水庫大壩安全監測系統中無線傳感網的應用

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摘 要：近幾年來，對無線傳感網絡的研究不斷增加。由于無線傳感網絡具有安裝、拆除方便，容錯性小，準確率高等優點，在各類安全監測系統中都得到了廣泛的運用。基于此，本文對水庫大壩安全監測系統中無線傳感網的應用進行探討。

關鍵詞：水庫大壩 安全監測系統 無線傳感網

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#排沙洞和發電洞）布置大壩的左岸，1#排沙洞680m，2#排沙洞660m，發電洞540m。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、復廠房、和主機，總建設長度為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.大壩的實時監測系統

對各監測點水庫的水位、水壓、滲流、流量、揚壓力等進行實時監測時大壩實時監測的主要任務，數據傳輸是用過無線傳感網絡實現的，數據模式或圖形模式在計算機被呈現出來，對水庫大壩的各項變化情況進行實時掌控，聲光報警可以應用于特殊額數據。

（1）全天候遠程自動監測可以通過大壩安全監測系統實現，監測的數據可以被自動采集并且放入到相關數據庫中。但是人工觀測條件是監測系統必須具備的。

（2）監測點的數據變化可以被大壩遠程監測系統完整的記錄下來，無線傳感網絡將信息實時傳輸到數據路由器中，數據中心服務器獲得信息主要是通過 GSM、GPRS、CDMA等技術實現，利用Internet的功能數據中心服務器將數據傳輸到需要這些信息的部門（這些部門必須是包含于覆蓋范圍）。

3.大壩安全監測系統的組成部分

（1）網絡數據路由器。如果觀測點距離 GPRS 的傳輸設備比較遠，此路由器的功能就是中轉各個觀測點間的數據。

（2）觀測點監測終端。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 標準，這些無線水庫的耗能必須低。

（3）無線數據轉換器。也稱為無線網絡管理器，通信主要是由計算機向GPRS傳輸模塊主動傳輸。

（4）GPRS傳輸設備。各個采集點的數據向無線網絡管理器的傳輸是由GPRS 技術實現的。

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

分層分布開放式結構是大壩安全監測數據采集系統的特點，分散集中控制方式是該系統的運行方式，上位機巡測、存儲數據依據設定的時間監測各個終端。無線網絡將采集的數據傳輸給GPRS 設備，GPRS 設備再將相關數據傳送給數據中心服務器，實時采集命令或修改定時采集時間是由數據中心服務器通過無線網絡管理和GPRS 設備向監測終端發送的。

4.大壩安全監測的現狀分析

以壩監測發展的相關歷程為依據進行分析，可以總結出：世界各國進行自動化監測的方法有數據管理自動化、管理自動化和全自動化三種。我國于20世紀70年代開始研究大壩安全監測工作，80年代取得了很大成果，20世紀90年代中期是我國監測自動化技術的成熟階段，大壩監測的實時性、穩定性、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利用無線傳感器網絡進行監測的案例，現階段我國采取的是有線監測與控制處理中心相連接的方式，數據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據量的影響，在運行過程中會出現各種問題，有線連接一方面影響了傳感器是否可以方便攜帶的功能，還對數據的準確性產生一定的影響。傳感器利用導線獨立完成數據監視、采集和控制連接的工作，此方法可以應用于很多重要的較大領域，臨時性是其連接的特點，完成實驗后需要盡快拆卸或重構。

5.無線傳感網絡應用于大壩安全監測中

5 . 1硬軟件的相關設計

5.1.1硬件的相關設計

進行硬件設計時必須要進行標準化設計，換句話說就是保證所有的設計與國際或國家水利行業的標準保持一致。

（1）MC13213系列微控制器被應用于無線傳感器網絡的硬件平臺，為了保證數據的精確度，需要將智能數據采集器 A/D轉換到 16 位；各種傳感可以同時連接在系統中。

（2）無線 2.4GHz ISM 頻段和IEE802.15.4/Zigbee分別是系統通信和通信協議采用的標準。

（3）低耗能設計是無線水位傳感器必須采用，供電使用的是兩節可工作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，在水電現場及野外的工作能力是極強的。

（5）防雷電、抗雷擊是設計系統具備的能力，但是因為無線大壩安全監測系統的設備并不是與其他設備聯系在一起的，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，因此如果某一設備出現了故障，不會影響整個系統，此外，系統還具有自檢測故障功能的獨有功能。

5.1.2設計軟件功能

（1）數據被自動采集并被傳輸，水庫大壩監測點的各項采集數據被實時展現，采集頻率可以根據實際情況進行設定。endprint