CN105091775A - 一种基于ZigBee的拱坝监控系统 - Google Patents

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CN105091775A CN201510485157.2A CN201510485157A CN105091775A CN 105091775 A CN105091775 A CN 105091775A CN 201510485157 A CN201510485157 A CN 201510485157A CN 105091775 A CN105091775 A CN 105091775A
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杨育周
周红方
杨全虎
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Abstract

本发明公开了一种基于ZigBee的拱坝监控系统，属于水电设备安全监测系统技术领域。该监控系统包括监测终端、协调器、路由器、ZigBee？无线网络节点，每个路由器连接有n个ZigBee无线网络节点，m个路由器通过协调器与监测终端相连接；每个ZigBee无线网络节点等距分布在拱坝上，均包括有ZigBee模块、激光发射器、监测光拦和激光接收器，所述激光发射器、监测光拦和激光接收器分别与ZigBee模块相连接；所述ZigBee？模块的输出端通过天线收发器与天线相连接，所述天线与所处的路由器进行无线通讯。本发明利用ZigBee无线方式监测拱坝的形变，功耗低，使用方便，扩展性高，具有良好的应用前景。

Description

一种基于ZigBee的拱坝监控系统
技术领域
本发明涉及一种基于ZigBee的拱坝监控系统，属于水电设备安全监测系统技术领域。
背景技术
人类修建拱坝具有悠久的历史。早在一、二千年以前，人们就已意识到拱结构有较强的拦蓄水流的能力。近几十年来，中国修建了许多拱坝，约占全世界已建拱坝总数的1/4强，2010年8月建成的中国云南小湾水电站，已经成为世界上最高的拱坝。随着坝高的不断增加，坝体的安全性能就显得尤为重要。
申请号为201320121690.7，申请日为2013年3月17日的实用新型提供一种大坝内部变形的机器人监测系统，包括：埋设于大坝内部的并随大坝内部变形而变形的监测管道、一行走于该监测管道内并用于监测大坝内部变形的测量机器人以及一外部监控系统，测量机器人与外部监控系统之间配置有信息传输通道，其中，所述监测管道包括：一内部水平倾斜测量专用轨道，其外端与大坝基准点固定并作为垂直沉降位移的测量基准点；以及若干个设置于所述监测管道外部的水平位移测点装置；所述测量机器人搭载有多种测量装置并受控制地在所述监测管道内行走和实时检测所述大坝内部变形情况。该实用新型的监测系统提供一种直接测量方式，保证监测的准确性、实时性，克服间接测量带来的误差。
申请号为201310443377.X，申请日为2013年9月23日的发明专利申请属于位移测量技术领域，涉及的是一种拱坝变形三维位移自动化监测方法，其是将拱坝分成n段，测得第1段端点处的三维位移值，且监测每段端点相对于上一端点的三维变化量，根据传递原理即可求所有分段端点处的三维位移值。该发明简单、可行、便于工程实施且符合实际工程监测需要，为拱坝的三维位移自动化监测提供了一种有效的手段，解决了原有测量方法只能监测一维或二维的缺陷。另外，该方法结合实际坝体的变形情况，在保证测量有效性和测量精度的前提下，取消了测点平台部位的转角参数监测，优化了测量程序，简化了测量装置，提高了测量可靠性且降低了测量成本。
申请号为201410070397.1，申请日为2014年2月28日的发明专利申请公开了一种拱坝全变形监测方法，其特征在于在拱坝某一断面的不同高程的廊道或观测间内设置监测仪器，所述的监测仪器包括垂线监测仪和倾斜监测仪，并且一一对应设置；通过倾斜监测仪器的监测成果，计算监测点位置上部坝体在垂线尚未安装期间所对应的变形，以此对拱坝分段的垂线监测成果进行修正，从而得到拱坝实际全变形。该发明成功解决了拱坝实际全变形无法监测的问题，且已成功应用于水电工程，取得了良好的效果，实用性强。本发明改变了我国拱坝安全监测设计和监测方法，在拱坝中具有广泛的市场前景和推广价值。
发明内容
本发明提出了一种基于ZigBee的拱坝监控系统，运用ZigBee无线通讯网络，对拱坝实现24小时监控，及时发现变形隐患，且降低了监控成本。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种基于ZigBee的拱坝监控系统，包括监测终端、协调器、路由器、ZigBee无线网络节点，每个路由器连接有n个ZigBee无线网络节点，m个路由器通过协调器与监测终端相连接，n和m为大于1的自然数；每个ZigBee无线网络节点等距分布在拱坝上，均包括有ZigBee模块，所述ZigBee模块的输出端通过天线收发器与天线相连接，所述天线与所处的路由器进行无线通讯；
所述ZigBee无线网络节点还包括有激光发射器、监测光拦和激光接收器，所述激光发射器、监测光拦和激光接收器分别与ZigBee模块相连接；
所述的激光发射器采用可见光半导体激光器，由内倒置望远镜把激光扩束，获得发散角为毫弧度以下的光束；输出激光光强符合X-Y两维均是等腰高斯分布；
所述的监测光拦由中心通光圆管状光拦构成，通光孔的直径等于通过待监测位置激光束的直径；监测光拦的直径与长度之比大于1；
所述激光发射器的高斯光束光轴和激光接收器的光轴以及监测光拦光轴共线设置。
作为本发明的一种优选技术方案：所述协调器与监测终端通过RS232串口相连接。
作为本发明的一种优选技术方案：所述ZigBee模块为CC2530模块。
作为本发明的一种优选技术方案：所述协调器采用TI公司的CC2530芯片。
作为本发明的一种优选技术方案：所述ZigBee无线网络节点还包括看门狗电路、蜂鸣器、电池组，所述看门狗电路、蜂鸣器、电池组分别与ZigBee模块相连接。
本发明所述的一种基于ZigBee的拱坝监控系统，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明可利用ZigBee无线通讯网络监测拱坝形变，对拱坝实现24小时监控，及时发现变形位置，从而及时维护拱坝，避免不必要的安全事故的发生。
2、本发明通过激光发射器、监测光拦和激光接收器检测拱坝形变，检测精度高。
3、本系统功耗低、使用方便、扩展性高，且提高了监测的准确性。
具体实施方式
下面对本发明创造做进一步详细说明。
一种基于ZigBee的拱坝监控系统，包括监测终端、协调器、路由器、ZigBee无线网络节点，每个路由器连接有n个ZigBee无线网络节点，m个路由器通过协调器与监测终端相连接，n和m为大于1的自然数；每个ZigBee无线网络节点等距分布在拱坝上，均包括有ZigBee模块，所述ZigBee模块的输出端通过天线收发器与天线相连接，所述天线与所处的路由器进行无线通讯；
所述ZigBee无线网络节点还包括有激光发射器、监测光拦和激光接收器，所述激光发射器、监测光拦和激光接收器分别与ZigBee模块相连接；
所述的激光发射器采用可见光半导体激光器，由内倒置望远镜把激光扩束，获得发散角为毫弧度以下的光束；输出激光光强符合X-Y两维均是等腰高斯分布；
所述的监测光拦由中心通光圆管状光拦构成，通光孔的直径等于通过待监测位置激光束的直径；监测光拦的直径与长度之比大于1；
所述激光发射器的高斯光束光轴和激光接收器的光轴以及监测光拦光轴共线设置。
作为本发明的一种优选技术方案：所述协调器与监测终端通过RS232串口相连接。
作为本发明的一种优选技术方案：所述ZigBee模块为CC2530模块。
作为本发明的一种优选技术方案：所述协调器采用TI公司的CC2530芯片。
作为本发明的一种优选技术方案：所述ZigBee无线网络节点还包括看门狗电路、蜂鸣器、电池组，所述看门狗电路、蜂鸣器、电池组分别与ZigBee模块相连接。
本发明中每个ZigBee无线网络节点等距分布在拱坝上，且每个ZigBee无线网络节点都包括有ZigBee模块和激光发射器，所述的激光发射器与ZigBee模块相连接。其中激光发射器采用可见光半导体激光器，由内倒置望远镜把激光扩束，获得发散角为毫弧度以下的光束。
半导体激光器也称为半导体激光二极管，或简称激光二极管（LaserDiode，LD）。由于半导体材料本身物质结构的特异性以及半导体材料中电子运动规律的特殊性，使半导体激光器的工作特性具有其特殊性。　　半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件。其工作原理是通过一定的激励方式，在半导体物质的能带（导带与价带）之间，或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式，光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器，一般是由砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器，一般用N型或P型半导体单晶（如GaAS,InAs,InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用N型或者P型半导体单晶如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。
半导体激光器采用注入电流方式泵浦。半导体激光器波长覆盖范围为紫外至红外波段（300nm--十几微米），其中1.3um与1.55um为光纤传输的两个窗口。半导体激光器具有能量转换效率高、易于进行高速电流调制、超小型化、结构简单、使用寿命才长等突出特点，使其成为最重要最具应用价值的一类的激光器。
本发明运用ZigBee无线通讯网络，对拱坝实现24小时监控.
ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。
ZigBee的特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE802.15.4标准的规定。ZigBee网络主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee网络中的设备可分为协调器(Coordinator)、汇聚节点(Router)、传感器节点(EndDevice)等三种角色。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于ZigBee的拱坝监控系统，包括监测终端、协调器、路由器、ZigBee无线网络节点，每个路由器连接有n个ZigBee无线网络节点，m个路由器通过协调器与监测终端相连接，n和m为大于1的自然数；每个ZigBee无线网络节点等距分布在拱坝上，均包括有ZigBee模块，所述ZigBee模块的输出端通过天线收发器与天线相连接，所述天线与所处的路由器进行无线通讯；
其特征在于，所述ZigBee无线网络节点还包括有激光发射器、监测光拦和激光接收器，所述激光发射器、监测光拦和激光接收器分别与ZigBee模块相连接；
所述的激光发射器采用可见光半导体激光器，由内倒置望远镜把激光扩束，获得发散角为毫弧度以下的光束；输出激光光强符合X-Y两维均是等腰高斯分布；
所述的监测光拦由中心通光圆管状光拦构成，通光孔的直径等于通过待监测位置激光束的直径；监测光拦的直径与长度之比大于1；
所述激光发射器的高斯光束光轴和激光接收器的光轴以及监测光拦光轴共线设置。
2.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的拱坝监控系统，其特征在于，所述协调器与监测终端通过RS232串口相连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的拱坝监控系统，其特征在于，所述ZigBee模块为CC2530模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的拱坝监控系统，其特征在于，所述协调器采用TI公司的CC2530芯片。
5.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee的拱坝监控系统，其特征在于，所述ZigBee无线网络节点还包括看门狗电路、蜂鸣器、电池组，所述看门狗电路、蜂鸣器、电池组分别与ZigBee模块相连接。
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