基于 ZigBee 網絡的大壩安全監測系統的研制

劉東文 ，鄒 兵 ，陳文輝 ，張學習

（1. 廣州市水務科學研究所，廣東 廣州 510220；2. 廣東工業大學自動化學院，廣東 廣州 510006）

0 引言

隨著水利設施的完善，加強水利設施的安全運行和高效管理也越加重要，尤其是應對突發狀況和極端天氣時，對水庫樞紐區大壩的水位、水壓等數據的監測直接關系到大壩的安全運行。采用大壩安全監測系統對大壩水位和水壓的實時數據監測、存儲、圖表處理，可提高大壩監測的工作效率，增加數據采集頻率，提高實時性；可提高大壩基本數據監測的完整性、統一性，提高管理水平，及時發現隱患，為水庫安全運行提供有力保障[1]?，F有的大壩監測系統一般采用分布式控制模式，分布式數據采集系統是將采集工作分布到靠近傳感器的采集站進行，然后將測到的數據傳給總控制站，分布式采集系統的最大優勢是將抗干擾性弱的模擬信號轉化為易于傳輸、抗干擾性強的數字信號，且比集中式系統可靠，數據更加精確，實用性強，所以分布式系統被廣泛應用到大壩安全監測上[2]。

根據我國現階段國情，大壩安全監測系統應符合以下要求：操作簡單、價格便宜、數據測量準確、數據傳輸可靠、網絡建設成本盡可能的低、能耗少、能適應野外工作環境、能抗雷擊等。當前得到廣泛研究的 ZigBee 技術致力于提供一種廉價的固定、便攜或者移動的設備，使用低速率無線通信技術，可滿足大壩安全監控系統的要求。為此根據大壩安全監測系統的需求分析，設計了基于 ZigBee無線傳感器網絡的大壩安全監測系統（以下簡稱系統）。

1 系統概述

ZigBee 技術是一種新興的近距離無線通信技術，是一種應用于短距離范圍內、低傳輸數據速率下的各種電子設備之間的無線通信技術。優點是功耗低、成本低、易應用，ZigBee 協議棧能夠確保無線設備在低成本、功耗和速率網絡中的互操作性。ZigBee 協議棧的不同層通過服務接入點進行通信，大多數層有數據和管理 2 個實體接口，數據實體接口是向上層提供所需的常規數據服務，管理實體接口是向上層提供訪問內部層參數、配置和管理數據的機制[3]。ZigBee 技術是建立在 IEEE802.15.4 的基礎上，工作在 2.4 GHz 頻段，被認為是最有可能應用在工業監控、家居系統、無線傳感網絡等領域的近距離無線通信技術。大壩監控數據往往需要在低傳輸速率下實現無線通信，且大壩監測數據采集站距離監控中心比較近，因此應用 ZigBee 的組網技術可以把大壩的數據傳輸到監控中心。

ZigBee 的媒體接入控制層（MAC 層）采用talk-when-ready 的碰撞避免機制。在這種完全確認的數據傳輸機制下，如有數據傳送需求，則會立刻傳送，發送的每個數據包都必須等待接收方的確認信息，并進行確認信息回復；若沒有得到確認信息的回復，就表示發生了碰撞，將再傳 1 次，采用這種方法可以提高系統信息傳輸的可靠性[4]。同時ZigBee 還進行了一些處理，如為需要固定帶寬的通信業務預留專用時隙，避免發送數據時的競爭和沖突；針對時延敏感的應用做了優化，使通信和休眠狀態激活的時延都非常短。Zigbee 提供了數據完整性檢查和鑒權功能，在數據傳輸中提供了 3 級安全性：第 1 級實際無安全方式，對于某種應用，如果安全并不重要或者上層已經提供足夠的安全保護，器件可以選擇這種方式轉移數據；對于第 2 級安全級別，器件可以使用接入控制清單（ACL）防止非法器件獲取數據，在這一級不采取加密措施；第 3 級安全級別在數據轉移中采用屬于高級加密標準（AES）的對稱密碼，AES 可以用來保護數據凈荷和防止攻擊者冒充合法器件[5]。

有了 ZigBee 的可靠通信，可將檢測到的大壩水位信息、站點的工作電池電量等數據通過 ZigBee無線通信技術發送到網絡，然后再把數據傳送到大壩監控中心；同時，監控中心對數據處理后，根據不同的情況選擇不同的指令通過網絡下發至各個站點，就可以實現數據信息的互相交換，也實現了大壩管理效率的提升。

2 系統硬件設計

系統由計算機、防火墻、數據庫及底層的ZigBee 無線傳感器網絡和網關模塊等構成，通過計算機網絡、數據庫技術和軟件平臺實現遠程監測功能，系統總體結構如圖 1 所示。在系統運行過程中，網管中心可以對監測終端的運行參數進行設定，并可以對采集到的儀表數據進行存儲、分析和匯總，便于水庫工作人員對監測點的大壩安全監測數據信息進行觀察和分析。

ZigBee 無線傳感器網絡主要由 ZigBee 傳感器終端和網絡協調器 2 種節點（網關）構成。傳感器終端節點由分布在監測區域內的各種水位計和電壓計等傳感器與 ZigBee 無線模塊組成；網絡協調器節點是網絡的控制中心，負責網絡的維護、指令的解讀和數據的處理等任務，該節點包含有 ZigBee 射頻收發和 GPRS 等模塊。監測網絡需根據監控區域的要求，確定構成 ZigBee 無線監測網絡的是網型還是星型拓撲結構。ZigBee 無線傳感器網絡主要負責大壩安全監測數據的采集，并將數據通過 ZigBee 網絡上傳到網絡協調器節點，再由網絡協調器節點將數據發送到 GPRS 網絡。ZigBee 無線傳輸方式框圖如圖 2 所示。

圖1 系統的總體結構設計

圖2 ZigBee 無線傳輸方式框圖

系統選用 I/O 更多，功耗更低，性能更強的基于 32 位 ARM7 核的 MC13224 芯片作為 ZigBee 主核心模塊，在不使用內部功放模塊的基礎上最大可輸出 2.5 mW 功率，在室外空曠環境下傳輸距離超過100 m。為確保通訊距離的可靠性，在設計中引入外部功放芯片 RF6575，此芯片是專用于 2.4 GHz 頻道的功放芯片，輸出功率可達 160.0 mW。無論是室內還是室外使用，終端模塊可靠通訊距離都可以大幅度提高。終端采用大容量鋰電池（2000 mW）供電，通過外接太陽能板對鋰電池充電，保證終端擁有足夠工作電源。

為了將終端采集到的數據和網管中心實現連接，必須增加網絡協調器即網關。根據實際應用的需求，網關采用基于 ARM7 核 Risc 結構的 LPC2210微處理器；ZigBee 無線射頻芯片采用 MC13224 芯片，GPRS 通訊模塊選用 TC35 模塊，進行基于GPRS 網絡的移動數據通信；為了使網絡協調器的運行更加順暢和存儲能力加強，在硬件設計上擴展了 SDRAM（同步動態隨機存儲器）和 Flash 程序存儲器，其中SDRAM 為操作系統和應用程序提供運行空間，主要用于程序執行時的程序存儲、執行或計算，類似內存，并為通信提供接收和發送數據的緩存區，Flash 存儲器可存放嵌入式操作系統、已調試好的用戶應用程序或其它在系統掉電后需要保存的用戶數據等；在通訊方式上選擇串口通訊模塊用于調試及與終端設備進行通信；對芯片內部的部件進行訪問選擇 JTAC 接口技術，通過該接口可對系統進行調試、編程等；另外，還有電源、復位等模塊電路。按照功能分類，系統網絡協調器節點硬件結構框圖如圖 3 所示。

圖3 系統網關硬件結構框圖

LPC2210 是一款基于支持實時仿真和嵌入式跟蹤的 16/32 位 ARM7TDMI-STM CPU 的微控制器，對代碼規模有嚴格控制的應用，使用 16 位 Thumb模式可將代碼規模降低超過 30%，而性能的損失卻很小，功耗極低，由于內置了寬范圍的串行通信接口，也非常適合于通信網關、協議轉換器、嵌入式軟 Modern 及其它各種類型的應用。

網關主要功能是收集各節點數據，并通過電臺或 GPRS 將數據傳輸到 Internet 或個人 PC 上作處理，以及將網管中心下發的指令解讀下發至各個終端節點上。ZigBee 終端節點分布在待測區域內，實現儀表數據的采集和處理，然后通過 ZigBee 模塊發送給網關，圖 4 為網關和終端模塊的 ZigBee 無線射頻模塊的原理圖。

系統硬件設計要求在惡劣環境下能長期穩定工作，且要求終端模塊防水性能好，所以將系統終端模塊做成防水的，使其在潮濕環境下也能正常工作。MC13224 是一款 ZigBee 芯片解決方案，這種解決方案能夠提高性能，提供 104 dB 的鏈路質量，優秀的接收器靈敏度和健壯的抗干擾性，多種供電模式，并滿足以 ZigBee 為基礎的 2.4 GHz 的 ISM頻段應用對低成本和功耗的要求。它結合一個高性能 2.4 GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發器核心和一顆工業級小巧高效的 ARM7 處理器。支持IEEE802.15.4 標準及 ZigBee，ZigBee PRO 和 ZigBee RF4CE 標準，能夠實現點對點連接和完整的 ZigBee網狀網絡。MC13224 這款 ZigBee 芯片集成了完整的低功耗 2.4 GHz 無線電收發器，內嵌了 32 位 ARM7處理器，集成了用于 IEEE 802.15.4，MAC 和 AES安全加密的硬件加速器及 MCU 成套外設，是高密度低元件數的 IEEE 802.15.4 綜合解決方案。

圖4 ZigBee的無線射頻模塊原理圖

3 系統軟件設計

系統操作軟件是采用 Visual C++ 6.0 開發的，支持網絡和手機短信通信的操作系統軟件，是根據系統需要實現對網關的通信而設計的。使用 Visual C ++ 6.0 的優勢在于：操作系統的源代碼是開放的，可根據需要進行定制，因而對硬件的要求相對要低；支持多任務多進程，能提供較好的實時性。由于系統信息處理量大、實時性要求高，操作系統的存儲調度、進程管理、指令下發和數據上傳都要求采取高效可行的策略。本系統是專用于大壩安全監控系統的，用于采集數據的終端節點和網絡協調器（網關）是根據需要自行設計的，因此編寫相應的應用程序是必不可少的環節。應用軟件的工作原理圖如圖 5 所示。

3.1 在線實時監控服務器

圖5 應用軟件工作原理圖

在線實時監控服務器是整個服務器的核心部分，是要求系統正常工作就必須登陸監控的系統軟件。主要功能是對底層上傳的數據進行處理，即查看水位是否超出告警界限，站點電量是否充足；監控人員對每個站點下發指令，可選擇通訊方式、協議方式、數據上傳時間間隔等。

實時監控服務器要求底層采集模塊能實時采集數據，中間通信模塊能實時將監控中心下發的命令實時發送到底層。為保證通信的可靠性，系統在服務器中增加了網關與監控中心的手機短信通信，可確保在緊急情況下 GPRS 通信發生意外時選擇短信通訊。

3.2 實時采集與控制模塊

實時采集/控制模塊是系統的終端模塊，指系統各種外設的實時采集和控制模塊是相對獨立的，采用多線程的方式由控制模塊實現對采集模塊的控制，即要求采集模塊聽任于控制模塊，實現監控中心與底層設備驅動程序的信息交互。實時采集模塊由一系列設備的采集模塊組成（如水位采集），提供所需要接收到的監控端的監控信息。在系統運行期間，為了隨時獲取大壩的數據信息，要求實時控制模塊始終駐留內存運行，按照下發的指令要求檢查設備端口狀態，獲取設備端口的數據信息，并激活或提交給相應的處理模塊。實時控制模塊根據網管中心下發的指令控制相應設備的驅動程序，對設備進行控制。

4 結語

針對現有的大壩安全監測系統網絡管理技術的不足，提出的基于 ZigBee 無線傳感器網絡的大壩安全監測系統及其方法，可以根據 ZigBee 的自適應組網，使整個無線傳感器節點之間通過分布式協作實現統計采樣、數據采集、查詢式監控。目前已在百花林水庫安裝了基于 ZigBee 無線傳感器網絡的安全監測系統，現處于調試階段，通過調試可進一步完善系統，以提高系統可靠性。

系統實施后具有可靠性高，安裝方式簡單，工程施工量小，可維護性好，投資成本低等優點，避免了傳統大壩安全監測系統中布線復雜，維護困難的缺點，是把物聯網技術應用到水利信息系統中的典型案例，值得推廣和借鑒。

[1]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]. 水利自動化與大壩監測，2008, 32 (6): 48-52.

[2]喬靜. 基于 Zigbee 的大壩安全監測系統設計[D]. 大連：大連理工大學，2012: 2-3.

[3]蔣挺，趙成林. 紫蜂技術及其應用[J]. 北京：北京郵電大學出版社，2006: 5-10.

[4]郭寶進. 無線智能傳感器節點的設計與實現[D]. 西安：西安電子科技大學，2009: 7-9.

[5]陳豹. ZigBee 技術淺談[J]. 科學信息：學術版，2008 (29):87-88.