基于分层分布式智能传感器网络的水电站结构监测系统

郑 丽

(贵州新中水工程有限公司，贵州 贵阳 550000)

1 基于智能传感器的监控体系

本文提出了一种基于智能传感器的分布式结构的水电站监测系统，该系统采用分层传感器网络结构。

该架构为监测工作中遇到问题提供了相应解决方案，如：(1)灵活性和可扩展性，而不是现有的不灵活的集中监控系统。(2)与其他系统(如警报系统)无缝集成。(3)通过高级监控提供更好的预测，改进风险管理。(4)现有监测结构升级和集成的有效方法。(5)与决策支持系统连接的综合信号、警告和报警设施。

这种新的分布式解决方案利用了传感器网络及电子设备，价格与优质铜缆价格相比有所下降。新的分布式传感器网络的实现将提高水电站结构监测系统的可靠性，在洪水和地震期间继续监测建筑物。另一方面，在这些特殊事件期间，通信和能源供应中断和故障的可能性增加。智能传感器网络具有灵活性和有限的自主权，可以解决部分系统设备所造成的损坏，保证监控的连续性[1]。

由于采用了新的传感器网络，将传感器连接到测量仪器的模拟信号电缆的长度将大大缩短。这样不仅降低了布线成本，而且降低了电气噪声，提高了数据测量精度。较短的信号电缆也意味着减少了由雷电过电压引起的高压扰动，提高了系统的可靠性。

为了实现新的基于智能传感器的水电站结构监测系统，必须实现以下功能：(1)一系列网络接口模块(MOTE)的设计和开发，具有模拟/数字前端，用于各种已调试的特定传感器。(2)一组智能传感器的设计和实现，用于位移、倾角和土壤湿度等参数的监测任务。(3)定义测量和配置结构以及相关的数据库接口。(4)用于配置传感器网络、从传感器获取、可视化和存档数据的软件应用程序的实现。

2 网络节点

水电工程结构监测传感器系统具有传感器种类繁多(数百个)的特点。只有通过多级、分层的网络组织和每一级的标准化接口，才能保证测量数据的有效传输。因此，在分层网络中需要几个通信模块：有线和无线集线器、路由器和网关[2-3]。

2.1 配备模拟/数字前端的网络接口模块，用于各种已调试的传感器

接口模块的软件应在每个级别提供，不仅是数据流量控制，而且还应提供配置和诊断设施。

根据具体测量类型，必须配备的传感器节点包括：(1)水电结构专用传感器的模拟/数字前端。(2)嵌入式微型计算机(基于微控制器)。(3)用于联网的收发器。(4)电源/电池管理单元。传感器根据感测到的物理效应和现象产生电信号。微控制器根据特定算法(线性化、滤波、平均等)处理电信号，并存储输出值。传感器节点应具有连接到电力公用网络的电源，或者具有用于部分自治的电池。

新的网络接口模块系列应具有四个可选通信接口：(1)短程低功耗无线接口。(2)无线中程接口。(3)低速长距离有线接口。(4)高速中距离有线接口。整个网络接口模块系列将基于节能低功耗微控制器(确保一年或两年的电池寿命)。

由于一些监测岩土工程仪器(传感器)安装远离水电站结构周围区域，无线“尘埃”必须与无线电收发器连接，无线电收发器能够在露天条件下(视线)至少2 km范围内可通信。由于水电站有时位于没有GSM/GPRS覆盖的地方，因此无线电收发器将独立于GSM/GPRS服务。必须特别注意设备的坚固和紧凑的机械设计，以确保高可靠性和防止恶劣环境和破坏。

2.2 智能有线和无线传感器

针对位移、倾角和土壤湿度的监测任务，研制了一组智能有线和无线传感器。有线传感器通过RS485接口连接，而无线传感器将通过其连接的收发器连接到适当的无线集线器。

3 相关软件平台

传感器网络的开发、测试、部署、管理和配置必须由相关的软件平台支持。软件应用应便于创建和编辑网络节点的配置、传感器网络的配置、传感器校准参数的管理以及从传感器网络获取数据，测量数据的实时可视化或存档数据的可视化。这些应用程序将提供一个智能传感器系统的抽象视图和一个物理布局视图以及一个分层的网络拓扑表示机制。将通过图形界面提供测量点(传感器位置)的简单位置和参考，以便在水电站结构平面图上显示位置。

为度量和配置结构选择了基于XML的表示。这种表示能够将测量的空间和时间属性关联起来，并且能够处理现场使用的传感器的数量和类型的动态变化。新的软件平台除了提供经典的数据采集功能外，还应提供适合于战略结构的专门监控功能：行为预测、诊断支持、决策支持和远程警报功能，基于水工结构静动力特性的数学模型。

4 试验结果

一些PC软件应用程序在C++中实现，在一个环境(QT)中，允许跨平台数据传输和在不同操作系统上的可移植性，以便更好地集成和与其他应用/系统进行互操作。这些应用程序允许数据收集、存档和可视化。

应用程序开发了一系列低功耗无线节点。他们可以模拟前端和串行输出模数转换器与数字传感器(I2C、SPI等)或模拟传感器接口。基于N∶1网络协议实现了一个无线集线器，使得多个传感器节点可以连接到该集线器。

集线器考虑了两种实现方式：一种基于8位微控制器和USB接口，用于测试和诊断，另一种基于NXP Cortex M3处理器。

根据Modbus协议，开发了一种基于RS-485串行总线的传感器模块通信的有线多点网络。Cortex M3处理器运行网关软件，可以配置传感器并收集其测量数据。除此之外，网关还可以充当数据记录器，通过以太网端口TCP/IP将本地测量存储在USB闪存上。网关还提供了网络地址转换机制，使得分组在多个(子)网络中的传感器可以分层集成。

进一步的实验利用远程连接链路进行，该链路允许在数公里范围内进行无线传输。使用基于泛素网络Inner Feed技术的两个纳米桥M2设备建立PPT链路，将整个无线电系统集成到天线的接收器中。

5 结 论

所提出的水电站结构监测系统的实现所需的模块和接口范围已部分实现，并通过多个软件应用程序进行了测试，这些应用程序允许对有线/无线节点进行配置、管理和自动数据采集。计划进一步设计适当的数据库架构及其相关应用程序，以方便与决策支持系统连接的综合信令、警告和警报。