基于分層分布式智能傳感器網絡的水電站結構監測系統

鄭 麗

(貴州新中水工程有限公司，貴州 貴陽 550000)

1 基于智能傳感器的監控體系

本文提出了一種基于智能傳感器的分布式結構的水電站監測系統，該系統采用分層傳感器網絡結構。

該架構為監測工作中遇到問題提供了相應解決方案，如：(1)靈活性和可擴展性，而不是現有的不靈活的集中監控系統。(2)與其他系統(如警報系統)無縫集成。(3)通過高級監控提供更好的預測，改進風險管理。(4)現有監測結構升級和集成的有效方法。(5)與決策支持系統連接的綜合信號、警告和報警設施。

這種新的分布式解決方案利用了傳感器網絡及電子設備，價格與優質銅纜價格相比有所下降。新的分布式傳感器網絡的實現將提高水電站結構監測系統的可靠性，在洪水和地震期間繼續監測建筑物。另一方面，在這些特殊事件期間，通信和能源供應中斷和故障的可能性增加。智能傳感器網絡具有靈活性和有限的自主權，可以解決部分系統設備所造成的損壞，保證監控的連續性[1]。

由于采用了新的傳感器網絡，將傳感器連接到測量儀器的模擬信號電纜的長度將大大縮短。這樣不僅降低了布線成本，而且降低了電氣噪聲，提高了數據測量精度。較短的信號電纜也意味著減少了由雷電過電壓引起的高壓擾動，提高了系統的可靠性。

為了實現新的基于智能傳感器的水電站結構監測系統，必須實現以下功能：(1)一系列網絡接口模塊(MOTE)的設計和開發，具有模擬/數字前端，用于各種已調試的特定傳感器。(2)一組智能傳感器的設計和實現，用于位移、傾角和土壤濕度等參數的監測任務。(3)定義測量和配置結構以及相關的數據庫接口。(4)用于配置傳感器網絡、從傳感器獲取、可視化和存檔數據的軟件應用程序的實現。

2 網絡節點

水電工程結構監測傳感器系統具有傳感器種類繁多(數百個)的特點。只有通過多級、分層的網絡組織和每一級的標準化接口，才能保證測量數據的有效傳輸。因此，在分層網絡中需要幾個通信模塊：有線和無線集線器、路由器和網關[2-3]。

2.1 配備模擬/數字前端的網絡接口模塊，用于各種已調試的傳感器

接口模塊的軟件應在每個級別提供，不僅是數據流量控制，而且還應提供配置和診斷設施。

根據具體測量類型，必須配備的傳感器節點包括：(1)水電結構專用傳感器的模擬/數字前端。(2)嵌入式微型計算機(基于微控制器)。(3)用于聯網的收發器。(4)電源/電池管理單元。傳感器根據感測到的物理效應和現象產生電信號。微控制器根據特定算法(線性化、濾波、平均等)處理電信號，并存儲輸出值。傳感器節點應具有連接到電力公用網絡的電源，或者具有用于部分自治的電池。

新的網絡接口模塊系列應具有四個可選通信接口：(1)短程低功耗無線接口。(2)無線中程接口。(3)低速長距離有線接口。(4)高速中距離有線接口。整個網絡接口模塊系列將基于節能低功耗微控制器(確保一年或兩年的電池壽命)。

由于一些監測巖土工程儀器(傳感器)安裝遠離水電站結構周圍區域，無線“塵埃”必須與無線電收發器連接，無線電收發器能夠在露天條件下(視線)至少2 km范圍內可通信。由于水電站有時位于沒有GSM/GPRS覆蓋的地方，因此無線電收發器將獨立于GSM/GPRS服務。必須特別注意設備的堅固和緊湊的機械設計，以確保高可靠性和防止惡劣環境和破壞。

2.2 智能有線和無線傳感器

針對位移、傾角和土壤濕度的監測任務，研制了一組智能有線和無線傳感器。有線傳感器通過RS485接口連接，而無線傳感器將通過其連接的收發器連接到適當的無線集線器。

3 相關軟件平臺

傳感器網絡的開發、測試、部署、管理和配置必須由相關的軟件平臺支持。軟件應用應便于創建和編輯網絡節點的配置、傳感器網絡的配置、傳感器校準參數的管理以及從傳感器網絡獲取數據，測量數據的實時可視化或存檔數據的可視化。這些應用程序將提供一個智能傳感器系統的抽象視圖和一個物理布局視圖以及一個分層的網絡拓撲表示機制。將通過圖形界面提供測量點(傳感器位置)的簡單位置和參考，以便在水電站結構平面圖上顯示位置。

為度量和配置結構選擇了基于XML的表示。這種表示能夠將測量的空間和時間屬性關聯起來，并且能夠處理現場使用的傳感器的數量和類型的動態變化。新的軟件平臺除了提供經典的數據采集功能外，還應提供適合于戰略結構的專門監控功能：行為預測、診斷支持、決策支持和遠程警報功能，基于水工結構靜動力特性的數學模型。

4 試驗結果

一些PC軟件應用程序在C++中實現，在一個環境(QT)中，允許跨平臺數據傳輸和在不同操作系統上的可移植性，以便更好地集成和與其他應用/系統進行互操作。這些應用程序允許數據收集、存檔和可視化。

應用程序開發了一系列低功耗無線節點。他們可以模擬前端和串行輸出模數轉換器與數字傳感器(I2C、SPI等)或模擬傳感器接口。基于N∶1網絡協議實現了一個無線集線器，使得多個傳感器節點可以連接到該集線器。

集線器考慮了兩種實現方式：一種基于8位微控制器和USB接口，用于測試和診斷，另一種基于NXP Cortex M3處理器。

根據Modbus協議，開發了一種基于RS-485串行總線的傳感器模塊通信的有線多點網絡。Cortex M3處理器運行網關軟件，可以配置傳感器并收集其測量數據。除此之外，網關還可以充當數據記錄器，通過以太網端口TCP/IP將本地測量存儲在USB閃存上。網關還提供了網絡地址轉換機制，使得分組在多個(子)網絡中的傳感器可以分層集成。

進一步的實驗利用遠程連接鏈路進行，該鏈路允許在數公里范圍內進行無線傳輸。使用基于泛素網絡Inner Feed技術的兩個納米橋M2設備建立PPT鏈路，將整個無線電系統集成到天線的接收器中。

5 結 論

所提出的水電站結構監測系統的實現所需的模塊和接口范圍已部分實現，并通過多個軟件應用程序進行了測試，這些應用程序允許對有線/無線節點進行配置、管理和自動數據采集。計劃進一步設計適當的數據庫架構及其相關應用程序，以方便與決策支持系統連接的綜合信令、警告和警報。