基于無線傳感器網絡的大壩安全監測系統的研究

李艷華，岐世峰

（1.黃河科技學院信息工程學院，鄭州 450000；2.攀枝花學院數學與計算機學院，攀枝花 617000）

基于無線傳感器網絡的大壩安全監測系統的研究

李艷華1，岐世峰2

（1.黃河科技學院信息工程學院，鄭州 450000；2.攀枝花學院數學與計算機學院，攀枝花 617000）

利用各種傳感器取得水位、滲流、滲壓及大壩變形數據，然后通過路由及網關節點傳到上位機，對信息進行分析處理，判斷大壩的安全情況，并幫助工作人員作出正確大壩安全防護措施。此系統具有低功耗、能實現檢測數據的無線傳輸等特點，適于大范圍推廣，這對我國大壩安全監測工作有著重大意義。

大壩安全監測；水位傳感器；無線傳輸

0 引言

我國地域廣闊，河流眾多，現有數以萬計的河堤大壩，保護著人民的人身安全及財產安全。按照我國相關的技術規范及設計規范的要求，河堤、水庫大壩均需要進行安全監測。我國大部分水庫大壩由于各種原因都還處于人工監測狀態；目前安裝了的大壩安全監測系統則技術相對比較落后，大多都是有線分布式系統，但由于我國地貌比較復雜，監測點所處的地理位置比較分散，使得監測系統存在著干擾多、易損壞、造價高、安裝及維護困難等諸多缺點；而一部分水庫大壩也安裝了無線系統，但也存在因為技術所限導致的系統功耗太高或者采集數據不準確等缺點[1]。

本文所研究的監測系統采用全無線的方式構造，每一個節點均采用電池供電，顯著的降低了系統的安裝復雜度，經過優化設計的低功耗工作模式，使得節點的平均電池更換周期為5年，后期的維護工作量也大為減少。系統現場安裝使用幾年來，運行正常，經過測量，符合設計標準。

1 系統總體方案

由于水庫的大壩通常長達至千米，假設沿大壩方向平均分布4列測壓管，每列有3個采樣點，每個采樣點有3種處于不同深度的測壓管，所以總計有36個測壓管。所以根據其分布狀況，同時考慮系統的擴展性，則系統的整體結構如圖1所示。

圖1 系統的網絡拓撲結構圖

如圖1所示，整個網絡分為兩層，即由所有簇頭節點所組成的網絡以及數據采集傳感器與簇頭節點組成的網絡[2,9]。每個簇頭節點相當于一個路由器，在網絡中分布密度較低，傳輸距離較遠，分布呈鏈狀，構成了樹狀網。而傳感器節點則根據地理位置選擇不同的簇頭節點進行短距離傳輸，呈星型環繞于簇頭節點的周圍，構成了星型網。這種樹狀網和星型網相結合的連接方式有效地擴展了網絡的傳輸范圍及增強了無線傳輸信號的強度[3]。當監測區域較小，節點的通信半徑能完全覆蓋時，網絡結構則可以簡化為兩級的星型網絡。網絡中的管理節點主要負責通過GPRS或Internet信號將無線傳感器網內傳輸過來的數據進行格式轉換傳輸給上位機，或將上位機發布的采集任務轉發給無線傳感器網內，起到網關的作用[2]。

在系統中，設計有兩種網關，分別是傳感器網到USB轉換的網關和傳感器網到GPRS網絡轉換的網關，分別適用于近距離和超遠程距離的數據傳輸。

簇頭節點的作用有兩個：管理簇內傳感器節點和對主干網的數據進行路由轉發。對簇內傳感器節點的管理主要包括節點時鐘同步、發布采集命令、接收采集數據和數據融合等工作。

每個傳感器節點連接一個測壓水位傳感器，負責采集水位信息[4]。

由于系統在安裝完后一般不會有太大的變化，各個節點的位置相對固定，網絡結構基本保持不變，依據這一特性，設計相應的網絡協議，在大幅提高傳輸效率的同時，還具有一定的擴展性。

2 系統節點設計

根據無線傳感器網絡的特點及大壩監測系統的一些特殊要求，做到節點設計盡量符合以下指標：超低功耗、防潮性能好、低成本、安全可靠、通信能力強、計算能力強等。

2.1 水位傳感器電路設計

為了避免模擬信號在遠距離傳輸時引入的干擾，采用前端數字化方式設計水位傳感器電路，具體電路框圖如圖2所示。

圖中的主控MCU采用的是Microchip公司PIC16系列的單片機16F690芯片，內部集成10位AD轉換器和I2C總線控制器；而高精度A/D轉換芯片則采用了ADS1110芯片，ADS1110是AD公司推出的單路差分信號16位AD轉換芯片，內部集成振蕩器、內部基準源和可編程增益放大器，只需簡單連接就能采集差分信號；電源激勵模塊則采用了芯片TC1240和TLV2211組成，二者組成恒流源給傳感器供電；電路中另外加入了一個熱敏電阻，接到單片機AD輸入端用于采集溫度信息，對傳感器的測量結果進行溫度補償，以免傳感器在工作時受溫度影響導致測量數據不準確的現象發生，提高測量精度[5]。

圖2 水位傳感器電路框圖

電路中的壓力傳感器則采用的是差壓式橋式壓力傳感器[6，8]。

2.2 簇頭節點設計

簇頭節點的信號框圖如圖3所示。

圖3 簇頭節點的信號框圖

圖中的主控MCU采用的是Silicon Labs公司的低功耗、可靠性高的Si1000芯片，它的內部集成了單片機和無線射頻收發模塊，它即可以分析處理和存儲數據，又可以連接RF射頻天線實現與管理節點的無線射頻通信。

射頻電子開關采用的是UPG2214芯片，UPG2214是一個天線開關，它的的兩個引腳分別連接接收回路、發射回路。UPG2214還有兩個輸入控制邏輯，連接主控MCU芯片Si1000的兩個GPIO管腳。Si1000的GPIO管腳輸出不同的電平給UPG2214的兩個控制邏輯，進而控制連接在UPG2214上的一個RF射頻天線完成不同方向的數據發送與接收，從而節省傳感器節點的體積。

射頻信號接收電路跨接Si1000的兩個差分輸入端RXP和RXN。在兩個引腳間輸入一個相位差為的差分信號。接收回路可以給Si1000提供一個相位差近似為180度的信號。

在Si1000的射頻供電部分，利用濾波電容，降低電源的紋波。

另外，電路中利用30MHz晶振用于給射頻部分提供基準頻率，利用32.768KHz晶振用于給芯片內的RTC（實時時鐘）提供基準頻率。

2.3 管理節點電路設計

本系統中的管理節點是一個GPRS網關電路，它是在簇頭電路的基礎上增加了一個GPRS模塊SIM900A，Si1000與模塊間通過UART標準接口進行通信，如圖4所示。

圖4 GPRS電路框圖

管理節點與計算機之間采用USB接口進行數據傳輸和電能供應。而Si1000只支持UART通信，因此設計中采用了微芯公司的PIC18F14K50作為數據轉換中介。經過PIC18F14K50的協議轉換，形成了UART串口與Si1000連接。14K50可以由USB直接供電工作。

3 系統軟件設計

本系統軟件主要用于控制和管理無線傳感器網絡。系統利用各個傳感器去采集水庫大壩的滲流、滲壓、水位、溫度等數據信息。然后通過無線信號將這些實時數據傳輸給計算機，管理軟件將數據分析處理以后以圖表的形式顯示出來，以方便水庫管理人員隨時了解水庫大壩的安全信息。并且當水庫大壩有安全威脅時，傳感器采集到的數據會超出計算機上提前設置的預警值，那么通過分析處理后由管理軟件自動發出警報，以便水庫管理人員及時采取措施排除安全隱患[7,10]。系統的控制流程圖如圖5所示。

圖5 系統軟件流程圖

4 結語

在大壩安全監測方面，傳感器技術的應用愈來愈多。本文所設計的大壩安全監測系統，具有安裝及后期維護簡單、成本低廉、測量精度高、性能穩定，功耗較低等特點，適于大規模生產應用。通過長時間的使用，使得水庫的工作人員能夠很好地完成對整個水庫大壩安全的自動監控及管理，大大提高了工作效率，具有較好的市場推廣性和應用性。

[1]繆新穎.基于無線傳感器網絡的大壩安全監測系統研究[D].大連理工大學，2014.

[2]吳學文，彭光路，查理敏.基于ZigBee的無線傳感器網絡在大壩安全監測中的應用[J].水電自動化與大壩監測，2008(6)：52-56.

[3]劉鐵流.基于無線傳感器網絡的智能糧倉監測系統設計[J].金陵科技學院學報，2010(4)：12-17.

[4]黃梨華，張紓松.煤礦分布式突水監測系統設計[J].釀酒科技，2011(11)：70-71.

[5]郭懷天.基于電阻應變式稱重傳感器的電子天平的研制[D].吉林大學，2007.

[6]周丹.無線傳感網絡在大壩安全監測中的應用研究[D].武漢理工大學，2008.

[7]李國斌，常春波.基于無線傳感網的水庫大壩安全監測系統[J].中國防汛抗旱，2014(1)：84-85.

[8]郭懷天.基于電阻應變式稱重傳感器的電子天平的研制[D].吉林大學，2007.

[9]楊瑩,周曉旭,郭曉澎,等.基于WiFi的分布式無線數據采集系統[J].電子測量技術，2016,39(11)：122-125.

[10]周干武,酈能惠,何寧.基于物聯網技術的土石壩安全監測自動化系統研究[J].巖土工程學報，2014(12)：2330-2334.

Research on Dam Safety Monitoring System Based on Wireless Sensor Network

LI Yan-hua1，QI Shi-feng2
（1.College of Information Engineering,Huanghe S&T College Zhengzhou 450000；2.School of Mathematics and Computer Science,Panzhihua University,Panzhihua 617000）

Obtains the water level,seepage,seepage pressure and dam deformation data by using various sensors,then which is transmitted to the host computer using routing and gateway nodes,after analyzing and dealing with the information,judge the safety condition of the dam,and help the staff to make the correct dam safety protection measures.This system has the characteristics of low power,wireless transmission of monitoring data and so on.It is suitable for large-scale promotion,and it has great significance on the China's dam safety monitoring.

Dam Safety Monitoring;Water Level Sensor;Wireless Transmission

鄭州市科技局項目基金資助（No.zzlg201608）

1007-1423（2017）31-0071-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.31.018

李艷華（1980-），女，河南扶溝人，碩士，講師，研究方向為無線傳感網絡通信、嵌入式系統，Email：liyanhua5566@163.com

岐世峰（1964-），男，山西臨猗人，學士，教授，研究方向為無線傳感網絡通信、人工智能

2017-09-05 < class="emphasis_bold">修稿日期：2

2017-10-21