基于ZigBee的大坝安全监控系统的研制与实现

邹兵，张学习，谢云，陈文辉

(广东工业大学自动化学院，广东广州510006)

0 前言

随着大坝监测项目的逐渐增多，应用在大坝监控上的传感器数量也在不断加大，对单个传感器或传感器组实行独立的自动化监控是不可能的，应该将大坝的监控项目全部包括在一个自动化系统之内［1］。无线传感器网络和各种智能传感器在工业控制领域的广泛运用，使建立无线数字化水库大坝安全监控系统成为可能。针对水库枢纽区大坝监控的需要，文中设计了基于ZigBee的水库大坝安全监控网络，利用各路由节点转发各监测点数据到水库大坝监控中心。该方案充分利用了无线传输的特点，采用支持ZigBee通信协议、成本低、功耗低的设备，具有实时性强、布线复杂度低、维护简单的优点。

1 系统概述

该系统设置了一个中央控制单元，从这里对整个监测项目进行自动化控制。无线传感器网络大坝安全监控技术在检测准确度和监控灵活性等方面都具有传统监控手段难以比拟的优势，它不仅可以提供更大的灵活性、流动性，省去花在综合布线上的费用和精力，而且通过自适应的组网和无线通信技术，使得整个无线传感器节点之间通过分布式协作实现统计采样、数据融合、查询式监控和动态功能升级等先进的监控措施［2-3］。

1.1 ZigBee无线通信模块的选型

基于性价比的考量，ZigBee无线射频芯片采用飞思卡尔的MC13224，MC13224具有技术成熟，二次开发及其简单等特点。在不使用内部功放模块的基础上最大可输出2.5 mW功率，在室外空旷环境下传输距离超过100 m，为确保通讯距离的可靠性，在本设计中引入外部功放芯片RF6575，此芯片是专用于2.4 G频道功放芯片，输出功率可达160 mW，无论室内和室外使用，终端模块可靠通讯距离都可以大幅度提高。ZigBee的无线射频模块的原理图如图1所示。

图1 ZigBee的无线射频模块原理图

1.2 网关模块的硬件设计

网关是整个ZigBee无线网络的核心，负责网络的维护和数据的处理等任务，该节点包含有ZigBee射频收发和GPRS模块。其硬件由ARM7核Risc结构的LPC2210微处理器、Flash存储器、网络接口以及一些数据采集卡组成。主要功能包括:实现现场监测信息的实时传输;采集现场设备信息并进行处理;响应监测端的请求，为监测端提供所需信息;接收监测端的控制信息，经过软硬件转换对现场设备信息进行控制。网关结构框图如图2所示。

图2 系统网关硬件结构框图

GPRS通讯模块选用广和同公司的G600模块，该模块专为M2M应用设计，支持Dual 900/1800或850/1900双频。G600模块外观小巧，功耗低，GPRS数据连接可靠，内置的TCP/IP协议栈。G600模块符合工业级要求，采用B2B工业级连接器，可适应高温高湿，电磁干扰等恶劣的工作环境。基于GPRS网络的移动数据通信扩展了Flash程序存储器和SDRAM，Flash存储器可存放已调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统或其他在系统掉电后需要保存的用户数据等，SDRAM为操作系统和应用程序提供运行空间，并为通信提供接收和发送数据缓存区;串口通讯模块用于调试及与终端设备进行通信;JTAG接口可用于对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口可对系统进行调试、编程等［4-5］。另外，还有电源、复位等电路。网关模块的处理核心与终端电路的核心都是ZigBee无线通信模块。

GPRS链路的搭建和维护业务在ZigBee网关中实现，在ZigBee网关初始化流程中自动完成对G600模块的上电检测和初始化动作，保证G600模块处于正常的待机状态，当协调器定时上报时间达到时自动将G600模块切换到GRPS模式，并完成数据通信任务。

1.3 无线通信协议

系统采用主从结构通信模式，监测中心的PC机为主机，各网关为从机。系统通信模式的模块化设计为主机通过Internet网络和GPRS网络 (包括手机短信通信)向从机发送指令。为保证监控中心和网关之间的通信，特定义网关和监控中心的通信协议，网关和监控中心是以数据包是方式进行通信。采用模块化设计协议栈，使得整个系统层次清楚、扩展性好，有利于ZigBee技术的二次开发［6-7］。

Zigbee网关由监控中心通信数据包组成，数据包组成如表1所示。

表1 数据包的组成

其中起始标志表示一个完整数据包 (分组)起始的标志;版本为标识协议的版本;命令标识是指命令类型;应答标识是数据应答标识;数据单元是数据包的有效载荷 (PDU);校验单元是对协议中从“版本”到“数据单元”的内容进行校验;结束标志表示一个完整数据包 (分组)结束的标志。

通信过程:由监控中心发起，网关应答。每次通信网管中心可以查询网关的一个或多个监控对象。查询命令的通信过程如图3所示。

图3 系统通信过程图

组包要求:监控中心在下发命令时，发送查询或设置命令，可以一次查询一个或多个监控对象，也可以设置一个或多个监控对象。网管中心发查询命令时，要在监控对象的“监控对象内容”部分按协议中约定的长度填入数值 (数值为0x00)，并正确填写“监控对象长度”的值，网关在接收到后并不需要对“监控对象内容”部分进行处理返回时，用真实内容替代这些0x00(若长度未达最大，末尾部分全部填0x00)。网关向监控中心返回的数据包中，是按照设置好的各监控对象的实际值返回的。

2 系统结构设计

我们的目标是要在上述应用背景下研究设计出一种通用的基于ZigBee的无线通信系统，这种ZigBee无线射频模块硬件系统如图2所示。这种设备不但能够支持最通用的GPRS网络与TCP/IP通信，还能远程控制和数据采集。也就是使这些设备网络智能化。当一台设备具有网络智能时，人们可以在任何地方、任何时间通过网络随时监测设备实时的状态。系统的网络拓扑结构图如图4所示。

图4 系统的网络拓扑结构图

系统主要由ZigBee网络模块、GPRS网络模块、大坝安全监控中心三部分组成。

ZigBee网络模块由ZigBee终端模块和网关模块组成，其中网关是ZigBee网络的核心。GPRS网络模块利用GPRS传输技术为系统实现远程通信。大坝安全监控中心由计算机、防火墙和数据库等构成，通过计算机网络技术、数据库技术和软件平台实现远程监控功能。在系统运行过程中，网管中心可以对监控终端的运行参数进行设定，并可对采集到的仪表数据进行存储、分析和汇总，便于水库工作人员对监测点的大坝安全监测数据信息进行观察和分析。由于终端模块一般距离监控中心比较远，并且处在水库中，其工作电量也是要考虑的一个问题，所以系统在终端模块加了太阳能充电装置，保证其能连续工作，而且上传的大坝数据信息也将终端模块的电池电量纳入监控范围。

3 监控系统的软件设计

该系统操作软件在系统实时性、可靠性、效率等方面有着突出特点的专用操作软件，由于系统信息处理量较大、实时性要求高，操作系统的存储调度、进程管理、文件管理等都要求采取高效可行的策略。系统流程图如图5所示。

图5 监控系统流程图

监控系统软件包括2大部分:一是负责与ZigBee网关通讯的底层软件，用来接收网关上报的水文数据以及发送系统设置命令给网关，其中通讯方式又分为GPRS和短信两种;二是人机交互的监控中心操作界面，支持多任务、多进程，能提供较好的实时性。不论是底层通讯软件还是上层人机交互界面都是在VC＋＋6.0环境下开发，底层通讯软件在接收到网关上报的数据包后，做数据协议解析，对于符合通讯协议的数据转存到以年-月命名的TXT文件中存档，并实时更新人机交互界面站点信息表中的水文数据及电池电压数据。监控系统软件工作原理图如图6所示。

图6 监控系统软件工作原理图

在线实时监控服务器是整个服务器的核心部分。主要功能是网关模块实时对监测信息的压缩、编码，并及时发送到监控中心。网关是整个ZigBee无线网络的核心。在响应监控中心的命令时还要对下发指令进行解码，然后将命令发送到终端模块。终端模块控制数据的实时采集，将采集的监测信息存放在待编码测控信息缓冲队列中，在模块需要发送数据时默认将目的站点编号和需要传送数据组包后发送到上级模块。上级模块在接收该数据后提前与目的站点编号进行对比，如果该站点编号与自身站点编号一致，说明自身就是目的地址，处理并应答该数据，如果目的站点属于子站则对子站进行转发，否则对上级站点进行转发。

3.1 在线遥控监控调度与传输模块

在线遥控监控调度与传输模块共同协作，为网关提供所需的测控信息，测控信息经传输模块根据所采取的网络协议与网关建立连接，监控各个水库站点的数据信息。监控信息调度模块根据不同的服务需求采取相应的调度策略创建下发的指令流，传递给监控信息传输模块;监控信息传输模块将指令流分组、打包，发送到网关，并根据路由器和网关反馈的网络状态信息进行差错处理和拥塞控制。

在线遥控监测调度模块要求系统能对所有的站点进行监控，并且可以设置系统信息，如设置通讯方式、网管中心SIM卡号、数据上报时间间隔等，系统设置如图7所示。该系统还要求在特殊情况下对具体大坝站点数据信息可以采取立即上报的操作，此时要求系统优先服务的策略，对特定站点请求数据立即上报生成一个站点监测信息流并上报到监控中心。

图7 系统设置图

系统的传输模块分为ZigBee无线网络模块、GPRS网络模块、Internet网络模块以及在特殊情况下的短信通信模块。ZigBee无线网络将信息上传的传输方式如下:终端模块传感器节点采集的水文数据通过网关上报给大坝安全监控中心，同时大坝安全监控中心针对传感器网络设置的个性化参数，如采集周期，上报间隔，立即上报等需要下发给网关。网关与监控中心之间的通信除了上面提到的GRPS传输网络方式之外，还可以通过短信方式实现互联。网关搭载的GRPS模块不仅可以通过拨号上网的方式登录GPRS移动网络，同时还可以收发短信。大坝安全监控中心连接着一个工业级GSM MODEM，在Internet网络断路的情况下，可以由该GSM MODEM实现与网关之间短信通信，由此保证网关与大坝安全监控中心之间稳定的通信线路。

3.2 大坝数据信息的实时构造和显示模块

当系统要求上传大坝数据信息是，系统会将上传的数据实时分类构造，以便在显示端能清楚辨别;当系统下发指令时，系统会根据显示端的变化通过转换程序对下发的指令进行构造以便底层识别。

实时数据的构造:实时数据主要有数据接收表、数据检测表、站点参数表、报警数据表。数据接收到之后，系统会把原始数据存入数据接收表，然后数据转换程序会把数据转换成实际数值，并把每个检测量存入到数据检测表、报警数据表内，以供数据展现使用。当需要对通讯主机和通讯终端进行设置，或者是下发参数，数据转换程序会对要下发的数据进行编码，然后把编码的数据下发给监控终端。实时数据各数据表的功能如下:

(1)数据接收表:存储接收到的实时数据;

(2)数据检测表:检测上传的数据是否为安全界限内的数据;

(3)站点参数表:各个站点每个采集量的各种参数;

(4)报警数据表:存储报警的数据。

水库数据信息显示模块是指在监控中心把下发的指令、系统设置信息 (如图8所示)和网关上报的大坝水位、终端模块的电池电量通过显示器可以随时查看。ZigBee无线传输网络的网关模块不断地向监控中心传输终端模块采集的水位及电池电量等信息。监控中心收到这些数据后实时地以图表的方式显示和更新，这些数据可以直接反映当前的水库水位状态以及采集终端的电压情况，水位是否正常，各终端节点电池电压是否充足，如图9所示。

图8 系统设置时显示的数据信息图

图9 水库数据实时显示图

3.3 存储管理模块

监控中心除了实现站点水位及电池电量数据实时图表显示以外，还将存储站点的历史数据。存储管理模块的主要功能是将接收到的监测端的数据信息根据一定的策略存储至硬盘的特定区域，在必要情况下可以查询存储至硬盘的水库历史数据。系统对大坝数据的保存有较高要求:

(1)以较高的频率，存放来自各数据采集终端收集的数据;

(2)可以大容量，长时间的存放;

(3)具有站点个数显示的扩展性;

(4)存放各个数据采集终端的各种配置。

该系统采用分组存储策略，即将监测信息按照时序关系分割成若干个数据单元存储在文本中，存储的信息单元包括站点编号、站点水位、站点终端的电池电量以及站点接收数据时的具体时间，所有的站点历史数据都将存放在D:根目录下，以年-月命名的txt文件中，即一个txt文件存放一个月的历史数据。例如2014-5.txt存放的是2014年5月份所有站点(节点)的历史数据，如图10所示。

图10 存储历史数据图

txt文件中内容包括站点编号、水位高度、电池电压以及水位高度采样时间即年、月、日、时、分、秒。

4 结论

针对现有的大坝安全监控系统网络通信技术的不足，提出了基于ZigBee无线传感器网络远程监控大坝的安全监控系统，可以根据ZigBee的自适应组网，使整个无线传感器节点之间通过分布式协作实现统计采样、数据采集、查询式监控。系统具有安装方式简单、工程施工量少、通信可靠性高、投资成本低等优点，是把物联网技术应用到水利信息系统中的典型案例，值得推广和借鉴。

［1］乔静.基于ZIGBEE的大坝安全监测系统设计［D］.大连:大连理工大学，2012.

［2］吴学文，彭光路，查理敏.基于ZigBee的无线传感器网络在大坝安全监测中的应用［J］.水利自动化与大坝检测，2008，32(6):48-52.

［3］许俊杰，陈磊，董辛旻.基于ZigBee的振动监测无线传感器网络设计［J］.机床与液压，2010，38(22):107-108.

［4］冯道训.ZigBee和GPRS技术在无线水文监测系统中的应用研究［D］.太原:太原理工大学，2008.

［5］张文雷，杨世锡，黄超胜.一种基于GPRS无线通讯的分布式设备远程监控系统终端的研制［J］.机床与液压，2009，37(4):82-85.

［6］孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［7］LEE Jin SHYAN，HUANG Yang Chih.ITRI ZB node:A ZigBee/IEEE 802.15.4 Platform for Wire Less Sensor Networks［C］//2006 IEEE Conference on Systems，Man，and Cybernetics，2006.