大坝安全监测系统主要无线组网策略

陆 纬 ，刘 波 ，陈欣刚 ，李家群

（1. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；3. 辽宁省观音阁水库管理局，辽宁 本溪 117100；4. 水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心，江苏 南京 210012）

大坝安全监测系统主要无线组网策略

陆 纬1,2，刘 波3，陈欣刚4，李家群1,2

（1. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；3. 辽宁省观音阁水库管理局，辽宁 本溪 117100；4. 水利部水文仪器及岩土工程仪器质量监督检验测试中心，江苏 南京 210012）

分析目前大坝安全监测传感器数据采集装置主流的无线组网策略，在功耗、组网难度、费用、通信距离等应用需求方面分析各自的优缺点，并结合长期工程经验罗列每种通信方式实际使用中的网络架构、特点和注意事项，指出短距局域组网与广域无线组网的灵活组合应用对于减小土建工作量，提高系统防雷能力，实现更长时间的无人值守，增强数据传输可靠性有着很强的现实意义。随着 LoRa 及 NB-IoT 等技术的不断成熟及投入使用，大坝安全监测领域应用无线组网具有良好的应用前景。

无线组网；大坝监测；安全监测；测控装置

0 引言

大坝安全监测是对大坝施工过程和运行状态进行监视的一种必要手段。目前，大坝监测自动化系统绝大部分是分布式架构，利用传统的传感器作为数据采集装置，传感器的监控及与上位机的通信由测控装置（MCU）完成，MCU 再通过有线数据总线或无线网络将采集的传感器数据传送至中心控制计算机[1]。通常大坝安全监测领域的数据采集和传输具有以下特点：总体数据量不大，常规（1～2）次/d的采集频率，1 条报文一般在 500 字节以内；具备双向通信条件，底层测控装置按时测量并上报数据至中心计算机，同时中心计算机可随时控制测控装置进行数据采集或相关参数设置。

由于水库大坝等水利设施多在远离城市的偏僻地区，过去大坝安全监测系统多采用有线通信方式，常用的为短距离的双绞屏蔽 RS-485 总线及长距离的标准 RS-232/485 结合光纤的通信方式。采用有线通信方式时涉及的最大问题是相关电缆及光缆的铺设，这些土建工作费时、费工、费力，有的需要在大坝上专门开槽，影响坝体结构和美观；有的通信总线与动力电缆共用电缆沟，会对通信造成电磁干扰；有的走线过长，线上有电流时会遭到雷电袭击；有的串联系统相对脆弱，其中一点损坏会影响整个系统的其他节点通信。由于对外通信是系统最易遭受损害的环节，因此需采用多种保护措施[2]。在实际工程中要做好测量及通信系统的接地、屏蔽等防电磁干扰措施，同时做好相关保护防止物理线路被人为损坏。

随着全国范围内移动公网 2G/3G/4G 信号覆盖范围的不断扩大，以及短距离局域无线射频通信技术的发展，尤其是基于物联网（IoT）技术的进步，无线组网技术越来越多地被应用于大坝安全监测领域。

1 局域无线组网方法

1.1 超短波组网

一般把 30～1 000 MHz 频段称为超短波频段。大坝安全监测领域一般较多采用 220～240 MHz 的免费频段进行一对一通信，超短波电台先期在水雨情测报领域广泛应用，后推广到大坝及岩土监测行业。运用电台组网相关架构示意图如图 1 所示，在实际大坝监测应用中的特点和注意事项如下：

1）适用于中心机房与测站处的直线距离在1 200 m 之内，测控装置发送端与机房接收端两点之间通视无障碍物遮挡，机房接收电台的天线宜置于房顶或面向测站的窗外，不宜置于室内。为延伸通信距离或绕开障碍物，可设立中继站。

2）超短波电台功耗较大，没有数据发送待机状态时电流约为 50～60 mA，发送数据时瞬间电流可达几百毫安，但时间较短。局域网内的每个电台包括中继台的功耗及供电方式在方案确立之初都应给予详细考虑。建议各站点配备 12 V/100 A•h 容量的铅酸蓄电池，以及不低于 12 V/30 W 的太阳能电板或相应功率的不间断供电。

3）当现地测控装置的报文较长时，通信波特率设置不宜过高，多个测控装置通过多个电台同时发送数据时，机房中心接收电台处易发生数据堵塞现象，建议接收数据采用握手方式。

4）现场组网的每个电台的通信频段必须一致，设置好后不能远程修改。周边有其他监测项目（如水情）使用同频段的电台上报数据时，会干扰大坝监测数据的接收，需要采用数据接收软件进行滤除。

5）超短波电台通信网络先期投入较大，后期运行维护费用较少，只要供电措施得当，基本可稳定运行 3 a 以上。1 对电台价格约为 5 000～7 000 元，另大容量电池及供电系统的投入也是一笔固定开支。

图 1 大坝监测电台组网相关架构示意图

1.2 ZigBee 组网

ZigBee 技术采用主流 2.4 GHz 公用频段，是一种应用于短距离范围内、低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术[3]，近年来在一些小型水库大坝的安全监测及灌区的喷淋灌溉节水控制上应用了该技术。大坝监测中 ZigBee 组网架构示意图如图 2 所示，其数传模块类似于移动网络的基站，网络内各模块之间可相互通信接力，使通信距离可以从标准的 75 m 扩展至几百、几千米。

ZigBee 模块在实际大坝监测项目中组网有以下特点和注意事项：

1）ZigBee 的点对点通信距离通常在 100 m 之内，虽然从技术角度可以通过不断增加路由的方法进行通信距离上的扩展，但更多的路由节点会带来更多的维护工作量和出错几率，同时只要距离测控装置终端处最近的路由损坏，而其他路由都在通信距离之外，则测控装置处的终端将无法接入 ZigBee网络，导致测量数据无法传递至上位机协调器处。在大坝监测项目中，若测站与中心机房距离超过1 km，且中途没有合适地点设置中继路由器的情况下，不建议采用 ZigBee 技术，如需使用，建议在网络内加入若干冗余路由，加强无线网络的健壮性。

2）ZigBee 网络采取碰撞避免策略，每个测控装置处的 ZigBee 终端，需要在发送数据时向机房的协调器发送请求，请求被允许后才能发送数据。同时网络内的其他所有终端均得到相关协调器正忙的通知，保持静默，直到需要发数的终端发送完成，并且中央协调器确认接收数据成功，整个网络才解除忙碌状态恢复正常。只有 ZigBee 协调器或路由器有权允许新终端加入网络[4]。

3）ZigBee 无线网络穿墙性能弱，近距离一般只能穿透一面墙。障碍物厚度、内部钢筋造成的屏蔽性等因素均严重影响通信距离，在窗口及建筑物内转角处建议增加路由器的布置，尽量排除相关网络信号死点。

4）目前有些国内厂商通过加大 ZigBee 发射功率，研制出点对点之间最大视距通信距离达到 1 km以上的 ZigBee 数传模块，具体在大坝监测现场应用的实际情况如何还有待观察，如果稳定性和通信距离可以达到相关性能指标，应用前景会更加广阔。

5）大坝监测双向通讯要求限制了在供电紧张或困难的情况下应用 ZigBee。大坝监测项目使用中，位于中心计算机房与电脑相连的 ZigBee 协调器作为网络核心一般是不断电不睡眠的，为此需要配备小功率不间断电源。底层测控装置处的 ZigBee 终端一般由测控模块控制上电或引脚唤醒，为保证严格的实时性，终端无数据发送需求时也需保持工作模式不小于 30 mA 的电流，不能睡眠和掉电，需要消耗电能，在野外没有稳定供电的地方是很大的功耗开支。同样，网络内的 ZigBee 路由器也需要常上电。一旦路由器和终端进入睡眠，中心机房的 ZigBee 协调器无法通过网络将其唤醒，所以对于野外供电困难的大坝监测项目，不建议使用 ZigBee 无线组网。

图 2 大坝监测 ZigBee 组网架构示意图

6）ZigBee 数传模块价格较低，一般 1 个模块价格在 100～500 元内。

1.3 LoRa 组网

LoRa 是一种新型的基于 1 GHz 以下的超长距、低功耗数据传输技术，核心芯片的接收灵敏度达到-157 dBm，极大提高了微小信号的感知成功率，确保了网络连接的可靠性。LoRa 主要在全球免费频段运行（即非授权频段），包括 433/868/915 MHz 等。局域 LoRa 网络主要由终端、网关或集中器组成，应用数据可双向传输。

LoRa 技术的引入，提供了一种简单的能实现远距离、长寿命、大容量、低成本的通讯组网方案。LoRa 模块为用户提供小巧、低成本的嵌入式数传平台，只需通过串口就可以实现无线应用。大坝监测中 LoRa 无线组网架构示意图如图 3 所示。LoRa模块组网在实际大坝监测应用中的特点和注意事项如下：

1）通信距离大。LoRa 技术大大改善了接收的灵敏度，使点到点通信距离达到 15 km（与环境有关）。在城市环境可以覆盖 2 km 左右，而在密度较低的郊区，覆盖范围可达到 10 km，一般可以满足水库大坝监测范围的需要，直接实现测控装置到中心机房集中器之间的点到点通信，稳定性和可靠性大大提升。

2）功耗较低。LoRa 数传模块接收电流仅 10 mA左右，睡眠电流约 500 nA，大大延长了电池的使用寿命。LoRa 网络可应用于大坝监测行业的关键优势在于：LoRa 终端进入睡眠后可被远程空中唤醒，这样测控终端处的终端功耗可以得到控制。既满足低功耗的应用要求，又满足实时双向数据传输的要求。

图 3 大坝监测 LoRa 无线组网架构示意图

3）具备远程唤醒功能。在无线通信设计中，一方面，为了节能，要求节点尽可能长时间地休眠；另一方面，为了快速通信，要求集中器或网关尽可能快地唤醒节点。为缓解该矛盾，LoRa 网络终端的空中唤醒策略设计了唤醒窗口，即 LoRa 终端间歇性地睡醒并处于接收状态，查看是否收到 LoRa 集中器或网关发送来的上线指令，如果收到，则保持工作状态等待接收进一步的指令，如果收不到，则继续睡眠。实现此工作方式的难点在于 LoRa 集中器/网关发送的数据帧到达 LoRa 终端时，LoRa 终端正处于间歇性的睡醒窗口期，此时来自 LoRa 集中器/网关的数据帧中的前导码内有符合规定数量的字符被LoRa 终端同步接收，则 LoRa 终端认为数据有效，本次唤醒成功。实际使用中需要在 LoRa 发送端设置足够的前导码，前导码的大小根据 LoRa 接收端的睡眠时间确定。间歇性睡眠可以节省大量的功耗，但LoRa 集中器无法完全实现 LoRa 终端的实时唤醒及操作，由于大坝安全监测行业对数据采集的实时性要求并不是太严苛，故 LoRa 无线组网可以在实际监测中使用。

4）组网相对简单。由于 LoRa 模块采用智能化设计，基本都具备自学习、自适应、自组网及自控制特性，具备自己的优化算法，只要简单加以配置即可自行组网。

5） 价格相对低廉。每台 LoRa 终端模块的价格在 300 元左右，LoRa 集中器或基站价格在 7 000～10 000 元内，与 LoRa 集中器或基站连接的数据后台可向提供服务的公司购买现地服务器或按年度购买数据服务，基本为一次性投资，后期费用较少。

2 广域无线组网方法

2.1 卫星组网通信

卫星通信模块工作在高于 1 000 MHz、低于红外线频率的微波通信频段，利用通信卫星转发器和若干个卫星通信地球站组建 VSAT 卫星通信系统，作为语音、数据、图像传输和计算机广域网的主干线。测控装置的数据通过相关卫星通信模块，利用气象、海事或地球资源等卫星进行转发，传送至接收端的卫星数据接收机。该应用是解决复杂地形和边远山区广域分布的遥测数据收集问题的有力措施，在水雨情区域监控中应用较多，在大坝监测项目中因相关监测在地域分布上较为集中，故应用较少，但在极端情况下必须考虑其应用，如没有蜂窝公网覆盖的大区域海上风电及峡谷底部的岩土等监测项目。

卫星组网通信在实际大坝监测应用中的特点和注意事项如下：

1）卫星通信时延比较大，卫星之间可能需要接力传递数据，电波及转发的延时均要考虑。同时如果有数据包丢失，则要求发送端重新发送丢失的数据包，直到所有的数据接收完毕为止[5]。

2）相关通信成本较高，需要去卫星管理部门申请或采用其授权单位的数据传输模块，流程较为复杂，信道使用费约 2 000～3 000 元/月。由于很多卫星的民用开放度不高，使得卫星通信的使用较为局限。

3）在相关水利工程所在地没有公网信号的情况下，卫星通信可以有效补充作为相关远程广域无线组网的解决方法。在海上风电项目的安全监测中，由于远离陆上基站，很多风电桩所在地没有移动通信信号，可采用卫星通信的方式进行远程数据传输。

4）一般在露天情况下使用，大坝廊道等内嵌设施一般不考虑。

2.2 GPRS 公网

目前国内较为偏远的地区也基本实现了蜂窝网络信号的覆盖，加上国家对水利工程维护保障的重视，一般水利设施基本都具备无线公网信号。GPRS，WCDMA 及 CDMA 等 3 种制式的数据网络业务已基本覆盖全国，一般水库大坝所在地具备其中一种网络信号的覆盖，也就具备最基本的大范围无线组网的条件。

当前国内绝大部分水利监测项目采用 GPRS 公网作为远程数据传输的平台，近年来由于技术已经十分成熟，在大坝及岩土工程安全监测行业的应用越来越多，无论测点分布集中或分散，只要具备网络信号，应用公网进行远程监控和测量数据远传的方法是可行的，也是稳定可靠的。同时数据接收地与相关测控装置的地域距离已经不是问题，数据接收端的中心计算机只要能接入因特网均可以接收测控装置发送的实时数据[6]。大坝监测中 GPRS 组网架构示意图如图 4 所示。

现场测控装置

图 4 大坝监测 GPRS 组网架构示意图

运用蜂窝网络 GPRS/WCDMA/CDMA 在实际大坝监测应用中远程组网的特点和注意事项如下：

1）测控装置处需要具备蜂窝网络数据信号覆盖，山区或偏远地区需要根据具体情况确定应用。

2）组建网络需要去当地移动通信单位办理手机SIM 卡，需要根据每张卡的流量支付流量费，一般情况下，作为大坝静态数据采集使用每张卡每月 5～10 元包月即可满足需要。GPRS 数据传输模块一般价格为 500～1 000 元/台。

3）在大坝廊道、隧洞等没有信号中继或被钢筋网屏蔽的水利设施的内部无法使用，如需使用，须电信营运商在相关建筑物内布置信号中继设备。

4）数据实时性好，延时小，一般可远程修改 IP地址，建立双向连接时需要耗费较大的电量。

5）在大坝监测行业已较长时间应用，长期稳定性好。GPRS 通信模块长时间在线耗电较大，一般采用睡眠定时唤醒或设置相应的窗口时间，在窗口时间对 GPRS 通信模块进行设置，可保证模块在需要的时间段保持实时在线，便于随时对大坝监测传感器进行测量；保持在线时间结束，通信模块断电或进入睡眠模式以降低功耗。

2.3 窄带物联网

窄带物联网（NB-IoT）聚焦于低功耗广域网（LPWAN）物联网应用，是一种基于现有蜂窝网络，使用 License 授权频段，只占用大约 180 kHz 的带宽，可直接部署于 GSM，UMTS 或 LTE 等网络，以降低部署成本，实现平滑升级。应用该技术组网的总体架构类似于基于蜂窝基站的 GPRS 网络。

NB-IoT 在实际大坝监测远程组网中具备以下特点：

1）强链接。在同一基站情况下，NB-IoT 可以比现有无线技术提供 50～100 倍的接入数。1 个扇区能够支持 10 万个链接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。大坝安全监测现场的全部测量模块、智能传感器都可以接入，数量上基本不受限制。

2）高覆盖。NB-IoT 室内覆盖能力强，比 LTE提升 20 dB 增益，相当于提升了 100 倍覆盖区域能力。不仅可以满足农村广覆盖需求，对于有深度覆盖要求的应用同样适用，如大坝监测领域中从廊道口向坝体内部延伸的监测应用可以采用此技术。但是 NB-IoT 应用需要依靠通信运营商的现有基站的优化，自主组网的灵活性受到限制。

3）低功耗。低功耗特性是物联网应用的一项重要指标，特别对于一些不能经常更换电池的设备和场合，更要注重低功耗，如安置于高山荒野偏远地区中的各类传感器或大坝周边的地下水等监测设备。NB-IoT 聚焦小数据量、小速率应用，因此 NBIoT 设备功耗可以做到非常小，设备续航时间可以从过去的几个月大幅提升到几年。

4）低成本。与 LoRa 相比，NB-IoT 无需重新建网，射频和天线基本上都是复用的，只需要清出一部分 2 GHz 频段给 NB-IoT 使用，就可以直接进行LTE 和 NB-IoT 的同时部署。目前大坝监测系统多采用成熟的 GPRS 公网，后期进行相关技术升级时更换数传模块即可。

目前一些芯片制造商已在搭建 NB-IoT 环境，制造 NB-IoT 的芯片和模组，可进一步降低成本；运营商在规划基站优化、基带分配、射频及规避可能的干扰方面进行设计和实施，在一些城市及人口稠密区已经实现了基站的升级，支持 NB-IoT。目前有国内厂商已经提供相关集成 NB-IoT 模块，虽然在大坝行业具体应用还未开展，但 NB-IoT 技术是未来大坝监测领域广域低功耗物联网的重要发展方向。

3 混合组网策略

在大坝安全监测系统现场组网应用中，如果能满足单一组网条件应尽量采用单一方式组网，可以提高系统组件的通用性和互换性；如果成本过高或者受到传感器测点布置点、周边基站信号制约，而无法使用单一方式完成全部测点测站无线组网，需要考虑混合组网策略，充分运用各种分散集中控制方式[7]。

一般情况下，局域和广域 2 种无线组网方式可以互相结合、补充。在没有公网或公网费用较高的地方采用局域小范围无线自组网，再通过相关网关将自组网内的数据通过公网或广域网发送至中心采集计算机，即采用近距离物联组网 + 远程传输（小网 + 大网）的方式。

目前国内主流无线设备提供商都提供相关网关设备，如一些厂家提供的 ZigBee 网关具有 ZigBee转 2.5G/3G/4G 公网的传输功能，可采用该设备作为ZigBee 局域网与公网之间的传输媒介。另外如 4G LoRa 网关，可以集中 LoRa 局域网内的测控装置采集的数据通过公网 4G 信号远程传输。

4 结语

随着国家移动通信公网覆盖范围的不断扩大及数据服务价格的不断降低，各种无线通讯技术得到了迅猛发展[8]，新型局域无线组网技术不断涌现，未来越来越多的新建水库大坝工程监测及老坝除险加固系统升级等项目，将会采用无线技术组网将所有传感器接入测控系统。未来在坝体或水工建筑物的内部监测、水利信息化平台的建设等方面，采用扩频 LoRa 及窄带物联网等技术组网将会是一个重要的应用方向，应给予进一步的研究，做到技术应用与工程需求更好的结合。

[1] 章涛，舒乃秋，李红玲，等. 大坝安全监测网络传感器通用数据采集模块设计[J]. 工业仪表与自动化装置，2004 (2):36-38.

[2] 廖荣庆. 大坝安全监测自动化系统的网络设计[J]. 水利水电快报，2004，25 (1): 28-30.

[3] 刘东文，邹兵，陈文辉，等. 基于 ZigBee 网络的大坝安全监测系统的研制[J]. 水利信息化，2014 (3): 33-37.

[4] 赵妍，岳炳良，高大伟. ZigBee 无线解决方案网络层研究[J]. 计算机测量与控制，2007 (5): 689-691.

[5] 邓玉芬，张博，沈明，等. 基于北斗卫星的海洋测量数据传输系统[J]. 海洋测绘，2009 (4): 67-69.

[6] 李家群，吴健琨，张维科. 利用 GSM 网络进行大坝远程监控的应用实践[J]. 水利水文自动化，2008 (2): 8-12.

[7] 李国斌，常春波. 基于无线传感网的水库大坝安全监测系统[J]. 中国防汛抗旱，2014 (1): 79-80.

[8] 毛良明，边静如. 新型无线通信技术在安全监测自动化系统中的探索与应用[J]. 水电自动化与大坝监测，2010 (6):38-40.

A brief analysis on wireless network strategy of dam safety monitoring system

LU Wei1,2, LIU Bo3, CHEN Xingang4, LI Jiaqun1,2
(1. Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China;2. Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology, Nanjing 210012, China;3. Guanyinge Reservoir Administration of Liaoning Province, Benxi 117100, China;4. Hydrological Instruments and Geotechnical Instrumentation for Quality Supervision and Testing Center,the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China)

This article generally introduces same kinds of dominating wireless network strategies which are used in the current dam safety monitoring sensor data acquisition system. It describes the respective advantages and disadvantages in applications demands such as power, difficulty, cost and communication distance, as well as connecting with the experiences in engineering, lists architecture, characteristics and points for attention in actual use of each wireless network. Through the analysis of each method, it points out that the fl exible composite applications of using short distance of local area network and wide area wireless network have great practical signif i cance in reducing the construction work, improving the lightning protection ability, realizing longer working time, and enhancing the data transmission distance. With the development and use of new wireless technology such as LoRa and NB-IoT, the application of wireless network in the area of dam safety monitoring has a well application perspective.

wireless network; dam monitoring; safety monitoring; measuring and control device

TV698.1；TP393

A

1674-9405(2017)06-0059-06

10.19364/j.1674-9405.2017.06.012

2017-08-01

陆 纬（1983- ），男，江苏南京人，工程师，主要从事工程安全监测自动化系统的硬件电路开发设计工作。