實(shí)現(xiàn)有線與無線之間的轉(zhuǎn)換。

圖3　硬件原理框圖Fig.3 System hardware

2.1RS-485模塊設(shè)計(jì)

RS-485模塊通過收數(shù)據(jù)、發(fā)數(shù)據(jù)引腳端與單片機(jī)異步串行模塊2相連，而控制引腳DE和RE連在一起由單片機(jī)的RB5控制。主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)以RS-485形式接收或發(fā)送。該模塊采用MAX3485芯片，其工作電壓為3.3V，為低功耗收發(fā)器，每個(gè)器件中都具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器。驅(qū)動(dòng)器具有短路電流限制，并可以通過熱關(guān)斷電路將驅(qū)動(dòng)器輸出置為高阻狀態(tài)，防止過度的功率損耗。接收器輸入具有失效保護(hù)特性，當(dāng)輸入開路時(shí)，可以確保邏輯高電平輸出。為了抑制瞬態(tài)干擾（如雷電、靜電放電、電源系統(tǒng)開關(guān)干擾等），電路采用旁路保護(hù)法，即在電路的A、B端，連接瞬態(tài)抑制二極管。電路如圖4所示。其中電阻120 Ω是作為阻抗匹配使用的，如果傳輸線距離短可以不接。

2.2CPU模塊設(shè)計(jì)

CPU模塊通過兩個(gè)異步串行通信模塊分別與RS-485模塊、ZigBee模塊相連，實(shí)現(xiàn)通信，即通過該模塊實(shí)現(xiàn)有線傳輸方式與無線傳輸方式的轉(zhuǎn)變。該模塊采用PIC18LF23K22，它是采用XLP的超低功耗管理單片機(jī)，適合于水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)長(zhǎng)期運(yùn)行。它的外設(shè)特點(diǎn)主要有：兩個(gè)增強(qiáng)型通用同步∕異步收發(fā)器模塊，支持RS-485、RS-232和LIN；使用內(nèi)部振蕩器的RS-232工作；接收到間隔字符時(shí)自動(dòng)喚醒、自動(dòng)波特率檢測(cè)。電路圖如圖5所示。

圖4　RS-485模塊電路圖Fig.4 Circuit of RS-485 module

圖5　CPU模塊電路圖Fig.5 Circuit of CPU module

2.3ZigBee無線通信模塊

無線通信模塊通過UART輸入輸出端與單片機(jī)的異步串行通信模塊1相連，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。該模塊采用XBEE-PRO OEM RF無線射頻模塊，它的設(shè)計(jì)以ZigBee協(xié)議運(yùn)作，支持低成本的獨(dú)特需求，低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工程。其在室外傳輸距離達(dá)到1 500 m，發(fā)射功率50 mW，接收器靈敏度為-100 dBm，RF數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到250 kb∕s，工作電壓為2.8～3.4 V。其電路圖如圖6所示。

圖6　ZigBee模塊電路圖Fig.6 Circuit of ZigBee module

2.4輔助電源模塊

輔助電源模塊主要是給各個(gè)模塊供電。系統(tǒng)工作于野外，同時(shí)也避免各終端之間的有線連接，因此各終端的電源采用3 W∕15 V小功率太陽(yáng)能電池板和小容量12 V∕4 Ah蓄電池為各模塊供電。工作電路中的各個(gè)芯片的工作電壓都為3.3 V，而外接電源采用12 V的蓄電池，因此需要把12 V電壓變換為3.3 V電壓。系統(tǒng)中的輔助電源模塊采用LM2597-3.3降壓BUCK變換芯片，該芯片把12 V電壓變換為3.3V輸出，外部元件數(shù)量少，使用簡(jiǎn)單。其電路圖如圖7所示。續(xù)流二極管D5，承受最大電壓為輸入電壓12 V，而且給各個(gè)芯片供電，其功率比較小，也就意味著流經(jīng)二極管的電流較小，本次設(shè)計(jì)采用1N5817（正向平均電流為1 A，反向電壓20 V）。由電路可知，當(dāng)BUCK電路失效時(shí)，此時(shí)D1二極管因承受正向電壓而導(dǎo)通，代替BUCK電路給各個(gè)芯片供電，實(shí)現(xiàn)UPS，提高電路工作的可靠性。D2二極管的作用主要是為了防止電池接通時(shí)電流反灌到LM2597芯片中，ZD3、ZD4的作用是為了防雷。

圖7　輔助電源模塊電路圖Fig.7 Circuit of auxiliary power supply module

3　軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)通過無線（ZigBee組網(wǎng)）與RTU組成站點(diǎn)采集數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。傳感器數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳輸，在協(xié)調(diào)器部分轉(zhuǎn)換為485形式與RTU通訊，RTU在預(yù)訂時(shí)刻通過ZigBee無線傳輸發(fā)送命令給傳感器，啟動(dòng)采集并返回?cái)?shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器部分與終端設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、有線與無線的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的校驗(yàn)。該系統(tǒng)軟件部分包括CPU程序設(shè)計(jì)和XBEE-PRO無線模塊配置。

3.1CPU程序設(shè)計(jì)

CPU模塊主要是與485模塊和ZigBee模塊通信。RS-485通信屬于半雙工通信，需要設(shè)置發(fā)送接收使能位。在初始狀態(tài)下設(shè)置為接收狀態(tài)，只有當(dāng)無線模塊接收到數(shù)據(jù)時(shí)才設(shè)置為發(fā)送狀態(tài)。單片機(jī)通過兩個(gè)異步串行端口與485模塊和ZigBee模塊通信，在程序中，通過異步串行中斷，讀出數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到對(duì)應(yīng)的模塊。其中斷程序的流程圖如圖8所示。而主程序需要往復(fù)判斷是選擇串口1通信還是選擇串口2通信，并校驗(yàn)數(shù)據(jù)。在終端設(shè)備上，校驗(yàn)來自RTU的命令，若命令有誤，不發(fā)送數(shù)據(jù)。在協(xié)調(diào)器部分，先判斷有無收到來自傳感器響應(yīng)的數(shù)據(jù)，若沒收到數(shù)據(jù)，則重新發(fā)送命令。若有接收到數(shù)據(jù)則對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)有誤，重新發(fā)送命令，校驗(yàn)無誤發(fā)送數(shù)據(jù)到RTU。其主程序流程圖分別如圖9和圖10。

圖8　中斷程序流程圖Fig.8 Flow chart of interrupt program

3.2XBEE-PRO無線模塊配置

XBEE-PRO無線模塊的配置主要是利用XCTU軟件來進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置包括端口參數(shù)設(shè)置和節(jié)點(diǎn)設(shè)置，端口設(shè)置包括波特率、端口號(hào)、校驗(yàn)位等設(shè)定。節(jié)點(diǎn)設(shè)置是對(duì)節(jié)點(diǎn)名稱、位置信息的初始設(shè)定，便于實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)搜索，節(jié)點(diǎn)相關(guān)信息通過配置文件進(jìn)行保存和讀寫。協(xié)調(diào)器首先對(duì)由SC（掃描信道）參數(shù)規(guī)定的所有信道進(jìn)行能量掃描，每個(gè)信道掃描時(shí)間由SD（掃描持續(xù)時(shí)間）參數(shù)確定，掃描的信息用于選擇未使用的信道，協(xié)調(diào)器將使用其ID參數(shù)設(shè)定的PAN ID，同一個(gè)PAN ID的編號(hào)之間的XBEE-PRO才能相互看到,也就是實(shí)現(xiàn)分群的功能。

圖9　終端設(shè)備主程序流程圖Fig.9 Flow chart of main program in terminal equipment

4　結(jié)語

基于ZigBee技術(shù)的無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，解決了基于485總線的監(jiān)控系統(tǒng)在雷電瞬變引起的多個(gè)485收發(fā)器損壞問題，提高了系統(tǒng)構(gòu)成的可靠性，同時(shí)為分散點(diǎn)和移動(dòng)點(diǎn)的測(cè)控系統(tǒng)布線困難提供了解決途徑。設(shè)計(jì)完成的無線傳輸系統(tǒng)已應(yīng)用于某大型水庫(kù)安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試與分析，本次設(shè)計(jì)很好地完成了預(yù)計(jì)的要求，并能夠準(zhǔn)確穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

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作者郵箱：1059085549@qq.com

Title:Online safety monitoring system for embankment dams based on ZigBee technology

by HUANG Qi-sheng,LIN Hong,WU Ke,LIN Yu-hang,HUANG Long,CHEN Xiang-tuan and MAO Xing-kui∕∕College of Electrical Engineering and Automation,Fuzhou University

Safety monitoring plays an important role in reservoir operation and management.For the ex?isting systems,data collection is usually carried out by wired transmission mode with serial RS-485 which faces problems such as wiring difficulties,long construction period,high cost,vulnerable to light?ning,and so on.This paper puts forward an online safety monitoring system for embankment dams based on ZigBee wireless communication technology which has realized the electrical isolation between the var?ious monitoring points and monitoring center.As well,it is of the benefits including high security and re?liability,easy construction,simple wiring,low cost and et al.The commissioning and operation has proved that the system is stable and reliable,and the goals of design and requirements are met.

ZigBee;RS-485;reservoir safety monitoring system

TV698.1

B

1671-1092（2016）04-0035-05

2016-01-08

福建省水利廳科技項(xiàng)目（編號(hào)：2130399）

黃起升（1992-），男，福建三明人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。