东风西沙水库无线安全监测网络的设计与应用

华 涛，傅罗真，李桂平，崔 岗，肖庆华

（1.南京献南瑞集团公司，江苏省南京市 211106；2.上海勘测设计研究院，上海市 200434）

0 引言

安全监测自动化系统在各个工程的广泛应用，为发挥工程效益、提高设计和施工技术水平方面发挥了重要作用，同时更为检验工程安全提供重要的信息，在安全监测领域的作用举足轻重。

近年来，随着科技的迅猛发展，无线通信技术在安全监测自动化系统中的应用研究也不断深入，以GPRS、3G、4G为代表的移动通信技术、以WLAN（WIFI）、ZigBee、WiMAX为代表的近距离无线通信技术，以及传统的数传电台、特高频/甚高频为代表的无线通信技术在工程安全监测自动化系统的应用日益广泛。其中，ZigBee无线通信技术以其低功耗、低数据速率、使用免费等特别适合安全监测自动化的一系列特点受到业内人士的广泛关注。ZigBee技术突破了传统监测依赖敷设数据传输总线的束缚，实现了点对点的近距离无线信号传输，可视传输距离不小于500m，最大可达到1.6km，且支持无线通信距离的扩展，可灵活构建免费的无线局域监测网络，在工程监测领域具有良好的应用前景。

但由于工程环境的复杂性也往往会给ZigBee无线监测网络的设计带来挑战，本文结合上海东风西沙水库安全监测自动化系统的工程应用环境，力求在工程的技术经济型、实用性和先进性之间取得优化平衡，研究了无线监测网络的实现方案，给出了具体的无线安全监测网络的设计。

1 无线安全监测网络

1.1 ZigBee主要技术特点

ZigBee是一种新兴的基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的、有关组网、安全和应用软件方面的技术。它采用直接序列扩频技术，具有扩频技术抗干扰性强、误码率低、安全性高等优点[1]。ZigBee技术还具有以下特点：

（1）低功耗: 由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电；相比较而言，蓝牙、WiFi通信速率虽高，但功耗更大。

（2）成本低：由于ZigBee协议免专利费，终端设备价格一般较便宜。

（3）网络工作频段免费：ZigBee工作在免费的不必许可证的工业科学医疗（ISM）频段（美国为915MHz，欧洲地区为868MHz，全球其他地区为2.4 GHz）。因此，不用进行复杂的频段使用申请，无需交纳频段使用费用，这也是ZigBee得到广泛应用的突出优点之一。

（4）网络容量大，组网便捷，扩展性好。ZigBee技术可采用星型、网状型、簇状型三种网络拓扑结构，此外，通过各种路由功能节点，可形成最大容量为65535的超大个人局域网络（PAN，Personal Area Network，个域网），并且该个域网络可与现有的移动通信网络、互联网等网络连接，具有良好的扩展性。

（5）通信速率低，但满足工程监测的需要。ZigBee模块工作在20～250kbit/s的较低速率，针对不通的工作频段，分别提供250kbit/s（2.4GHz）、40kbit/s（915MHz）和 20kbit/s（868MHz）的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。

（6）传输距离近，室内传输距离在10～100m之间，室外可视环境下实测通信距离在600m以上，但可通过路由等功能节点进行组网来扩展通信距离。

（7）安全性高，ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128）的对称密码，以灵活确定其安全属性[2]。

ZigBee技术的上述特点，使其特别适合于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输，以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用[3]，从而决定了ZigBee技术在工程安全监测领域有着较强的适用性。

1.2 ZigBee无线安全监测网络

基于ZigBee的无线安全监测网络，是通过基于ZigBee技术的无线数据采集模块、无线传输模块、无线通信管理模块以及相关数据采集模块，构建的监测反映工程安全性态的各种物理量的数据采集传输网络。

ZigBee无线安全监测网络中的所有模块具有同一个网络ID，这些模块形成了个域网。其中，无线通信管理器作为协调器，负责对PAN网络中各个无线节点的管理；每个ZigBee个域网中只能存在一个协调器功能模块，且协调器功能模块处于通信链路的下行端，即处于发出命令的数据采集系统的一端；个域网中可以存在多个无线采集模块和无线传输模块，其中，无线采集模块具备传感器信号采集和数据无线通信功能，无线数据传输模块仅承担数据无线通信功能；这两种模块均可通过相应配置，同时承担无线通信路由中继功能，以实现对ZigBee无线通信距离的扩展，有效扩展ZigBee的应用范围，提高无线安全监测网络的实用性。典型的无线安全监测网络如图1所示。

图1 无线安全监测网络示意图

图1 所示的无线监测网络，理论上无线数据采集模块和无线数据传输模块的网络容量可达65535个。但考虑到各模块均配置为中继模式，模块越多，自动构建网络中形成的中继层数越多，通信延时相应越大，网络的实时性受到影响。因此，在工程应用中，应结合工程环境，将无线监测网络适度划分为多个PAN。然后可以利用有线数据传输设备（如光端机）或其他类型的无线通信方式（例如GPRS无线通信），再依据不同的通信协议转换和解析，将多个域网组成的无线安全监测网络有效整合到一个安全监测自动化系统中。图2为多个无线安全监测网络PAN和有线光纤通信网络整合的网络示意图。

图2 无线安全监测网络与既有有线通信网络的融合示意图

综上所述，采用基于ZigBee技术的无线安全监测网络，尤其适用于现场条件不能或者难以满足敷设通信线缆的情况下，方便快捷地构建局域的测控网络。同时，无线安全监测网络与工程现场既有的有线通信网络（如典型的RS485总线网络）的组合十分灵活方便，无缝融合于既有的安全监测自动化系统，从而使无线安全监测网络的应用优势进一步放大，安全监测自动化系统的构建真正做到灵活多变，实现因地制宜。

2 工程设计与应用

2.1 工程概况

上海东风西沙水库位于上海长江口南支上段的北侧，崇明岛西南部，属于城市供水工程，位上海第三大水库。环库大堤总长度12km，有效库容890.2万m3，总库容976.2万m3。环库堤段分为东南西北四个堤段，长度分别为1220、4798、2352m和3638m，围堤及取水、排水和输水三个泵站，围堤划分为19个观测断面，共布置各类观测仪器202支，主要用于变形监测和渗压监测，其中断面2-2，3-3，11-11布置有串联固定式测斜仪和振弦式渗压计，其他断面的仪器均为振弦式渗压计。

东风西沙水库各断面观测点通信距离间隔为600m或800m，其中南堤老海塘段环境相对开放，树木茂盛，且因客观因素影响，无法敷设总线，无市电可用，其他的东西北堤各测点铺设电缆施工成本较高；各个泵站内环境设施良好，具备交流供电条件，且取水泵站、排水泵站至输水泵站之间都具备光纤通信电缆；安全监测自动化系统主机安装于输水泵站内的控制室。

2.2 方案设计

根据综合现场勘察和分析，明确东风西沙水库的安全监测网络具有以下特征：环形围堤长度12km，堤上各观测点间距800m，点与点之间铺设通信电缆困难，而各泵站几乎均匀分布在环形围堤上，取水、排水两个泵站均具备通信光缆至输水泵站。

基于既有的工程条件，设计方案如下：

（1）16个渗压计观测断面的无线数据采集模块（产品型号：NDA1471）均配置路由功能，除承担本测点的无线采集通信功能外，还为下一断面的测点提供无线通信中继功能。

（2）为避免无线通信管理设备所覆盖的网络中，节点数和路由层级过多而加大通信延时，将根据无线通信管理器（产品型号：NDA1770）的安装于三个泵站的建筑物顶端，再依据无线通信管理器的位置对测点进行分区，形成三个具有不同ID的个域网，保证各个域网的中继层数均在6级以内，具体划分见图3。划分后的3个分区的无线通信管理器均通过光缆有线通信方式接入至监控主机。

（3）由于三个泵站处振弦式和差阻式仪器较多也较为集中，利用现有的DAU2000型常规采集模块，通过光缆有线通信方式进行采集通信更为经济合理。

（4）距离泵站相对较近且附近有交流电供应的断面（2-2，3-3，11-11），因配置有渗压计和固定式测斜仪，故采用DAU2000型常规模块采集，再配合无线数据传输模块NDA3320，实现无线传输。

（5）其余断面采用无线测量模块NDA1471测量采集并传输数据，采用太阳能供电，且在程序中增加监测太阳能供电电压的功能，为后期维护提供参考。

（6）老海塘处各断面间（7-7，8-8，9-9），可视距离不满足要求的情况下，适当增加1～2个无线通信中继模块，以保证无线信号强度。

图3 东风西沙水库无线安全监测网络分区示意图

2.3 系统网络图

根据上述的设计方案，基于无线安全监测网络形成的东风西沙水库安全监测自动化系统总体网络布置如图4所示。

如图4所示，根据工程现场实际划分的3个无线安全监测网PAN A、B、C中，无线通信管理器NDA1770管理无线数据采集模块NDA1471和无线数据传输模块NDA3320，再将形成的无线个域网通过光端机NDA3421及光缆连接至监测自动化系统主机上；各泵站的DAU2000型数据采集模块则直接通过光端机连接至系统主机。无线安全监测网络和既有的有线通信网络完美融合，形成了一个布局合理、经济实用、技术先进的安全监测自动化系统。

2.4 工程实现及效果

东风西沙水库安全监测自动化工程2014年3月开工，于2014年7月共完成19个无线测量站点和3个有线测站的安装以及系统调试工作。安装过程中，因各观测断面测点设备采用ZigBee无线通信方式，只需将采集模块和传感器正确连接，再就近安装太阳能板，环水库共12km内的测点，不需要额外铺设电源和通信电缆，无须大量的土建施工即可使安全监测系统快捷地接入自动化系统中，施工周期短，施工成本低，构建的安全监测网络成本相当经济。

东风西沙水库无线安全监测网络自投运以来，截至目前已经稳定运行满一年。在实际运行中，模块电源采用了20W/9V的太阳能板配合6V/12Ah的铅酸蓄电池，模块监测的电压数据均维持在6V以上，电源系统免维护，给业主带来了较大的便利；视通环境下，各测点无线通信间距为800m，并互为中继，形成了多达7级的无线中继链路，每个PAN内形成了长达约5km的无线通信通道。同时，为了保证通信的系统稳定性，在无法视通的环境下，结合现场工况分析，适当增加中继模块，进一步改善了系统的稳定性。实际应用验证表明，在中继链路最末端的测点，其通信时延在3s左右，能够满足工程安全网络的应用要求；执行安全监测系统中的取大规模数据命令和通信测试命令，未出现丢包的现象。

图4 东风西沙安全监测自动化系统网络布置图

图5 东风西沙水库安全监测自动化系统部分实测成果展示

东风西沙无线安全监测网络在系统的实际运行中，表现稳定可靠，得到业主和监理的认同。如图5所示为部分实测数据。

3 总结

本文结合东风西沙水库安全监测自动化系统的特点，因地制宜设计出的基于ZigBee技术的无线安全监测网络在工程上切实可行，并取得稳定有效的应用成果。应用实践表明，基于ZigBee的无线安全监测网络具有成本低、建设周期短、组网便捷、安装维护方便的显著优点，可大幅减少安全监测工程的土建施工工作量，使得安全监测自动化系统的构建过程更灵活多变，在一定程度上促进了工程项目的经济性和实用性的平衡，提升了安全监测网络的技术先进性，值得大力推广和深入研究。

[1] 刘子京，裴文江. 基于ZigBee协议的无线传感器网络研究［J］. 计算机技术与发展，2009，19（5）:192-194.

[2] 任秀丽，于海斌. ZigBee协议的无线传感器网络的安全性研究［J］. 仪器仪表学报，2007，28（12）:133-134.

[3] 曾衍仁. 基于ZigBee技术的远程测控网络[D]. 广东工业大学硕士学位论文，2011.

华 涛（1981—），男，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向：电子仪器仪表的开发和系统集成。E-mail：huatao@sgepri.sgcc.om.cn

傅罗真（1984—），男，硕士研究生，工程师，主要研究方向：安全监测自动化系统的工程应用和资料分析，E-mail：fuluozhen@sgepri.sgcc.om.cn

李桂平，（1981—）男，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向：电子仪器仪表的开发和系统集成，E-mail：liguiping@sgepri.sgcc.om.cn

崔 岗（1978—），男，本科生，工程师，主要研究方向为安全监测自动化系统的工程应用，E-mail:cuigang@sgepri.sgcc.om.cn

肖庆华（1977—），男，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为岩土工程设计和安全监测设计，E-mail:xqh@sidri.com