基于ZigBee的航標(biāo)遙測終端在廣東省航道橋梁上的應(yīng)用

楊萬鴻

摘 要：本文介紹了ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)橋涵橋柱遙測的新型終端在廣東省I級航橋梁助航標(biāo)志的應(yīng)用，該終端由中心主機(jī)和測量盒兩部分組成。它的硬件電路采用stm32L151微處理器、ZigBee模塊和GSM模塊搭建，利用ZigBee傳輸技術(shù)將各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)上的航標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一收集、處理、分析并通過GPRS/SMS將數(shù)據(jù)上報(bào)到服務(wù)器上。測量盒安裝在橋柱標(biāo)、橋涵標(biāo)上，采用穩(wěn)定可靠無線Zigbee傳輸、組網(wǎng)技術(shù)將相對分散的橋柱標(biāo)、橋涵標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)集中上報(bào)到中心主機(jī)，一個(gè)中心主機(jī)可接入多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，從而有效地實(shí)現(xiàn)了對橋涵橋柱燈的遙測遙控。

關(guān)鍵詞：ZigBee 遙控遙測 航標(biāo)監(jiān)測平臺

1.引言

隨著廣東省水運(yùn)和航道事業(yè)的發(fā)展，航道運(yùn)輸船舶日益增多、船舶噸位越來越大。隨之而來的船舶安全問題也是日漸嚴(yán)峻。特別是架設(shè)在江河上的橋梁，既要考慮車輛通行，又要考慮船舶通航，給航道管理部門帶來了很大的困難，在夜晚及陰雨天能見度低的情況下，更是降低了船舶通航安全系數(shù)，傳統(tǒng)的航標(biāo)維護(hù)方式已不能滿足航道發(fā)展的需要，因此，新使用新的技術(shù)和手段來開發(fā)橋涵橋柱航標(biāo)遙測終端是相當(dāng)必要的。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)可通過自組網(wǎng)形式把采集的橋涵、橋柱標(biāo)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)傳輸給中心主機(jī)。而橋梁航標(biāo)所采集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，所需帶寬足夠。因此其低帶寬、低功耗、體積小、安全等特點(diǎn)，非常適合用于橋涵橋柱燈監(jiān)測使用，從而有效地實(shí)現(xiàn)了對橋涵橋柱燈的遙測遙控。

2.由ZigBee技術(shù)遙測終端的硬件組成

2.1遙測終端硬件組成

在實(shí)際測試中ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)在300米范圍信好非常穩(wěn)定，同時(shí)可無限擴(kuò)展，并且可以很容易的建立基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議上面。本次橋梁上使用的ZigBee模塊型號是CC2530，具有短、中、長距離的無限ZigBee網(wǎng)絡(luò)低功耗。模塊工作在2.4GHz的ISM頻段。因此在跨度為300米范圍內(nèi)的橋梁都采用此方案。

本施工項(xiàng)目中每座橋梁上下游各用1個(gè)中心主機(jī)和多個(gè)測量盒，為便于其穩(wěn)定性上下游中心機(jī)各自獨(dú)立與各自所處在一個(gè)平面的測量盒組網(wǎng)。橋涵橋柱中心主機(jī)適用于各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)接收、處理、分析并通過GPRS/SMS通訊方式將數(shù)據(jù)上報(bào)到服務(wù)器上。橋涵橋柱測量盒，用于檢測橋柱上的航標(biāo)燈在夜晚是否正常發(fā)光，并將監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)上報(bào)到中心主機(jī)，其中心主機(jī)和測量盒硬件結(jié)構(gòu)圖（如圖一）

2.2遙測終端電源

新型ZigBee無線連接技術(shù)的橋涵橋柱中心主機(jī)使用4V/100AH的免維護(hù)鉛酸蓄電池，為確保中心主機(jī)在通訊時(shí)需有穩(wěn)定的3.3V與5.0V工作電壓，在工作電壓部分采用了升、降穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換電路。（如圖二）。

升壓電源模塊（如圖三）：采用AMC3202升壓芯片，將蓄電池電壓升高到5.6V。

升壓芯片工作電壓范圍在2.7V～30V，通過調(diào)整反饋電阻阻值（RB18，RB19）來調(diào)節(jié)升壓電路的數(shù)據(jù)電壓。當(dāng)AMC3202的輸入電壓比輸出電壓高時(shí)，此芯片自動停止工作，輸入電壓通過電感，二極管直接連接至輸出。

降壓電源模塊（如圖四）：給GSM模塊供電的LDO降壓電源采用SPX29302T5，其輸出電壓可調(diào)，通過反饋電阻R88，R89進(jìn)行調(diào)整其輸出電壓。由于GSM模塊的瞬間發(fā)送電流需要2A，但是持續(xù)時(shí)間不長，在它的電源輸入腳放置470uf鉭電容進(jìn)行儲能，使其輸入端的電壓不至于跌落太多；放置47pf與20pf陶瓷電容進(jìn)行高頻退耦，改善其電源的完成性能。

2.3遙測終端功耗及環(huán)境

在通過實(shí)驗(yàn)環(huán)境測試以及現(xiàn)場監(jiān)測，在工作電壓為4V采集通訊主機(jī)模塊與外設(shè)功耗約為30mA，ZigBee模塊功耗約為30MA，GSM模塊部分功耗約為15mA，其綜合平均功耗約為72 mA。工作電壓：3.3V～6V，環(huán)境溫度：-20℃～65℃，環(huán)境濕度：0～95%RH，無冷凝。

3.現(xiàn)場安裝與調(diào)試3.1現(xiàn)場安裝示意圖

廣東省I級航采用ZigBee無線連接技術(shù)的橋涵橋柱航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)，包括：岸基監(jiān)控模塊、采集通訊主機(jī)模塊、多個(gè)航標(biāo)終端、數(shù)據(jù)采集模塊。岸基監(jiān)控模塊與采集通訊主機(jī)模塊通過無線通信方式連接，通過GPRS/SMS通訊方式將數(shù)據(jù)上報(bào)；主機(jī)通過無線ZigBee與從機(jī)模塊連接；橋涵橋柱的終端從機(jī)模塊之間通過無線對接的方式對航標(biāo)的工作狀態(tài)信息進(jìn)行采集。從而實(shí)現(xiàn)的橋柱橋涵RTU直接監(jiān)測橋柱橋涵所有燈信息，并遠(yuǎn)程傳輸?shù)墓δ?。在跨度介?00米間的橋梁采用了，一主三從的安裝方式（如圖五），單孔雙向通行只需要2張通訊卡就可實(shí)現(xiàn)橋涵橋柱航標(biāo)燈信息采集，從而實(shí)現(xiàn)了高效、精準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)的遙測遙控監(jiān)控功能。

3.2不同橋柱燈相關(guān)配置

基于各中心主機(jī)、測量盒、太陽能板有效充電、航標(biāo)燈及橋梁所處位置、天氣狀況等綜合因素，經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及現(xiàn)場檢測，廣東省I級航道橋梁太能板、蓄電池配置參數(shù)表一：

4.調(diào)試結(jié)果與結(jié)論

目前西江局及東莞局加裝了采用ZigBee無線傳輸技術(shù)橋涵橋柱遙測終端，在運(yùn)行過程中均能正確、穩(wěn)定、有效監(jiān)測橋涵橋柱燈燈質(zhì)異常、蓄電池電壓電流異常、太陽能板充電異常。并能通過GPRS/SMS通訊方式將數(shù)據(jù)上報(bào)，同時(shí)在遙測監(jiān)控系統(tǒng)中可在線實(shí)時(shí)發(fā)送指令對終端進(jìn)行設(shè)置（如圖五），實(shí)現(xiàn)了橋涵橋柱燈遠(yuǎn)程遙控監(jiān)測，并且運(yùn)行穩(wěn)定。由此可見，采用ZigBee無線連接技術(shù)的橋涵橋柱航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)可以方便的實(shí)現(xiàn)橋梁橋柱航標(biāo)遙測終端功能，其GPRS/SMS雙模通信，可確保數(shù)據(jù)多途徑、多方式上傳監(jiān)測系統(tǒng)，同時(shí)每座橋梁只需要用2張通訊卡便可實(shí)現(xiàn)整座橋梁采集信號上報(bào)，降低了后期維護(hù)成本，因此ZigBee無線連接技術(shù)的橋涵橋柱航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)可在廣東省內(nèi)河I級航道全面實(shí)施。

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