黃起升，林　紅，吳　科，林宇航，黃　隆，陳香湍，毛行奎

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

基于ZigBee技術的土石壩水庫安全在線監(jiān)測系統(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.福州大學電氣工程與自動化學院，福建福州，350108；2.福建省水利管理中心，福建福州，350001；）

安全監(jiān)測在水庫運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)絡存在布線困難、施工周期長、成本高和易受自然雷擊放電影響等缺點。筆者提出了一種基于ZigBee無線通信技術的土石壩水庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)，它實現(xiàn)了各監(jiān)測點與監(jiān)控中心的電氣隔離，具有安全性和可靠性高、施工方便、布線簡單、成本低等優(yōu)點。該系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試及運行后，運行穩(wěn)定、可靠，達到了預期的設計目的和要求。

ZigBee；RS-485；水庫安全監(jiān)測系統(tǒng)

0　引言

水庫具有防洪、灌溉、供水、發(fā)電等作用，水庫的安全與人民生命財產(chǎn)安全息息相關，因此，對水庫的安全在線監(jiān)測至關重要。水庫安全監(jiān)測信息包括水位、雨量、流速、滲流、水質(zhì)、風速、濕度、溫度、氣壓、浸潤線等多種參數(shù)。不同的水壩對監(jiān)測信息的要求不同，所需測量的信息參數(shù)也不同。從解放后至今，國內(nèi)已建成的八萬多座水壩中，土石壩約占90%左右。對土石壩壩體而言，滲透破壞是常見病害,設計一套可靠的監(jiān)測系統(tǒng)是保證水庫安全的必備措施。土石壩浸潤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的滲透坡降較陡時，壩坡就會發(fā)生流土、管涌，甚至滑坡、垮壩。對土石壩浸潤線進行實時在線監(jiān)測可為水庫安全運行、壩體安全穩(wěn)定提供科學依據(jù)。為了解土壩內(nèi)浸潤線的位置變化，掌握壩體在運行期間的滲透情況，必須在壩體內(nèi)埋設測壓管，通過測壓管傳輸出來的數(shù)據(jù)確定土壩浸潤線。

水庫大壩分布在野外，春季庫區(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節(jié)點多，且信號線路很長，這給線路本身和監(jiān)測系統(tǒng)的防雷帶來很大難度，容易被雷擊，導致關聯(lián)設備的損壞。Zig?Bee作為一種新興的短距離、低速率、無線傳輸網(wǎng)絡技術，具有低成本、低功耗、低速率、低時延、數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡自組織、自愈能力強等特性，并具有強大的組網(wǎng)能力與較大的網(wǎng)絡容量，其技術特點克服了有線連接的缺陷，且能達到系統(tǒng)信息實時傳輸?shù)哪康腫1]。

本次設計意在通過ZigBee無線通信技術構建一個網(wǎng)絡，采用星形網(wǎng)絡拓撲結(jié)構，對加入該網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點進行土石壩水庫安全信息采集和分析，避免了有線網(wǎng)絡的布線和成本問題，同時通過無線通訊技術重點解決了實際中系統(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)測系統(tǒng)主要分為遠程測站和監(jiān)控中心站兩部分。遠程測站主要負責采集數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心站主要負責數(shù)據(jù)的處理。遠程測站主要由RTU（Remote Terminal Unit，遠程終端單元）、電源、通信設備、避雷器和傳感器組成。RTU與傳感器直接相連，實現(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)控中心站的計算機中，并進行分析處理，為防洪、抗旱提供實時數(shù)據(jù)。

RTU是遠程測站的核心，主要實現(xiàn)：（1）土石壩水庫安全信息實時自動采集與顯示；（2）根據(jù)設定好的時間，定時采集土石壩水庫安全信息；（3）響應監(jiān)控中心站的指令，及時發(fā)送實時土石壩水庫安全信息[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)測壩內(nèi)浸潤線，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量原理的投入式液位變送器，當它被投入到水中某一深度時，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?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與傳感器的負壓腔相連，以抵消傳感器背面的P0，則傳感器測的壓力為：

已知水的密度和當?shù)刂亓铀俣?，于是可以得到液位深度?/p>

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

已有遠程測站結(jié)構圖如圖1所示，即深埋于（或達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)長距離（土石壩監(jiān)測點最遠距離可達上百米）傳送到位于機房內(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致傳輸線上的多個485收發(fā)器損壞，并損壞機房內(nèi)的RTU。在這種測控系統(tǒng)中引入ZigBee無線網(wǎng)絡，其結(jié)構圖如圖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)絡無線發(fā)射數(shù)據(jù)，由位于機房內(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房內(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，相互獨立，與機房內(nèi)的RTU等沒有有線連接，因此不需要在大壩面上復雜地布線，也避免因有線連接導致的易被雷擊情況出現(xiàn)。

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

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

2　硬件設計

在遠程測站部分引入ZigBee無線網(wǎng)絡。它包括終端設備和協(xié)調(diào)器部分。終端設備通過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模塊設計

RS-485模塊通過收數(shù)據(jù)、發(fā)數(shù)據(jù)引腳端與單片機異步串行模塊2相連，而控制引腳DE和RE連在一起由單片機的RB5控制。主要實現(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，每個器件中都具有一個驅(qū)動器和一個接收器。驅(qū)動器具有短路電流限制，并可以通過熱關斷電路將驅(qū)動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特性，當輸入開路時，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)開關干擾等），電路采用旁路保護法，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模塊設計

CPU模塊通過兩個異步串行通信模塊分別與RS-485模塊、ZigBee模塊相連，實現(xiàn)通信，即通過該模塊實現(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，適合于水庫安全監(jiān)測長期運行。它的外設特點主要有：兩個增強型通用同步∕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；接收到間隔字符時自動喚醒、自動波特率檢測。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的異步串行通信模塊1相連，主要實現(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，它的設計以ZigBee協(xié)議運作，支持低成本的獨特需求，低功耗無線傳感器網(wǎng)絡工程。其在室外傳輸距離達到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模塊供電。系統(tǒng)工作于野外，同時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，本次設計采用1N5817（正向平均電流為1 A，反向電壓20 V）。由電路可知，當BUCK電路失效時，此時D1二極管因承受正向電壓而導通，代替BUCK電路給各個芯片供電，實現(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　軟件設計

該系統(tǒng)通過無線（ZigBee組網(wǎng)）與RTU組成站點采集數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡。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在預訂時刻通過ZigBee無線傳輸發(fā)送命令給傳感器，啟動采集并返回數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器部分與終端設備主要實現(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。該系統(tǒng)軟件部分包括CPU程序設計和XBEE-PRO無線模塊配置。

3.1CPU程序設計

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，需要設置發(fā)送接收使能位。在初始狀態(tài)下設置為接收狀態(tài)，只有當無線模塊接收到數(shù)據(jù)時才設置為發(fā)送狀態(tài)。單片機通過兩個異步串行端口與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)送到對應的模塊。其中斷程序的流程圖如圖8所示。而主程序需要往復判斷是選擇串口1通信還是選擇串口2通信，并校驗數(shù)據(jù)。在終端設備上，校驗來自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)則對其進行校驗，校驗有誤，重新發(fā)送命令，校驗無誤發(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軟件來進行參數(shù)設置。參數(shù)設置包括端口參數(shù)設置和節(jié)點設置，端口設置包括波特率、端口號、校驗位等設定。節(jié)點設置是對節(jié)點名稱、位置信息的初始設定，便于實現(xiàn)節(jié)點搜索，節(jié)點相關信息通過配置文件進行保存和讀寫。協(xié)調(diào)器首先對由SC（掃描信道）參數(shù)規(guī)定的所有信道進行能量掃描，每個信道掃描時間由SD（掃描持續(xù)時間）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)設定的PAN ID，同一個PAN ID的編號之間的XBEE-PRO才能相互看到,也就是實現(xiàn)分群的功能。

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

4　結(jié)語

基于ZigBee技術的無線傳輸系統(tǒng)的設計，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485收發(fā)器損壞問題，提高了系統(tǒng)構成的可靠性，同時為分散點和移動點的測控系統(tǒng)布線困難提供了解決途徑。設計完成的無線傳輸系統(tǒng)已應用于某大型水庫安全在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)的測試與分析，本次設計很好地完成了預計的要求，并能夠準確穩(wěn)定地實現(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目（編號：2130399）

黃起升（1992-），男，福建三明人，碩士研究生，研究方向為電力電子技術。