无线通信ZigBee技术在中小型水库大坝安全监测中的应用

刘文辉 雷四华 徐赞

摘要：深入分析了中小型水库安全监测网络构建的特点，综合论证了ZigBee结合GPRS技术作为前端通信在中小型水库安全监测中的可行性。以江西省中小型水库为例，结合其数量众多且对安全监测需求迫切等特点，将ZigBee技术作为前端通信基础，设计了一套系统组成合理、实用性强的监测系统。应用实践证明，ZigBee无线通信技术系统架构简单实用，符合中小型水库大坝区域内的应用需求，可为全面开展中小型水库监测及其安全运行提供扎实可靠的技术支撑。

关键词：大坝安全监测;ZigBee技术;无线通信;GPRS;中小型水库

中图法分类号：TV698.1 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.015

利用信息化技术建设大坝安全监测自动化系统，完善水库大坝安全运行管理机制是促进水库大坝安全运行的总体趋势，也是解决中小型水库安全监测的有效手段[1-5]。随着通信技术的发展，采用无线接入的通信方式对中小型水库进行信息监测较为有效可行。本文采用支持短距离ZigBee通信技术且功耗、成本低的无线传感器，与无线数据采集仪之间组成ZigBee无线网络系统，结合公用无线网络（GPRS、3G或4G），构建了一套水库信息动态监测系统，具有实用性强、布线复杂度低、维护简单的优点，能较好地解决偏远地区中小型水库的信息采集不便等问题[6-7]。

1 主要无线通信技术

目前，安全监测系统中采用的无线通信技术主要分为以下几种[8-10]：

（1）数据电台。数据电台数据与语音兼容，大多采用调频扩频技术，为单载波调制，可采用单工、半双工、时分双工、TDD、全双工方式，收发同频或异频中转组网。数据电台建设成本低，但运行维护成本高，易受外界干扰。

（2）卫星通信。卫星通信利用地球卫星作为中继站转发或反射无线信号，在两个或多个地面站之间进行通信，卫星通信的显著优点有：通信距离远，不受地理限制;通信容量大，可实时传输图像;不受大气层干扰，通信可靠。但卫星通信的信道租用成本高，不适合在中小型水库广泛应用。

（3）公用移动通信网络。公用移动通信网络有GSM、GPRS、3G或4G 等通信技术。GPRS（General Packet Radio Service）是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端、广域网络无线IP连接，在目前监测站点通信中仍占有较重比例。

（4）無线局域网。WLAN属于短距离无线通信的一种，主要标准为IEEE 802.11系列。其优点是传输速率大，可达几十兆至数百兆;但在无桥接时，其传输距离一般在几十米以内，且随着距离增加，信号强度急剧下降。设备运行功耗多在数百毫安。

（5）ZigBee技术。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，通过大幅简化协议，降低了对通信控制器的要求。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种中短距离、低功耗、低成本、高容量、高安全性（提供了3级安全模式）的无线通信技术，通信距离一般介于10～100 m，在增加发射功率后，亦可增加到1～3 km;响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15 ms，节点连接进入网络只需30 ms，广泛适用性于自动控制和远程控制领域。

（6）其他通信技术。包括蓝牙、红外、射频识别、超宽带技术等。其中，蓝牙技术通信距离太短，通常在1～10 m;红外只能点对点传输，组网不便;射频识别组网技术暂不成熟。基于此，以上技术均很少应用于水库大坝安全监测中。

2 中小型水库大坝安全监测特点

中小型水库大坝安全自动化监测系统具备工程安全监测系统的一般特征，同时也具备一些独有的特点。

（1）大坝分布范围广且测点分散，数据通信基础设施欠缺。大坝监测包括坝体工程主体结构、地基基础、两岸边坡、相关设施及周边环境等内容，其监测布点范围广泛、监测要素众多;而我国中小型水库大多数在20世纪60～70年代建设，其数据通信基础设施欠缺。

（2）监测点无电力供应，低功耗设备成为首选。大坝监测的多数测点分布于坝体、坝前、坝后等室外场地，接入市电常存在繁琐的布线工作，且有一定安全隐患，而大功率的太阳能、风能、蓄电池等建设成本昂贵，为此，安全监测首选低功耗设备。

（3）数据通信速率低，数据量小。中小型水库安全监测对实时性要求不高，多为间歇性、周期性数据采集，系统传输的数据量相对较小，数据传输速率低，应用时需关注通信的稳定性。

（4）控制网络设备成本，保持运行维护成本较低。中小型水库数量众多，若单个水库安全监测建设、运行维护成本较高，将大幅度提高总投资及运行维护费用。为此，对各安全监测需严格控制成本，同时考虑低运行维护费。

通过对中小型水库安全监测特点的分析可知，在构建安全监测网络时，采用无线通信方式要明显优于有线电缆传输。无线监测网络系统，是构建中小型水库安全监测系统的首选网络环境[11]。针对大坝安全监测系统测点多，低功耗、低速率、低成本要求等特点，如果每个测点都配接一个通讯设备（RTU）并配置一张通讯卡，系统建设成本势必明显上升。在众多无线通信方式中，ZigBee通信技术具有明显优势。中小型水库的坝区范围不大，利用该技术以每套无线数据采集仪为中心构成若干个无线通讯系统，各个系统的信号区域互相叠加，相邻的两套数据采集仪互为备份，可实现水库大坝区域内众多测点和无线数据采集仪无线实时数据传输。将采集各个测点的实时数据，再通过无线数据采集仪内置的4G模块，利用GPRS、3G或4G公网信号，将大坝监测数据传输至监控调度中心，成为前端通信与远程传输的可靠搭配。这种架构，距离较近的传感器可以共用RS485传输线就近接入ZigBee模块，从而大量节省终端设备以及相应的通讯费、太阳能供电系统，并可减少相应的立杆以及建设费用，加快施工周期，达到大幅降低整个系统建设费用和施工周期的良好效果。

3 ZigBee技术在大坝安全监测中的应用

3.1 设计背景

江西省现有1万余座水库，中小型水库占绝大部分，且多数位于偏远的山林地区，具有“点多、面广”的特点，各水库在防洪、灌溉、发电、供水、航运和水产养殖等方面发挥了巨大作用，取得了显著的社会和经济效益。为加强水库大坝安全管理，近10余年来，病险水库除险加固取得了显著的成绩，绝大部分的大中型水库和重要小型水库安全状况得以改观。但目前大坝安全监测还尚未满足“规范、准确、及时”的要求，对于地理位置偏远，交通、供电、通讯等条件相对较差的小型水库，所在地水库管理局（或者乡镇）的水库管理人员无法实时观测到水库出现的险情，存在较大安全隐患。开展大坝安全现场自动监测（获得实时数据）、远程传输控制已成为水库安全管理建设重要内容。

3.2 系统整体结构

前端传感器采用内置ZigBee模块无线传感器，通讯设备采用内置有ZigBee无线通讯模块和4G通讯模块的无线数据采集仪。由于这些设备需在野外工作，根据系统具体情况，配置太阳能电池板及铅酸蓄电池作为后备电源。系统整体结构如图1所示。

3.3 系统组成

水库大坝自动监测系统主要由现场监测设备、远程传输设备、通信平台和监测中心等4个部分组成[12-13]。

（1）现场监测设备。包括形变仪、水位计、雨量计、工业照相机以及传感器等负责计量和采集大坝变形、水库水位、降雨量等信息，并对水库现场进行拍照或录像（图片和录像信息通过RS485通讯线路就近直接接入无线采集仪）。传感器上电后内置的ZigBee模块立即搜寻并接入附近的多路数据采集仪的ZigBee网络，从而实现双向通讯。

（2）无线数据采集仪。即水库监测终端，内置ZigBee无线传输模块和4G通讯模块，负责采集现场无线传感器。通过ZigBee协议发送的实时数据和图片信息，再通过内置的4G通讯模块利用公用移动网络将现场信息传送给监测中心[14]。无线数据采集仪上电后自动组网，无需人员干预;增加或删除监测点不影响其他监测点的正常工作。监控现场附近的两台无线数据采集仪可互为备份，同时接收并上传数据。

（3）通信平台。包括公用移动网络（GPRS、3G或4G）和Internet网络。经公用移动网络，各水库的水位、降雨量数据和现场图片传输到Internet公网，并通过固定IP地址传送给监测中心服务器。

（4）监测中心。包括交换机、服务器、UPS 电源等硬件设备和操作系统、数据库、水库监测系统等软件组成。

3.4 ZigBee通信及节电设计

系统中现场监测设备配置终端机作为ZigBee网络中的网络协调器，按照设定的工作时间为传感器间歇性供电，传感器上电后加入ZigBee网络并将数据发送给数据终端机，如果数据发送失败，可按照设置地址发送给备用数据终端机，这样大大改善了整个系统的数据传输可靠性。

结合传感器间歇式上电工作特点，远程数据终端机的PANID应保持不变，便于上电后能迅速加入网络。将远程数据终端机PANID设置为固定值，并配置编译选项，能保存传感器运行过程中的状态量，在掉电或复位后，传感器可恢复之前的连接状态。

另外，为实现节电目的，远程数据终端机和传感器在空闲时都进入休眠状态，同时可预设休眠时间，由休眠定时器控制休眠状态。

3.5 软件系统功能

軟件系统采用 B/S 结构设计，用户可通过局域网或广域网进行远程访问。现场监测系统对所监测水库实现全天候远程自动监测，可完整记录各水库数据的动态变化过程。在大坝现场自动监测、远程传输控制基础上，软件系统包括实时多源信息查询服务、监测预警服务、多媒体数据存储管理服务等子系统。

在监测预警服务中，软件系统实时跟踪监测信息，在水位预警方面，汛期高于汛限水位或非汛期低于死水位时，系统可通过弹出提示框、发出报警音、向相关责任人发送报警短信等多种形式报警，并自动拍摄现场照片传送给监测中心。各子系统功能丰富、有机协调、操作便利，可较好地满足业务管理需求。

3.6 测站建设

目前，江西省共有15座中小型水库监测采用ZigBee无线数据传输技术。本文以抚州、新余两市为例，具体说明ZigBee技术的应用情况。抚州市共有9座水库采用了该技术，主要应用为雨量、水情信息监测采集，部分测站包括图像采集。新余市共有6座水库采用了该技术，包括雨量、水情及图像等信息采集内容。抚州、新余两市水库ZigBee技术应用情况如表1所示。

按照各采集要素频次要求，雨情、水情每日应有平安报及增量自报，图像为1 h一报，变形监测应有每日平安报及定时自报。经过对近2 a的数据采集情况统计分析，抚州市、新余市各雨情、水情数据到报及时率均达到90%以上，个别测站在检修维护过程中存在影响数据到报及时率，少数站点存在故障，对数据到报及时率影响较大。ZigBee技术模块运行较为稳定，暂无故障。

4 结 语

水库大坝各监测点的无线传感器通过ZigBee无线数据传输与系统的无线数据采集仪实现无线双向通信。坝体上各无线数据采集仪的距离相隔很近，ZigBee通讯对距离的要求很低，从而可以有效规避恶劣天气、无线电电磁干扰对系统通讯的影响，相邻的无线数据采集仪因为通讯范围重叠区域很大可以互为备份，再通过公用移动网络传输模块发送至省、市、县等监控平台并接收各级平台下发的命令。

实践证明，ZigBee无线通信技系统架构简单实用，无需在坝体上铺设供电和通信缆线或建设大量的立杆，其特点与中小型水库大坝区域内的应用需求较为契合，同时还可节省大量设备费用，加快建设周期。

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（编辑：李晓濛）