基于 ZigBee 网络的大坝安全监测系统的研制

刘东文 ，邹 兵 ，陈文辉 ，张学习

（1. 广州市水务科学研究所，广东 广州 510220；2. 广东工业大学自动化学院，广东 广州 510006）

0 引言

随着水利设施的完善，加强水利设施的安全运行和高效管理也越加重要，尤其是应对突发状况和极端天气时，对水库枢纽区大坝的水位、水压等数据的监测直接关系到大坝的安全运行。采用大坝安全监测系统对大坝水位和水压的实时数据监测、存储、图表处理，可提高大坝监测的工作效率，增加数据采集频率，提高实时性；可提高大坝基本数据监测的完整性、统一性，提高管理水平，及时发现隐患，为水库安全运行提供有力保障[1]。现有的大坝监测系统一般采用分布式控制模式，分布式数据采集系统是将采集工作分布到靠近传感器的采集站进行，然后将测到的数据传给总控制站，分布式采集系统的最大优势是将抗干扰性弱的模拟信号转化为易于传输、抗干扰性强的数字信号，且比集中式系统可靠，数据更加精确，实用性强，所以分布式系统被广泛应用到大坝安全监测上[2]。

根据我国现阶段国情，大坝安全监测系统应符合以下要求：操作简单、价格便宜、数据测量准确、数据传输可靠、网络建设成本尽可能的低、能耗少、能适应野外工作环境、能抗雷击等。当前得到广泛研究的 ZigBee 技术致力于提供一种廉价的固定、便携或者移动的设备，使用低速率无线通信技术，可满足大坝安全监控系统的要求。为此根据大坝安全监测系统的需求分析，设计了基于 ZigBee无线传感器网络的大坝安全监测系统（以下简称系统）。

1 系统概述

ZigBee 技术是一种新兴的近距离无线通信技术，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。优点是功耗低、成本低、易应用，ZigBee 协议栈能够确保无线设备在低成本、功耗和速率网络中的互操作性。ZigBee 协议栈的不同层通过服务接入点进行通信，大多数层有数据和管理 2 个实体接口，数据实体接口是向上层提供所需的常规数据服务，管理实体接口是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制[3]。ZigBee 技术是建立在 IEEE802.15.4 的基础上，工作在 2.4 GHz 频段，被认为是最有可能应用在工业监控、家居系统、无线传感网络等领域的近距离无线通信技术。大坝监控数据往往需要在低传输速率下实现无线通信，且大坝监测数据采集站距离监控中心比较近，因此应用 ZigBee 的组网技术可以把大坝的数据传输到监控中心。

ZigBee 的媒体接入控制层（MAC 层）采用talk-when-ready 的碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下，如有数据传送需求，则会立刻传送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并进行确认信息回复；若没有得到确认信息的回复，就表示发生了碰撞，将再传 1 次，采用这种方法可以提高系统信息传输的可靠性[4]。同时ZigBee 还进行了一些处理，如为需要固定带宽的通信业务预留专用时隙，避免发送数据时的竞争和冲突；针对时延敏感的应用做了优化，使通信和休眠状态激活的时延都非常短。Zigbee 提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供了 3 级安全性：第 1 级实际无安全方式，对于某种应用，如果安全并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，器件可以选择这种方式转移数据；对于第 2 级安全级别，器件可以使用接入控制清单（ACL）防止非法器件获取数据，在这一级不采取加密措施；第 3 级安全级别在数据转移中采用属于高级加密标准（AES）的对称密码，AES 可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件[5]。

有了 ZigBee 的可靠通信，可将检测到的大坝水位信息、站点的工作电池电量等数据通过 ZigBee无线通信技术发送到网络，然后再把数据传送到大坝监控中心；同时，监控中心对数据处理后，根据不同的情况选择不同的指令通过网络下发至各个站点，就可以实现数据信息的互相交换，也实现了大坝管理效率的提升。

2 系统硬件设计

系统由计算机、防火墙、数据库及底层的ZigBee 无线传感器网络和网关模块等构成，通过计算机网络、数据库技术和软件平台实现远程监测功能，系统总体结构如图 1 所示。在系统运行过程中，网管中心可以对监测终端的运行参数进行设定，并可以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。

ZigBee 无线传感器网络主要由 ZigBee 传感器终端和网络协调器 2 种节点（网关）构成。传感器终端节点由分布在监测区域内的各种水位计和电压计等传感器与 ZigBee 无线模块组成；网络协调器节点是网络的控制中心，负责网络的维护、指令的解读和数据的处理等任务，该节点包含有 ZigBee 射频收发和 GPRS 等模块。监测网络需根据监控区域的要求，确定构成 ZigBee 无线监测网络的是网型还是星型拓扑结构。ZigBee 无线传感器网络主要负责大坝安全监测数据的采集，并将数据通过 ZigBee 网络上传到网络协调器节点，再由网络协调器节点将数据发送到 GPRS 网络。ZigBee 无线传输方式框图如图 2 所示。

图1 系统的总体结构设计

图2 ZigBee 无线传输方式框图

系统选用 I/O 更多，功耗更低，性能更强的基于 32 位 ARM7 核的 MC13224 芯片作为 ZigBee 主核心模块，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，在设计中引入外部功放芯片 RF6575，此芯片是专用于 2.4 GHz 频道的功放芯片，输出功率可达 160.0 mW。无论是室内还是室外使用，终端模块可靠通讯距离都可以大幅度提高。终端采用大容量锂电池（2000 mW）供电，通过外接太阳能板对锂电池充电，保证终端拥有足够工作电源。

为了将终端采集到的数据和网管中心实现连接，必须增加网络协调器即网关。根据实际应用的需求，网关采用基于 ARM7 核 Risc 结构的 LPC2210微处理器；ZigBee 无线射频芯片采用 MC13224 芯片，GPRS 通讯模块选用 TC35 模块，进行基于GPRS 网络的移动数据通信；为了使网络协调器的运行更加顺畅和存储能力加强，在硬件设计上扩展了 SDRAM（同步动态随机存储器）和 Flash 程序存储器，其中SDRAM 为操作系统和应用程序提供运行空间，主要用于程序执行时的程序存储、执行或计算，类似内存，并为通信提供接收和发送数据的缓存区，Flash 存储器可存放嵌入式操作系统、已调试好的用户应用程序或其它在系统掉电后需要保存的用户数据等；在通讯方式上选择串口通讯模块用于调试及与终端设备进行通信；对芯片内部的部件进行访问选择 JTAC 接口技术，通过该接口可对系统进行调试、编程等；另外，还有电源、复位等模块电路。按照功能分类，系统网络协调器节点硬件结构框图如图 3 所示。

图3 系统网关硬件结构框图

LPC2210 是一款基于支持实时仿真和嵌入式跟踪的 16/32 位 ARM7TDMI-STM CPU 的微控制器，对代码规模有严格控制的应用，使用 16 位 Thumb模式可将代码规模降低超过 30%，而性能的损失却很小，功耗极低，由于内置了宽范围的串行通信接口，也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软 Modern 及其它各种类型的应用。

网关主要功能是收集各节点数据，并通过电台或 GPRS 将数据传输到 Internet 或个人 PC 上作处理，以及将网管中心下发的指令解读下发至各个终端节点上。ZigBee 终端节点分布在待测区域内，实现仪表数据的采集和处理，然后通过 ZigBee 模块发送给网关，图 4 为网关和终端模块的 ZigBee 无线射频模块的原理图。

系统硬件设计要求在恶劣环境下能长期稳定工作，且要求终端模块防水性能好，所以将系统终端模块做成防水的，使其在潮湿环境下也能正常工作。MC13224 是一款 ZigBee 芯片解决方案，这种解决方案能够提高性能，提供 104 dB 的链路质量，优秀的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性，多种供电模式，并满足以 ZigBee 为基础的 2.4 GHz 的 ISM频段应用对低成本和功耗的要求。它结合一个高性能 2.4 GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的 ARM7 处理器。支持IEEE802.15.4 标准及 ZigBee，ZigBee PRO 和 ZigBee RF4CE 标准，能够实现点对点连接和完整的 ZigBee网状网络。MC13224 这款 ZigBee 芯片集成了完整的低功耗 2.4 GHz 无线电收发器，内嵌了 32 位 ARM7处理器，集成了用于 IEEE 802.15.4，MAC 和 AES安全加密的硬件加速器及 MCU 成套外设，是高密度低元件数的 IEEE 802.15.4 综合解决方案。

图4 ZigBee的无线射频模块原理图

3 系统软件设计

系统操作软件是采用 Visual C++ 6.0 开发的，支持网络和手机短信通信的操作系统软件，是根据系统需要实现对网关的通信而设计的。使用 Visual C ++ 6.0 的优势在于：操作系统的源代码是开放的，可根据需要进行定制，因而对硬件的要求相对要低；支持多任务多进程，能提供较好的实时性。由于系统信息处理量大、实时性要求高，操作系统的存储调度、进程管理、指令下发和数据上传都要求采取高效可行的策略。本系统是专用于大坝安全监控系统的，用于采集数据的终端节点和网络协调器（网关）是根据需要自行设计的，因此编写相应的应用程序是必不可少的环节。应用软件的工作原理图如图 5 所示。

3.1 在线实时监控服务器

图5 应用软件工作原理图

在线实时监控服务器是整个服务器的核心部分，是要求系统正常工作就必须登陆监控的系统软件。主要功能是对底层上传的数据进行处理，即查看水位是否超出告警界限，站点电量是否充足；监控人员对每个站点下发指令，可选择通讯方式、协议方式、数据上传时间间隔等。

实时监控服务器要求底层采集模块能实时采集数据，中间通信模块能实时将监控中心下发的命令实时发送到底层。为保证通信的可靠性，系统在服务器中增加了网关与监控中心的手机短信通信，可确保在紧急情况下 GPRS 通信发生意外时选择短信通讯。

3.2 实时采集与控制模块

实时采集/控制模块是系统的终端模块，指系统各种外设的实时采集和控制模块是相对独立的，采用多线程的方式由控制模块实现对采集模块的控制，即要求采集模块听任于控制模块，实现监控中心与底层设备驱动程序的信息交互。实时采集模块由一系列设备的采集模块组成（如水位采集），提供所需要接收到的监控端的监控信息。在系统运行期间，为了随时获取大坝的数据信息，要求实时控制模块始终驻留内存运行，按照下发的指令要求检查设备端口状态，获取设备端口的数据信息，并激活或提交给相应的处理模块。实时控制模块根据网管中心下发的指令控制相应设备的驱动程序，对设备进行控制。

4 结语

针对现有的大坝安全监测系统网络管理技术的不足，提出的基于 ZigBee 无线传感器网络的大坝安全监测系统及其方法，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。目前已在百花林水库安装了基于 ZigBee 无线传感器网络的安全监测系统，现处于调试阶段，通过调试可进一步完善系统，以提高系统可靠性。

系统实施后具有可靠性高，安装方式简单，工程施工量小，可维护性好，投资成本低等优点，避免了传统大坝安全监测系统中布线复杂，维护困难的缺点，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]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]. 水利自动化与大坝监测，2008, 32 (6): 48-52.

[2]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: 2-3.

[3]蒋挺，赵成林. 紫蜂技术及其应用[J]. 北京：北京邮电大学出版社，2006: 5-10.

[4]郭宝进. 无线智能传感器节点的设计与实现[D]. 西安：西安电子科技大学，2009: 7-9.

[5]陈豹. ZigBee 技术浅谈[J]. 科学信息：学术版，2008 (29):87-88.