CN102083238A

CN102083238A - 大坝安全监控的ZigBee无线自组网系统及监控方法

Info

Publication number: CN102083238A
Application number: CN2011100095900A
Authority: CN
Inventors: 梁桂兰; 周念东; 徐卫亚; 谈小龙; 王林伟; 闫东旭
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2011-01-18
Filing date: 2011-01-18
Publication date: 2011-06-01

Abstract

本发明公布了一种大坝安全监控的ZigBee无线自组网系统及监控方法，属于水利工程安全监控和结构健康诊断领域。系统分数据采集层、数据传输层和监控中心，主要包括大坝采集传感器、ZigBee网络的信息采集节点、路由节点和协调器节点、无线传输结构、远程安全监控中心。所述方法远程安全监控中心负责对大坝现场ZigBee节点发布各种操作指令和接收来自现场无线节点发送的信息；现场ZigBee节点主要负责大坝信息的采集和无线传输，连接邻居节点完成组网功能和响应监控中心发出的控制指令。本发明改变了传统的有线安全监控技术和布线的结构健康诊断技术，具有成本低、功耗低、模块化设计、集成度高和功能可扩展性强的特点。

Description

大坝安全监控的ZigBee无线自组网系统及监控方法

技术领域

本发明属于水利工程安全监控领域和嵌入式系统与无线通信领域相结合的交叉研究，具体涉及大坝安全监控的ZigBee无线自组网系统及监控方法。

背景技术

随着传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术的迅速发展，无线传感器网络应运而生。无线传感器网络从智能感知检测、传输到接收、处理全程数字化方式，对工程所关心的物理变量进行连续实时监测，及时捕捉变量变化的特征信息，通过无线方式将监测数据及时发送到远程安全监控中心，可实现恶劣环境下工程可靠监测采集与大范围数据实时安全传输。所以，无线传感器网络作为一种新兴技术，已成为国内外研究的热点，在很多领域的应用展现出其广阔的应用前景。而ZigBee协议低功耗、低成本、低速率、高容量、协议简单以及安全性高的特点，为无线传感器网络的具体工程应用更提供了广泛的平台

对于许多大坝工程，布设完善先进的安全监测系统是工程良好运营的重要保障，众所周知，大坝安全监测仪器是人们了解大坝运行状态的耳目，要求能够在恶劣环境下长期稳定可靠的检测出大坝微小的物理量变化，但现有大坝监测系统主要为人工方式和有线连接方式，有线方式价格昂贵、所测范围有限，且布线调整、扩充、维护都很不方便，而且环境变量的检测、传输到接收、处理都没有真正实现实时化和网络化，影响了采集信息传输和分析的实时性和准确性，所以无法及时反映工程环境变量的动态变化，出现问题时不能及时发出报警。

随着大型大坝工程的增多和高科技的应用，大坝安全监测向一体化、自动化、数字化、智能化方向发展将是其发展的必然趋势。大坝安全监控的ZigBee无线自组网系统，是综合了数据采集、微小信号处理、现代网络、短距离无线通信、嵌入式计算机、分散式信息处理等多学科新兴前沿技术，能构成恶劣环境中大坝无线监测、无线传输的数字化远程自动监控网络系统。实现对所关心物理变量的在线高精度监测与传输，对大坝健康诊断提供及时可靠的评价依据。

发明内容

本发明的目的是针对现有大坝安全监测技术的不足，提出了一种大坝安全监控的ZigBee无线自组网系统及监控方法，克服现有人工监测和有线监测劳动强度大、布线困难、成本高、监测范围有限以及实效性差等弊端。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

大坝安全监控的ZigBee无线自组网系统，包括数据采集层、数据传输层和远程监控中心，所述数据采集层包括传感器组、基于ZigBee网络的信息采集节点、路由节点和协调器节点，传感器组设置于基于ZigBee网络的信息采集节点上，所述基于ZigBee网络的信息采集节点通过路由节点和协调器节点通信，协调器节点通过数据传输层和远程监控中心通信。

所述基于ZigBee网络的信息采集节点由集成了微处理器和无线收发器的CC2430模块、电源模块、数/模转换模块、时钟电路模块、存储电路模块、驱动控制输出模块、通讯接口电路模块共同组成。

所述传感器组包括应力传感器、应变传感器、位移传感器、沉降传感器、测压水位传感器和温度传感器。

所述的协调器节点采用ZigBee方式与路由节点连接，并通过GPRS/CDMA数传设备与远程安全监控中心连接。

大坝安全监控的ZigBee无线自组网系统的监控方法如下：

大坝的远程监控中心通过数据传输层对大坝现场数据采集层发布各种操作指令和接收来自现场基于ZigBee网络的信息采集节点发送的采集信息；现场ZigBee节点包括信息的采集节上布置有应力传感器、应变传感器、位移传感器、沉降传感器、测压水位传感器和温度传感器，所述传感器采集大坝现场数据并通过2.4GHz的ISM频段与上层路由节点和协调器节点构成基于IEEE 802.15.4技术标准和ZigBee网络协议的ZigBee无线传感器网络即数据采集层；所述数据采集层负责现场大坝信息的采集，连接邻居节点来扩展网络覆盖范围以及完成组网功能和响应监控中心发出的控制指令。

本发明具有如下有益效果：

(1)融合传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，结合ZigBee无线传感器网络和GPRS通信技术，组建具有智能组网和无线数据采集、传输功能的大坝安全监控系统，达到了安全监测的信息化和实时性，真正实现了大坝安全监测的实时无线监测和传输。

(2)通过在ZigBee无线传感器网络采集节点上布置不同的传感器，与上层路由节点和协调器节点构成基于IEEE 802.15.4技术标准和ZigBee网络协议的ZigBee无线传感器网络，负责现场大坝信息的采集和传输，网络具有自组织特征，可完成网络智能组网、路由以及数据传输，并根据不同需要采用不同的拓扑结构，完成组网功能和响应监控中心发出的控制指令；

(3)发明的大坝安全监控的ZigBee无线自组网系统具有网络自维护特征，即当ZigBee网络中个别节点发生故障的时候，网络中其它节点的工作不受影响，剩下的节点可以重新智能组网。

(4)大坝安全监控的ZigBee无线自组网系统将无线传感器网络系统与ZigBee协议、Internet网络结合，采用先进的拓扑控制、时间同步、节点定位、网络安全和设备管理技术手段，利用廉价、可靠的移动通信GPRS/CDMA技术，发明了新型大坝无线安全监控系统，具有实时、自动化监测的特点，适合大坝这种在野外恶劣环境下的监测。

(5)本发明构建了大坝无线监测-无线传输-挖掘分析-预报预警网络体系，建立了无线数字大坝安全监控分析预警可视化系统，能以可视化形式直观显示和分析大坝安全监测资料。

(6)发明的大坝安全监控的ZigBee无线自组网系统，组网方便快捷、工作功耗低、价格低廉、支援多种网络拓扑、具有低复杂度、快速、可靠、安全的特点。

附图说明

图1、本发明大坝安全监控的ZigBee无线自组网系统构架图；

图2、本发明中ZigBee协议架构图；

图3、本发明中ZigBee无线网络节点的硬件结构图；

图4、本发明中CC2430外围电源原理图；

图5、本发明中信息采集节点的结构图；

图6、本发明中CC2430调试接口图；

图7、本发明中CC2430节点原理图；

图8、为大坝远程监控中心功能结构图。

具体实施方式

为进一步解释本发明的目的、技术方案和有益效果，下面结合具体实施例并参照附图对本发明进行详细说明。

图1是本发明大坝安全监控的ZigBee无线自组网系统总体构架图。该系统可以分为三部分，第一部分为ZigBee网络层，如图中11所示；第二部分为数据传输层，如图中12所示；第三部分为大坝远程监控中心，如图中13所示。ZigBee网络层11由采集节点即终端设备、路由节点和协调器节点组成，在大坝工程应用中，通过在采集节点上布置不同的传感器，如应力传感器、应变传感器、位移传感器、沉降传感器、测压水位传感器、温度传感器等，通过2.4GHz的ISM频段，与上层路由节点和协调器节点构成基于IEEE 802.15.4技术标准和ZigBee网络协议的ZigBee无线传感器网络。数据传输层12由具有接入Internet网络的GPRS/CDMA数传设备构成。GPRS/CDMA数传设备承担数据协议转换、网络中继和Internet接入等功能，所有传感器节点的采集信息最终通过它传输到远程安全监控中心。远程监控中心13，是Web后台管理系统，包括采集信息的处理及显示、远程操作、采集设备远程管理、预警发布、网络拓扑结构显示和用户管理子系统。监控中心第一时间通过Internet、AP服务和GSM网络将预警播报短信发送到相关负责人员手机，真正实现了监测区域的实时监控和预警发布。安全监控中心通过GPRS/CDMA网络与ZigBee网络中协调器节点通信，协调器节点与路由节点、信息采集节点通过基于IEEE802.15.4标准的ZigBee无线网络协议，形成具有分布式处理的ZigBee网络。

其中大坝现场采集节点通过布置不同传感器，将采集的不同变量信号成功发送给上层路由节点后，为节省能量，便进入休眠状态，当有突变信号产生时，采集节点将被唤醒，以突发的方式传送数据，以使数据达到远程监控中心的延时最小。终端信息采集节点把采集的信息向上传输给路由节点，路由节点通过多跳路由辅助它的子节点完成通信，进行消息转发和数据传送，通过连接邻居节点来扩展网络覆盖范围。协调器节点是整个网络的主要控制者，负责ZigBee网络的启动或建立，协调器节点先选择一个信道和网络ID，然后建立一个网络，并向临近的节点以广播方式发送信标帧。协调器一方面采用ZigBee无线网络方式同路由节点连接，另一方面采用GPRS/CDMA与大坝远程监控中心连接，从而实现远程监控。采集现场整个ZigBee网络具有较快的自修复能力，组网方便快捷、支援多种网络拓扑、具有低复杂度、快速、可靠、安全的优点。保证了大坝安全监控的ZigBee无线自组网系统的网络鲁棒性、系统稳定性和监控实时性，避免了多跳网络中由于某个路由节点故障而导致大面积网络瘫痪。

图2是ZigBee协议架构，无线传感器网络节点要进行相互的数据交流就要有相应的无线网络协议，包括包括MAC层、路由、网络层、应用层等。ZigBee协议适应无线传感器低花费、低能量、高容错性等的要求，Zigbee是在IEEE 802.15.4标准基础上建立，IEEE802.15.4定义了协议的MAC层和PHY层。ZigBee设备应该包括IEEE802.15.4的PHY和MAC层，以及ZigBee堆栈层：网络层(NWK)、应用层和安全服务提供层。每个ZigBee设备都与一个特定模板有关，设备是由模板定义的，并以应用对象(Application Objects)的形式实现。每个应用对象通过一个端点连接到ZigBee堆栈的余下部分，它们都是器件中可寻址的组件。从应用角度看，通信的本质就是端点到端点的连接，端点之间的通信是通过称之为簇的数据结构实现的。所有端点都使用应用支持子层(APS)提供的服务。APS通过网络层和安全服务提供层与端点相接，并为数据传送、安全和绑定提供服务，因此能够适配不同但兼容的设备。APS使用网络层(NWK)提供的服务。NWK负责设备到设备的通信，并负责网络中设备初始化所包含的活动、消息路由和网络发现。应用层可以通过ZigBee设备对象对网络层参数进行配置和访问。

图3为ZigBee无线网络节点的硬件结构图。它是以CC2430射频芯片为主器件的硬件模块。主要组成部分包括复位电路、时钟电路、电源转换模块、巴伦电路等。

图4是CC2430主芯片电源转换原理图，它将外部直流5V输入电压通过LDO电源芯片转换为3.3V直流电压，提供CC2430所需的工作电源，为实现可靠而稳定的电压，由C3、C4、C5、C6实现了电源滤波。另外，根据应用的需要在不同的工作状态下，系统可以进入不同的工作模式，比如，多数情况下系统可进入睡眠状态低功耗运行，以节省电能。当需要工作时，依靠定时器自行唤醒，在执行一定的操作之后再次进入睡眠。这种依靠应用需求来设计的工作模式尤其是适合大坝数据采集和监控应用。

图5是信息采集节点的结构图，信息采集节点由集成了微处理器和无线收发器的CC2430模块、电源模块、数/模转换模块、时钟电路模块、存储电路模块、驱动控制输出模块、通讯接口电路模块共同组成。

图6是CC2430的外围调试接口电路，该接口对片上系统调试模块提供了一个两线接口，通过调试接口可以对Flash存储器进行全片擦除，允许对片上Flash进行编程，控制启动哪一个振荡器，停止和开始执行用户程序，在8051内核上执行供电指示，设置代码断点，在代码中通过指令进行单步调试，利用这些特性可以进行电路调试和外部Flash编程。在调试模式下，调试接口使用I/O引脚P2_1作为调试数据线，使用P2_2作为调试时钟线。当设备不处于调试模式时，I/O引脚可被作为通用I/O。所以调试接口不会对任何外设I/O引脚造成干扰。

图7为CC2430芯片接口原理图，无线通信模块采用射频芯片CC2430，它集成了CC2420射频收发机、ZigBee射频前端、128kB闪存、8kBRAM和8位8051微处理器，是实现嵌入式ZigBee应用的片上系统，支持IEEE 802.15.4/ZigBee协议，可用于ZigBee无线网络采集节点、路由节点和协调器节点。该模块主要包括3.3V和1.8V电源滤波电路、晶振电路、巴伦电路和复位电路。芯片时钟信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供，这里由外部电路提供，由X1和X2两个晶体振荡器和C12、C13、C14、C15电容组成，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数，此处选X1为32MHz，X2选32.768KHz，C12和C13为33pf，C14和C15为15pf。R1和R2为偏置电阻，精度为1％。CC2430射频信号的收发采用差分方式传送，其最佳差分负载是115+j180Ω，阻抗匹配电路应根据该数值进行调整。设计采用50Ω单极子天线，由于CC2430的差分射频端口具有两个端口，而天线是单端口，因此需采用巴伦电路(平衡/非平衡转换电路)完成双端口到单端口的转换。巴伦电路由电感(L1、L2、L3)和电容(C11)构成。CC2430内部使用1.8V工作电压，适合于电池供电的设备，外部数字I/O接口使用3.3V电压，以保持和3.3V逻辑器件兼容。CC2430片上集成有自流稳压器，能将3.3V电压转换为1.8V电压，这样只有3.3V电源的设备无需外加电压转换电路就能正常工作。C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9等为去耦电容，用于电源滤波，以提高工作稳定性。

图8为大坝远程监控中心功能结构图，远程监控中心是Web后台管理系统，，包括监测系统优化、数据预处理、采集设备远程管理、远程操作、监测信息的处理及可视化显示、预警发布、网络拓扑结构显示和用户管理子系统。所述的远程安全监控中心监测数据处理及可视化显示子系统对监测资料进行多源数据的数据分析，进行监测资料分布图、过程线等图表绘制和显示等可视化，进一步对监测资料进行深层次数据挖掘和综合判断分析，从而对大坝进行健康诊断。

本发明的有益技术效果是：

(1)从智能感知检测、传输到接收、处理全程数字化方式，实现大坝信息的可靠采集与大范围数据实时安全传输，构建大坝无线安全监控系统。

(2)避免了现有大坝安全监控有线监测的诸多弊端，将ZigBee无线传感网络技术引入大型工程的安全监控领域，具有广泛应用前景，必将产生巨大的经济效益和社会效益。

(3)为大型大坝工程的健康诊断提供实时可靠的分析资料，为大坝健康运行提供保障。

如上所述，对本发明的实施例进行了比较详细的说明，但针对本发明所做的等效变形与修改，对水利工程相关领域技术人员来说是显而易见的，这样的修改例也包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种大坝安全监控的ZigBee无线自组网系统，其特征在于：包括数据采集层、数据传输层和远程监控中心，所述数据采集层包括传感器组、基于ZigBee网络的信息采集节点、路由节点和协调器节点，传感器组设置于基于ZigBee网络的信息采集节点上，所述基于ZigBee网络的信息采集节点通过路由节点和协调器节点通信，协调器节点通过数据传输层和远程监控中心通信。

2.根据权利要求1所述的大坝安全监控的ZigBee无线自组网系统，其特征在于：所述基于ZigBee网络的信息采集节点由集成了微处理器和无线收发器的CC2430模块、电源模块、数/模转换模块、时钟电路模块、存储电路模块、驱动控制输出模块、通讯接口电路模块共同组成。

3.根据权利要求1所述的大坝安全监控的ZigBee无线自组网系统，其特征在于：所述传感器组包括应力传感器、应变传感器、位移传感器、沉降传感器、测压水位传感器和温度传感器。

4.根据权利要求1所述的大坝安全监控的ZigBee无线自组网系统，其特征在于：所述的协调器节点采用ZigBee方式与路由节点连接，并通过GPRS/CDMA数传设备与远程安全监控中心连接。

5.一种如权利要求1所述的大坝安全监控的ZigBee无线自组网系统的监控方法，其特征在于所述方法如下：

大坝的远程监控中心通过数据传输层对大坝现场数据采集层发布各种操作指令和接收来自现场基于ZigBee网络的信息采集节点发送的采集信息；现场ZigBee节点包括信息的采集节点上布置有应力传感器、应变传感器、位移传感器、沉降传感器、测压水位传感器和温度传感器，所述传感器采集大坝现场数据并通过2.4GHz的ISM频段与上层路由节点和协调器节点构成基于IEEE 802.15.4技术标准和ZigBee网络协议的ZigBee无线传感器网络即数据采集层；所述数据采集层负责现场大坝信息的采集，连接邻居节点来扩展网络覆盖范围以及完成组网功能和响应监控中心发出的控制指令。