无线传感器网络在大坝安全监测中的应用

尹光景（中国水利水电第八工程局有限公司）

无线传感器网络在大坝安全监测中的应用

尹光景（中国水利水电第八工程局有限公司）

随着水利工程建设的不断增加，使得大坝的安全性备受人们的关注，并且加强了对大坝安全监测技术的研究，传统的大坝安全监测主要是利用有线网络技术。无线网络技术的发展，使得无线传感器网络被广泛的应用于大坝安全监测，发挥着重要的作用，文中对无线传感器网络系统构成，及其在大坝安全监测中的具体应用，做了简单的论述。

无线传感器；大坝；安全监测；具体应用

大坝安全监测数据主要是水库水位、坝体渗流、坝基渗流等，通过对监测数据进行存储分析，能够极大程度时提高大坝安全监测工作的效率，同时还能够提高数据采集的实时性与准确性，减少大坝安全监测工作成本。大坝安全监测技术已经实现了全自动化，极大程度上提高了监测的实用性与可靠性。

1 无线传感器网络概述

1.1 无线传感器网络构成

无线传感器网络即WSN，由静止传感器或者移动传感器组成，组成方式为自组织与多跳方式，其将感知、采集的协作地数据，以及网络覆盖区域内部的被感知对象的数据信息，发送给网络所有者。传感器网络系统主要是由各个节点构成，包括传感器节点（EndDevice）、管理节点（Coordinator）、汇聚节点（Router）。

1.2 传感器节点模块构成

无线传感器节点组成模块主要包括：传感单元、通信单元、处理单元、电源等，具体构成如图1所示。传感器节点采取的是自组织方式实现组网，利用无线通信技术实现数据转发，其各个节点均具备数据采集与融合转发的功能。无线传感器节点先是处理数据信息，再以接力传送的方法，将数据信息传送给基站，最后利用基站，以卫星传输或者互联网传输的方式，传送给用户。

图1 传感器节点组成模块示意图

2 无线传感器网络在大坝安全监测中主要应用的技术

2.1 全球卫星定位技术

水库大坝通常是建立在山区，位置较为偏僻，且建设面积较大，基于此大坝安全监测常常采用卫星定位技术，以此满足不同大坝的安全监测需求。常用的卫星定位系统包括：GPS、GLONASS、北斗导航定位系统。GNSS（全球导航卫星系统）是上述卫星定位系统的总称。卫星定位系统是基于空间距离交会原理，采取伪距测量法、绝对定位法、相对定位法、差分定位法等，实现数据测量。

2.2 近距离无线通讯技术

大坝安全监测工作中，无线传感器网络常用技术为近距离无线通讯技术，包括ZigBee、433MHz，使用的是ISM免执照频段，只有在收发数据时，才能够建立无线链路，其睡眠唤醒时间较短，进而减少了外界干扰，以及设备自身的功耗。其中ZigBee技术具有低功耗、强抗干扰功能，且具有较强的可靠性，容易布网。433MHz技术使用的是433MHz无线频段。433MHz技术与ZigBee技术相比，其穿透性更强，且传播的距离较远，但是数据传输的速率较慢。该技术应用在检测大坝形变方面，具有极大的优势。

2.3 无线传感器应用的优势

大坝安全监测工作中，应用无线传感器，能够克服许多有线网络应用困难。将其应用于大坝监测工作中，不需要花费过多的施工时间，且施工成本较低，导线连接较为简单，可以节省导线安装时间，省略部分工作程序。无线传感网络的应用，不需要使用导线来连接大坝与传感器，因此降低了施工的成本。同时无线传感器监测的距离较远，且能够安装在危险区域来监测大坝的安全。通过布置无线节点，提高了监测系统的可靠性与容错性。除此之外无线传感网络安装较为方便，且容易维护与拆卸，能够集成多传感器，实现分布式数据处理，降低数据损耗。

3 无线传感器网络在大坝安全监测中的实际应用

3.1 应用于监测大坝的坎肩坡

无线传感器网络的应用，需要完成不同监测点的监测仪器安装工作，在安装的过程中，要严格按照仪器与电缆图纸的具体要求，来完成安装工作，同时基于水电站实际检测特点，仔细分析监测工程各个部位，完成不同监测工作。坎肩坡监测工作需要设置不同的监测设备与仪器，以此确保监测的安全性与完整性。例如：某水电站大坝的坎肩坡监测系统设计中，在大坝左右岸的坝肩坡位置处，设置监测断面共计3个，安装测斜孔共计3个，多点位移计共计6套，安装锚杆测力计共10支，以及锚索测力计共计2台，变形监测墩共设置6个。

3.2 监测大坝坝体

3.2.1 坝体监测的主要内容

应用无线传感器网络监测大坝坝体时，主要监测的项目是：混凝土温度、渗流与渗压、大坝变形等。大坝坝体混凝土监测工作，需要根据设计图纸的具体要求，当水电站工程设计出现变更时，与相关工程进行沟通，埋设温度计，监测大坝坝体问题。大坝坝体监测的主要部位是：大坝垫层、导流底孔、坝体、导流洞等。

无线传感器网络的应用，其主要检测的项目为工作条件监测、渗流检测、变形监测、应力应变与温度监测等，同时还包括近坝区坡稳定性监测，以及水力学项目等。其中工作条件监测的主要内容包括：监测大坝的水位、气温与水温、坝前淤积等。渗流监测的主要内容为：渗流量、混凝土坝扬压力、坝基渗水压力等。变形监测工作包括：水平位移、接缝、倾斜、混凝土坝体挠度等。应力应变与温度监测工作主要包括：混凝土的应力与应变、混凝土温度与压力、钢筋的应力等。

3.2.2 大坝监测系统设计

基于无线传感器网络的技术分析与设计需求，在设计大坝监测系统时，采用433MHz无线通信，以及厘米级GPS定位，设计无线传感器网络系统。该系统主要包括无线传感器节点与GPS Base基准站，以及中继汇聚节点和控制机房。其中无线传感器节点主要负责采集GPS位置信息，并且实时更新节点位置距离，将搜集的数据，传输至MCU，由其负责数据处理。GPS Base基准站采用的是实时差分技术，通过无线通信方式，将收集的卫星信息与基准站信息，传输给GPS节点，由其负责对比与处理信息。

系统中的中继汇聚节点设计，是基于大坝建设环境的特点，以及远距离传输的需求，该节点能够接收多个节点数据，再将数据发射给中心机房，具备数据信息汇聚功能。中心控制机房节点主要负责收集定位数据，利用系统程序来计算与对比数据，进而发出预警信息，做出相应的处理。基于大坝监测节点位移信息，时刻监测大坝安全，将监测节点收集到的数据信息进行对比分析，并且上报信息，能够及时针对监测到的安全问题，采取有效的预防措施，进而避免大坝出现更为严重的安全事故。

4 结束语

大坝安全直接影响着水电站的安全，因此需要加强大坝的安全监测。将无线传感器网络技术应用于此，能够节省安全监测的成本，提高安全监测的效率，有效的避免大坝出现安全事故，极具推广应用价值，文中对无线传感器概念，以及其主要应用的技术与具体应用，做了简单的论述，意在为推广无线传感器网络技术提供助力。

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TP212.9

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2095-2066（2016）33-0084-02

2016-11-12