基于ZigBee的航标遥测终端在广东省航道桥梁上的应用

杨万鸿

摘 要：本文介绍了ZigBee技术的无线网络来实现桥涵桥柱遥测的新型终端在广东省I级航桥梁助航标志的应用，该终端由中心主机和测量盒两部分组成。它的硬件电路采用stm32L151微处理器、ZigBee模块和GSM模块搭建，利用ZigBee传输技术将各个监测点上的航标运行状态数据进行统一收集、处理、分析并通过GPRS/SMS将数据上报到服务器上。测量盒安装在桥柱标、桥涵标上，采用稳定可靠无线Zigbee传输、组网技术将相对分散的桥柱标、桥涵标运行状态数据集中上报到中心主机，一个中心主机可接入多个监测点，从而有效地实现了对桥涵桥柱灯的遥测遥控。

关键词：ZigBee 遥控遥测 航标监测平台

1.引言

随着广东省水运和航道事业的发展，航道运输船舶日益增多、船舶吨位越来越大。随之而来的船舶安全问题也是日渐严峻。特别是架设在江河上的桥梁，既要考虑车辆通行，又要考虑船舶通航，给航道管理部门带来了很大的困难，在夜晚及阴雨天能见度低的情况下，更是降低了船舶通航安全系数，传统的航标维护方式已不能满足航道发展的需要，因此，新使用新的技术和手段来开发桥涵桥柱航标遥测终端是相当必要的。ZigBee无线网络可通过自组网形式把采集的桥涵、桥柱标数据可实时传输给中心主机。而桥梁航标所采集传输的数据量不大，所需带宽足够。因此其低带宽、低功耗、体积小、安全等特点，非常适合用于桥涵桥柱灯监测使用，从而有效地实现了对桥涵桥柱灯的遥测遥控。

2.由ZigBee技术遥测终端的硬件组成

2.1遥测终端硬件组成

在实际测试中ZigBee无线网络在300米范围信好非常稳定，同时可无限扩展，并且可以很容易的建立基于IEEE 802.15.4标准协议上面。本次桥梁上使用的ZigBee模块型号是CC2530，具有短、中、长距离的无限ZigBee网络低功耗。模块工作在2.4GHz的ISM频段。因此在跨度为300米范围内的桥梁都采用此方案。

本施工项目中每座桥梁上下游各用1个中心主机和多个测量盒，为便于其稳定性上下游中心机各自独立与各自所处在一个平面的测量盒组网。桥涵桥柱中心主机适用于各监测点数据接收、处理、分析并通过GPRS/SMS通讯方式将数据上报到服务器上。桥涵桥柱测量盒，用于检测桥柱上的航标灯在夜晚是否正常发光，并将监测点数据上报到中心主机，其中心主机和测量盒硬件结构图（如图一）

2.2遥测终端电源

新型ZigBee无线连接技术的桥涵桥柱中心主机使用4V/100AH的免维护铅酸蓄电池，为确保中心主机在通讯时需有稳定的3.3V与5.0V工作电压，在工作电压部分采用了升、降稳压转换电路。（如图二）。

升压电源模块（如图三）：采用AMC3202升压芯片，将蓄电池电压升高到5.6V。

升压芯片工作电压范围在2.7V～30V，通过调整反馈电阻阻值（RB18，RB19）来调节升压电路的数据电压。当AMC3202的输入电压比输出电压高时，此芯片自动停止工作，输入电压通过电感，二极管直接连接至输出。

降压电源模块（如图四）：给GSM模块供电的LDO降压电源采用SPX29302T5，其输出电压可调，通过反馈电阻R88，R89进行调整其输出电压。由于GSM模块的瞬间发送电流需要2A，但是持续时间不长，在它的电源输入脚放置470uf钽电容进行储能，使其输入端的电压不至于跌落太多；放置47pf与20pf陶瓷电容进行高频退耦，改善其电源的完成性能。

2.3遥测终端功耗及环境

在通过实验环境测试以及现场监测，在工作电压为4V采集通讯主机模块与外设功耗约为30mA，ZigBee模块功耗约为30MA，GSM模块部分功耗约为15mA，其综合平均功耗约为72 mA。工作电压：3.3V～6V，环境温度：-20℃～65℃，环境湿度：0～95%RH，无冷凝。

3.现场安装与调试3.1现场安装示意图

广东省I级航采用ZigBee无线连接技术的桥涵桥柱航标遥测遥控系统，包括：岸基监控模块、采集通讯主机模块、多个航标终端、数据采集模块。岸基监控模块与采集通讯主机模块通过无线通信方式连接，通过GPRS/SMS通讯方式将数据上报；主机通过无线ZigBee与从机模块连接；桥涵桥柱的终端从机模块之间通过无线对接的方式对航标的工作状態信息进行采集。从而实现的桥柱桥涵RTU直接监测桥柱桥涵所有灯信息，并远程传输的功能。在跨度介于300米间的桥梁采用了，一主三从的安装方式（如图五），单孔双向通行只需要2张通讯卡就可实现桥涵桥柱航标灯信息采集，从而实现了高效、精准、经济的遥测遥控监控功能。

3.2不同桥柱灯相关配置

基于各中心主机、测量盒、太阳能板有效充电、航标灯及桥梁所处位置、天气状况等综合因素，经实验数据分析及现场检测，广东省I级航道桥梁太能板、蓄电池配置参数表一：

4.调试结果与结论

目前西江局及东莞局加装了采用ZigBee无线传输技术桥涵桥柱遥测终端，在运行过程中均能正确、稳定、有效监测桥涵桥柱灯灯质异常、蓄电池电压电流异常、太阳能板充电异常。并能通过GPRS/SMS通讯方式将数据上报，同时在遥测监控系统中可在线实时发送指令对终端进行设置（如图五），实现了桥涵桥柱灯远程遥控监测，并且运行稳定。由此可见，采用ZigBee无线连接技术的桥涵桥柱航标遥测遥控系统可以方便的实现桥梁桥柱航标遥测终端功能，其GPRS/SMS双模通信，可确保数据多途径、多方式上传监测系统，同时每座桥梁只需要用2张通讯卡便可实现整座桥梁采集信号上报，降低了后期维护成本，因此ZigBee无线连接技术的桥涵桥柱航标遥测遥控系统可在广东省内河I级航道全面实施。

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