小规模水电站坝体远程无线监控系统设计

牛德玲，党 倩 ，孙碧颖

(1.国网山东省电力公司，山东 济南 250001；2.国网甘肃省电力公司信息通信公司，甘肃 兰州 730050)

0 引言

千里之堤，溃于蚁穴。水电站在运营过程中，坝基渗漏、涵洞漏水等原因可能会导致坝体的全面坍塌，从而造成不可估量的损失，因此坝体安全监测是水电站建设中必须重视的问题。然而，我国一些早期的小规模水电工程，受当时经济条件和技术水平的限制，水电站坝体安全监测水平低，监控不到位。经过几十年的运营后，坝体有不同程度的破损，存在重大安全隐患。因此，迫切需要长期对大坝坝体进行安全监测。

随着信息技术的发展，传统的大坝监控技术已经无法满足现代水利水电工程的需要。因此，必须研究新型远程监控技术，以适应现代水利水电行业的发展。目前，物联网技术随着移动通信技术和无线电通信技术的发展已经日趋成熟，应用也日益广泛。为适应新形势的发展，针对小规模水电站坝体特点，本文将物联网技术应用到水电站坝体远程监控中，设计了一套水电站坝体远程监控系统。

1 研究现状

在美国、欧洲，水电站自动化发展起步较早，在20世纪40年代就逐步开始使用自动化的管理方案。时至今日，很多发达国家已经逐步实现了水电站的全自动化。但是由于监控技术起步较晚且发展较快，所以在监控方面，各国的发展也不平衡[1]，居于领先地位的有美国的大古力水电站、加拿大的丘吉尔瀑布水电站、日本的玉原抽水蓄能电站等[2]。

虽然国内的水电站坝体监控自动化水平与国际水平仍有很大差距[3]，但改革开放以来，我国的水电站自动化监控水平也取得了明显的进步。近年来，我国高度重视水利水电工程的远程监控平台建设，将“金水”工程作为水利水电信息化建设的优先任务。水利部也提出了“以水利信息化带动水利现代化”的思路，注重水电工程的监控系统自动化升级改造工作[4]。坝体监测作为水电工程监控中非常重要的一部分，也受到了重点关注[5]。

在远程监控方面，常见的有基于ZigBee、LORA、NB-IOT、Wifi和GPRS等技术的监控系统，但目前大多属于示范性的监控系统[6]。ZigBee技术经过十多年的发展，在低功耗、小数据量需求的远程无线通信中具有独特的优势。本文基于ZigBee技术，设计了小规模水电站坝体远程无线监控系统。

2 系统架构设计

根据项目需求，该水电站坝体远程监控系统主要实时监测坝体压力、浸润线(渗流渗压)、渗漏量、雨量、水位、水流量、气温、水温等参数。在坝体上监测这些参数，必须要部署多个监测节点，以准确获取坝体参数。然而，水电站坝体往往占地面积较大，节点与监控中心距离较远、布线较为困难。由于这些参数监测的数据量较小，适合采用ZigBee网络进行无线传输。水电站坝体远程监控系统包括水电站坝体监控现场、云服务器端和远程监控终端三部分，总体框架如图1所示[7]。

图1 水电站坝体远程监控系统框架图

在水电站坝体监控现场，通过部署ZigBee网络来监测坝体参数。ZigBee网络设计是深度为5层的自组织网状网络。终端节点上连接有传感器用于监测坝体参数，路由节点接收终端节点的监测数据并传输至汇聚节点，再经由Internet将其上传到云服务器。

云服务器部署在云端，基于腾讯云设计。云服务器提供了数据库虚拟化管理平台、监控平台以及门户网站[8]。数据库虚拟化管理平台负责对结构化数据(水电站设施相关参数)和非结构化数据(视频数据)进行存储，并从数据库中查询和分析数据[9]。门户网站提供友好的用户访问界面，根据用户需求，查询最新监测数据和历史监测数据，然后生成各种报表、曲线和报警信息，并显示给用户。

远程监控终端包括智能手机、平板计算机、计算机等可以连接互联网的设备。用户可以使用这些设备连接Internet，并登录到云服务器，通过门户网站对现场设备进行监控。

3 水电站坝体无线监控系统硬件设计

水电站坝体参数主要有坝体压力、浸润线、渗漏压、雨量、水位、水流量、气温、水温等[10]。这些参数在监测和控制时具有数据量小的特点，适合采用短距离无线通信进行监控。本文基于ZigBee无线传感器网络，设计了对水体温度、坝体压力、水位和渗漏压监测的坝体参数远程无线监控系统[11-13]。

3.1 传感器选型与信号调理电路设计

为监测坝体参数，选择了温度传感器(水位传感器、水压传感器和渗透压传感器)来监测坝体安全状态。

温度传感器选择了数字式温度传感器DS18B20。该传感器有三根引线(数字信号输入/输出端DQ、电源地GND以及电源输入端VDD)，使用方便。在接线时除了电源和地之外，只需要在DQ引脚和VCC引脚之间接一个10 kΩ电阻，即可实现一线式访问模式。

水位传感器采用了德力克公司型号为DLK201的投入式数字水位传感器。其最大测量水位为500 m，输出信号为4～20 mA电流信号。该传感器具有精度高、稳定性能好、抗干扰能力强等优点。

坝体水压传感器采用佛山昊胜传感仪器有限公司生产的PTH503型压力传感器。该传感器的检测范围是0～150 MPa，输出信号为4～20 mA电流信号;采用全不锈钢封焊结构，具有良好的防水能力及介质兼容性，埋于坝体表面,可有效检测大坝各点位水压。

渗漏压检测使用长沙昊翔电子科技有限公司XHX-703型渗压传感器进行监测。该传感器基于振弦式监测原理，检测范围为0～350 kPa，输出信号为4～20 mA电流信号。传感器采用不锈钢外壳设计，具有较强的抗压能力和抗干扰能力，埋于坝体内部，可准确检测坝体缝隙的渗漏压。

3.2 无线节点硬件设计

路由节点和终端节点在硬件上非常相似，汇聚节点则在路由节点的基础上增加了RS-232通信模块。因此，本文主要以终端节点为例，介绍无线节点的硬件设计[14]。

无线终端节点主要包含三部分：数据采集单元、中央处理器以及无线传输单元。现场信号数据采集单元采集并调理为标准信号后，再由中央处理器进行A/D转换、数据处理后组装成帧，最后经过无线传输单元发送出去。

数据采集单元的主要任务是采集现场信号并将其调理为中央处理器能够接受的信号。温度传感器采用了数字式传感器DS18B20。该传感器输出为数字温度值，故而无需进行信号调理，可以直接经过通用输入/输出(general purpose input/output,GPIO)模块输入数据处理模块。

终端节点硬件框图如图2所示。

图2 终端节点硬件框图

水位、水压和渗透压传感器输出信号为4～20 mA的电流信号，需要将其变换为0～3.3 V电压信号后，再传输给A/D转换模块。4～20 mA电流转0～3.3 V电压的电路原理如图3所示。

图3 4～20 mA转0～3.3 V电路原理图

中央处理器的功能是实现A/D转换、数据处理以及系统控制。本文采用TI公司生产的CC2530来设计。该芯片是一款支持2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF应用的嵌入式处理器，它使用了一个单周期的8051单片机内核，集成了7～12位的A/D转换器。因此可以采用其自带的A/D转换模块进行模数转换。GPIO模块用于进行数字信号的交互，可读取温度传感器数据，并与PLC进行通信。控制模块用于控制系统的工作，控制A/D转换模块、数据处理模块、GPIO模块以及无线传输单元的工作。数据处理模块读取A/D转换的电压值以及温度数据后组装成帧，并经由无线传输单元发送出去。

4 坝体无线监控系统软件设计

4.1 ZigBee网络设计

ZigBee无线传感器网络由串口转网口模块、汇聚节点、路由节点和终端节点4部分组成。无线传感器网络框图如图4所示。

图4 无线传感器网络框图

整个网络采用网状拓扑结构组建。图4中：每个椭圆内的终端节点仅与内部的路由节点直接相连；路由节点和汇聚节点之间通过网状结构相互连接；汇聚节点负责将无线信号转换为有线信号并与云服务器连接。终端节点必须通过路由节点才能与其他节点进行通信。串口转网口模块负责将RS-232串口数据与Ethernet网口数据进行相互转换，对用户而言是透明的[14]。

网络中的汇聚节点只有一个，通过RS-232串口与串口转网口模块相连，负责网络节点数据的收集、上传以及用户控制命令的下达。路由节点负责收集终端节点数据并以多跳方式上传给汇聚节点，同时负责将用户控制命令下达给终端节点。一个路由节点连接若干个终端节点，为终端节点提供网络地址，并保持与所连接节点的通信。路由节点连接有传感器和控制模块，可以采集数据和控制现场设备。终端节点安装在各个监控点附近，连接有相关传感器和控制模块，负责采集数据和控制现场设备。每个终端节点仅与一个路由节点有直接的连接，它与汇聚节点的通信只能通过与之相连的路由节点完成。

4.2 无线节点软件设计

无线节点软件在IAR Embedded Workbanch 7.51环境下，基于TI公司的Z-Stack协议栈开发。该软件主要包括ZigBee自组网模块、传感器信号A/D转换模块、数据分析和处理模块、电源控制模块、无线通信模块等。节点软件流程如图5所示。

图5 节点软件流程图

4.3 云服务器软件设计

云服务器主要由数据库虚拟化管理平台、监控平台、门户网站等模块组成[15]。

门户网站为用户提供友好的操作界面。其内部嵌有视频监控平台和无线监控平台的操作面板，以及数据库访问面板。视频监控平台用于接入水电站视频监控系统，本文不作论述。

为了将本系统所采集的数据与门户网站现有数据进行统一管理，设计了一套数据库虚拟管理平台。由于本项目中在数据库中存储的主要为结构化数据如坝体监控参数，而门户网站集成了非结构化的数据如水电站视频监控及音频等信息，所以数据库的设计无法全部采用结构化数据库来存取。因此，在保证结构化数据可用的前提下，为了实现非结构化数据的快速存取，同时兼容过去开发的水电站信息化平台，本项目拟在服务器上分别安装两套数据库管理系统。一套是MySQL数据库管理系统，另一套是为大数据存储而配备的Mongo DB数据库管理系统。

Mongo DB是非关系型数据库，它不支持SQL查询语言。而MySQL是关系型数据库，它支持SQL查询语言。如何减少用户操作，方便用户透明访问这两套数据库是一个难题。为此，设计了数据库虚拟化管理平台，作为用户访问数据库的统一入口和两套数据库管理系统的通信平台。本文设计的数据库虚拟化管理平台如图6所示。

图6 数据库虚拟化管理平台模型

应用程序接口收到应用程序的数据库访问命令后，传递给数据库访问命令解析模块以解析访问命令。根据解析结果，分别访问Mongo DB数据库和MySQL数据库。Mongo DB数据库存储结构化数据访问结果和非结构化数据访问结果、MySQL数据库存储结构化数据访问结果后，结构化数据将由结构化数据汇聚模块汇聚整合传递给应用程序接口、非结构化数据将由非结构化汇聚模块汇聚整合传递给应用程序接口，最后应用程序接口将数据库操作结果返回给应用程序。

监控平台和门户网站的开发采用了JavaScript，数据库虚拟管理平台采用C语言开发，并提供了用户调用接口。

5 系统测试

本项目设计完成之后，在甘肃省某小型水电站进行了小规模试验。在现场部署了1个汇聚节点、4个路由节点和12个终端节点，每个路由节点周围部署了3个终端节点。每个终端节点都部署了温度传感器；根据坝体特点，在坝体裂缝处埋设了水压传感器和渗漏压传感器；在水底布设了水位传感器。试验中，设置数据采集周期为60 min，连续采集90 d。

试验结果表明，所设计的传感器节点能够准确监测坝体各个监测点的安全状态；网络能够以网状结构进行数据采集；系统能够实现水电站坝体安全参数的远程监测。

6 结束语

提高数字化、信息化水平，是目前国内外、各行各业的普遍做法。为推进我国电力行业信息化工作，本文针对我国早期修建的中小规模水电站坝体存在的设施陈旧老化、监控不到位、存在安全隐患等问题，利用现代通信技术，设计了小规模水电站坝体远程无线监控系统。系统采用ZigBee无线通信技术进行设计，详细介绍了系统架构、节点的软硬件以及云服务器设计方法，为用户提供了方便、友好的远程操作平台。用户可通过手机、计算机等设备，远程监控水电站运行状态。该系统结构设计合理，能够有效监控水电站坝体安全状态，可推广到大规模水电站远程监控中。但是本文仅涉及了4种参数的监测。在今后的工作中，还将进一步对其他参数进行监测，以获取更加全面的坝体安全监控参数。