（机械电子工程专业论文）面向大坝安全监测的无线传感器网络设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 大坝安全监测具有重要的意义，目前采用的大坝自动化监测系统主要是有线监测 方式，这种方式存在些不可避免的缺陷，如：网络搭建工作量大、投资大、调整、 维护不方便等。近年来，随着无线传感技术的日益成熟和在基础设施监测、军事领域、 紧急服务、环境科学和医疗健康等方面的应用，使无线传感器网络应用于大坝安全监 测系统成为可能，并得到一定程度的发展。z i g b e e 是近年来发展起来的一种短距离无 线通信技术，与其它短距离无线技术相比z i g b e e 具有低功耗、低数据速率、低成本等 特点，这些特点恰好可以满足大坝安全监测对无线传感器网络的要求。所以，将z i g b e e 技术应用与大坝安全监测是一种不错的解决方案。 本文从工程实际角度出发，设计了大坝安全监测系统，主要包括以下几个方面： 第一，根据大坝安全监测的基本功能要求，设计了大坝安全监测系统结构。该系统主 要由大坝传感器、z i g b e e 节点、供电系统、无线传输系统和管理中心等部分组成；第 二，在c c 2 4 3 0 无线模块的基础上设计了协调者节点、路由器节点和终端节点的硬件电 路。其中，协调者节点硬件设计包括基于串口通信的接口电路、l c d 接口电路、按键 电路、电源电路等。路由器和终端节点电路设计包括传感器信号调理电路、传感器接 口电路、电源电路等；第三，进行了无线传感器网络的软件设计，包括数据无线发送、 无线接收、传感器信号采集、协调者节点和p c 机的串口通信等；第四，设计了数据管 理软件，来完成数据的处理、存储、查询、曲线绘制和无线网络拓扑结构的绘制等功 能。最后，将硬件和软件结合对各个系统模块进行实验调试。试验证明无线网络工作 可靠、节点采集数据准确，能满足课题进一步研究的需求。 关键词：z i g b e e ；无线传感器网络；大坝安全监测；传感器节点 面向大坝安全监测的无线传感器网络设计 d e s i g no f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kf o rd a ms a f e t ym o n i t o r i n g a b s t r a c t d a ms a f e 锣m o m t o r i n gi so f 伊e a ts i g l l i f i c a n c e c u r r e n t l y ，a l j t o m a t i cm o l l i t o r i n gs y s t e m f o rd 锄m a i m yu s e sw i r e dm o l l i t o r i n gm e t l l o d ，w h i c hh a ss o m eu n a v o i d a b l ed e f i e c t s ，s u c ha s t l l eh e a 、，) ，w o f i ( 1 0 a d ，l a r g ei n v e s n i l e m ，i n c o n v e n i e n c eo fe x p a i l s i o na n dm a i n t e n a n c ew h i l e b u i l d i n gt 1 1 en e t 、v o r k i nr e c e n ty e a r s ，谢mm em a t 嘶t yo ft l l ew i r e l e s ss e i l s o rt e c h n 0 1 0 9 y ， a 1 1 di t s 印p l i c a t i o ni ni n n a s 劬c t u r em o n i t o r i n g ，m i l i t a 锄e r g e n c ys e i c e sa 1 1 dm e d i c a l h e a l mf i e l d ，t om a k e 谢r e l e s ss e n s o rn e t 、0 r ku s e di nd a ms a f i e 够m o l l i t o r i n gs y s t e mb e c o m e p o s s i b l e ，a i l do b t 咖ac e r t a i nd e g r e eo fd e v e l o p m e n t z i g b e eh a sb e e nd e v e l o p e di l lr e c e n t y e 嬲 a sas h o n r a n g e埘r e l e s sc o l i u l l u l l i c a t i o nt e c l 1 0 l o 鼢c o m p 耐n g 、析t l lo t l l e rs h o r t d i s t a n c e w i r e l e s sc o m m u l l i c a t i o nt e c h n o l o g i e s a d v a n t a g e s o fz i g b e ea r ea sf o l l o 、v s ： l o 、聃p o w e r ，l o wd a t ar a t e ，l o 、v c o s t t h e s ef e 栅e sj u s tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fd 锄s a f e t ) ， m o n i t o r i n g s o ，u s i n gz i g b e et e c l u l o l o g yi nd 撇s a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mi sag o o ds o l u t i o n f r o ma l le n g i n e 嘶n gp o i n to fv i e wo ft l l ea c t u a l ，t h i sp 印e rp r e s e n t st 1 1 ed e s i g no ft 1 1 e d a m s a f e t ym o i l i t o r i n gs y s t e m m a i n l yi n c l u d i n g t l l ef o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s n y ，t 1 1 ed 锄s a f e t ym o i l i t o r i n gs y s t e m 蛐n 】c t u r ei sd e s i g n e da c c o r d i n gt om eb a s i c 劬c l i o n so fd 锄s a f e t ym o l l i t o r i n gr e q m r e m e m s t m ss y s t e mm a i l l l yc o n s i s t so fd a ms e n s o r s ， z i g b e ei l o d e s ，p o w e rs u p p l ys y s t e m ，w i r e l e s st r a l l s m i s s i o ns y s t e m ，m 锄a g e m e n tc e n t e r s e c o n d l y ，h a r d 眦啪c i r c l l i to fc o o r d ，r o u t e ra 1 1 dr f dn o d ew m c hb a s e do nt h ec c 2 4 3 o 船d i om o d u l ei sd e s i 凹e d c o o r dc i r c u i ti n c l u d es e r i a lc o m m u l l i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c l l i t ，l c d i n t e 怕c ec i r c u i t ，k e yc i r c u i t sa 1 1 dp o w e rs u p p l yc i r c u i t r o u t e ra n dr f dc i r c u i ti n c l u d es e n s o r s i 弘a lc o n d i t i o m n gc i r c u i t ，s e n s o ri n t e r f a c ec i r c u i ta n dp o w e rs u p p l yc i r c u i t t h i r d l y ，w i r e l e s ss e n s o rn e “v o r ks o m a r ec o m p o n e n t so f 、析r e l e s sd a t a 仃 m s m i s s i o n ， w i r e l e s sr e c e i v e r ，s e n s o r ss i 罂1 a la c q u i s i t i o n ，c o o r da 1 1 dt h ep c s e r i a lc o m m u n i c a t i o n f o u r m l y ，d a 协m a n a g e m e n ts o 仔w a r ei sd e s i g n e dt 0c o m p l e t et 1 1 e 如n c t i o n so fd a 协 p r o c e s s i n g ，s t o r a g e ，q u e r y ，c u i v ed r a 、析n g ，a 1 1 dw i r e l e s sn e t 、v o r kt o p o l o g yd r a 、撕n g l a l s t l y t l l es y s t e mi st e s t e da 危e rt 1 1 ec o m b i n a t i o no fh a r d w a r ea n ds o r w a r em o d u l e s ， w h i c l lp r o v e sw i r e l e s sn e “v o r k i n gr e l i a b l e ，n o d e sc o l l e c t i n gd a t aa c c u r a t e ，a 1 1 dm e e t st l l e n e e d so fm n h e rr e s e a r c ht o p i c s k e yw o r d s ：z i g b e e ；w r e 【e s ss e n s o rn e t w o r k ； d a ms a f e t ym o n i t o r n g ； s e n s o rn o d e s i l 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：亘囱太拯塞全鳖型鲍歪绫笾盛墨圆络遮让 作者签名： 起曲! 量 日期： 2 翌呈年j 三月三芝日 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 担厶) ! 女日期：塑翌罕年j 三月生日 导师签名：秘乳吼千年一月五日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 。1 选题依据 1 1 1 课题背景 二十世纪初以来，随着经济的发展和科技的进步，世界各国的水利水电事业得到 蓬勃发展，修建了众多规模不一、形式各异的大坝。就我国而言，目前共建成各类大 坝约8 7 万座，这些大坝工程为我国的水电建设打下了坚实的基础，对国民经济建设 发挥了重要作用【l 】。但随着大坝数量的增加，高度的增大以及地形地质条件的复杂化， 大坝失事的几率也逐渐上升。上个世纪，由于各种原因，世界各国几乎都发生过溃坝 事故，对大坝下游人民生命财产的安全造成极大的危害。国际上相继发生了马尔巴塞 ( 法国，1 9 5 9 年) 、瓦依昂特( 意大利，1 9 6 3 年) 、提堂( 美国，1 9 7 5 年) 等垮坝事 件，我国也先后发生了板桥、石漫滩洪水漫顶( 1 9 7 5 年) 、沟后水库渗透破坏( 1 9 9 3 年) 。四川汶川大地震中，有3 9 1 座水库出现险情，造成了极大的地震次生灾害威胁【2 j 。 在大量惨痛事实的教育下，人们逐渐认识到大坝安全的重要性，开始研究大坝失 事实例，分析影响大坝安全的具体因素。结果表明，大坝失事的原因从形成时期上主 要分为三类：一类是由设计施工的不完善造成的，在大坝建成时就已确定；另一类是 在运行、管理过程中逐步形成的，有一个从量变到质变的过程；还有一类是前面两种 情况的混合，即设计施工中的不完善在运行中没有得到及时有效的纠正，使设计、施 工中的隐患发展为破坏事故1 3 j 。由此可以看出要确保大坝安全，除了保证工程质量以 外，更重要的就是对大坝的实际运行状态进行安全监测，及时发现安全隐患。 大坝安全监测是指对大坝本体、地基及周围环境所作的观测和检查，包括使用仪 器所作的定点测量和用人工方法进行的大范围观察。我国的大坝安全监测始于2 0 世 纪5 0 年代初，到8 0 年代末实现了自动化遥测，9 0 年代后大坝安全监测技术飞速发展， 许多老坝完成了自动化监测系统的更新改造，新建大坝具有功能更全的高水平监测系 引4 1 。虽然，目前大坝安全监测系统无论从监测方式还是从监测传感器上都得到了很 大程度的发展，但是，已有的监测系统多是有线传输方式，对于方圆数百公里的水库， 有线传输方式的自动测量存在信号漂移、失真、模糊和抗干扰能力差等弊端，时间过 长以至于不具有可行性。且水库大坝监测点所处的地理位置分散、监测点多、布线网 络搭建工作量大、投资大，设备的增减使得整个网络布局需要时常调整，有线方式使 其监测点的调整、扩充、维护不方便1 5 j 。 近年来，微机电系统m e m s ( m i c r 0 e l e c t r o m e c h a n i s ms y s t e m ) 、无线通信技术和 面向大坝安全监测的无线传感器网络设计 电子技术的进步促进了无线传感器网络w s n ( w i r e l e s ss e n s o r n e 铆o r k s ) 的发展，使无线 传感器网络的实际应用成为可能。 无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无 线通信方式形成的一个多跳自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网 络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。 作为当前各国研究的热点，无线传感器网络己逐步应用于许多领域，包括基础设 施监测、军事领域、紧急服务、环境科学和医疗健康等方面。大坝安全监测新仪器、 新方法的不断涌现以及无线传感技术的日益成熟，使无线传感网络应用于大坝安全监 测系统成为可能，并得到一定程度的发展。 目前最流行的短距离无线数据通信标准有蓝牙( b l u e t o o t h ) 、w i f i ( i e e e 8 0 2 11 b ) 、 i r d a 以及极具发展潜力、已被众多业界认可的z i g b e e ( i e e e 8 0 2 1 5 4 ) 等。这几种常用 无线传输方式的主要性能比较如表1 1 所利6 j 。 表1 1几种常用无线传输方式的主要性能比较 t a b 1 1m a i np e r f o r m a n c ec o m p 撕s o nt 0s e v e r a lc o m m o nw i r e l e s sm o d e s 从表1 1 可以看出，b 1 u e t 0 0 t h 优点是传输速度较高，但有效距离较短，一般适合 应用于要求高速、短距离的领域，这种无线网路技术的功耗很大，而且开发也比较复 杂，成本也高。w i f i 的最大优点就是传输速度较高，可达1 1 m b p s ，另外有效距离也较 长，缺点是功耗和成本较高。i r d a 是一种基于红外线的点到点通信技术，它的传输距 离只有l m ，存在很强的方向性，而且不能够用来组建无线网络。z i g b e e 工作在2 4 g h z 频段，传输的有效距离在1 0 7 5 m 之间，是一种低功耗、低数据速率、低成本的无线通 信技术。 目前在这几种无线解决方案中z i g b e e 无线网络技术被业界普遍看好，利用z i g b e e 技术组成的无线区域网结构简单、成本低廉，具有有限的功率和灵活的吞吐量。低速 大连理工大学硕士学位论文 率无线区域网的主要目标是实现网络安装容易、数据传输可靠、通信范围广、低成本 及低功耗，并且z i g b e e 拥有一个简单而灵活的通信网络协议。 本文从大坝实际情况出发，针对有线系统的弊端和经验教训，研究大坝无线实时 监测系统，综合运用传感器技术、嵌入式计算技术以及z i g b e e 无线通信技术，来有 效解决有线传输的弊端。 1 1 2 课题来源 本课题来源于国家重点基础研究发展计划9 7 3 项目。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 大坝安全监测的发展现状 从2 0 世纪3 0 年代开始，国外已经开始开展大坝安全监测工作，但由于当时监测 仪器及自动化发展水平的限制，人们通常只能对大坝进行人工观测。这种方法是由观 测人员对大坝结构和基础进行直接目测，并对监测仪器进行人工读数，然后再将观测 资料交由专职部门去分析。人工观测受外界环境条件以及观测人员的主观因素影响很 大，且监测频次有刚7 1 。这种方法不仅耗时费力、精度低，而且效率低，不利于及时 有效地掌握大坝性态和进行最优运行调度控制。 随着微电子技术、计算机技术以及通讯技术的发展，我国自动化水平逐步提高， 实施大坝安全自动化监测成为可能。大量新型精密监测传感器和先进的自动化数据采 集装置逐渐应用到大坝安全监测系统中，从而克服了传统的人工观测的诸多弊端，能 更客观地反映大坝实际安全状况。 大坝安全自动化监测系统的研制工作，国外始于2 0 世纪6 0 年代末，我国起步较 晚，开始于2 0 世纪7 0 年代末。大坝自动化监测初期，由于当时技术水平的限制，实 施的是单台监测传感器的自动化测量【8 l ，这样就只能对少数几种监测传感器进行自动 化数据采集，因此，获取的大坝状态的信息量很小，不利于大坝安全进行全面的分析。 到了2 0 世纪8 0 年代，大坝安全监测自动化才得到较为成熟的发展，表现在部分观测 项目( 如混凝土坝的渗流和变形观测) 已完全实现自动化监测，一些能表示大坝整体安 全性的数据( 如大坝总渗透量) 可被不断地采集并传输到控制中心，进行分析和处理， 但总的来说其自动化水平还比较低，数据分析处理功能还有待进一步加捌9 1 0 1 。 进入2 0 世纪9 0 年代中期以后，随着现代科技的进步，特别是计算机和微电子技 术、通讯技术的巨大发展，研制出了大量品种繁多的大坝监测传感器，传感器能对几 乎所有的大坝要求的监测项目进行测量，且传感器的精确性、稳定性、可靠性也日渐 面向大坝安全监测的无线传感器网络设计 提高。在此基础上，大坝自动化监测系统也得到蓬勃发展，几乎全部监测项目都实现 了自动化监测，数据采集的自动化集成产品( 测控装置) 、大坝安全监测信息管理和 安全分析系统也纷纷面市，并安装于各种工程实际中，实际应用效果良好1 1 1 1 4 】。 随着大坝监测项目的增多，监测传感器数量的加大，不可能实行对单个传感器或 传感器组进行独立的自动化监测，需设置中央监控单元进行集中监控，将大坝内外观 测综合在一个自动化系统之中。实行大坝全部监测项目的自动化监测，首先采用的是 集中式数据采集系统，即在各传感器附近安装遥控转换箱，将多个传感器的输出信号 集中，传送给数据采集装置，最后传到坝外微机监控室进行存储管理。这种数据采集 方式中，传感器输出信号通过长电缆传送给采集装置，需要克服模拟量通过长电缆传 输中遇到的信号衰减和抗干扰难题。因此，传感器测点数量和信号传输距离受到限制， 故多应用于中小规模的大坝，如在法国和日本的中小型大坝中应用较多。 为了克服集中式监测系统的不足，满足大坝实际工程监测的需要，又出现了分布 式大坝自动化监测系统。分布式数据采集系统采用分布式数据采集装置取代集中式系 统中的遥测转换箱，其中，数据采集装置将传感器输出量转换成数字量进行数据存储 和通讯，从而消除了长电缆传输模拟信号对测量结果的影响，明显地增加了信噪比， 提高了测量精度川。 混合式是介于集中式和分布式之间的一种采集方式。它是具有分布式布置的外 型，而采用集中方式进行采集的系统。混合式系统利用散布于仪器附近的遥控转换箱 将仪器的模拟信号汇集于一条总线之中，传输到监控站进行集中测量和a d 转换， 然后将数字量送入计算机进行存储处理。由于混合式监测系统较好地解决了模拟量的 长线传输，既具有分散布置汇集大量仪器的灵活性和可扩展性，又仅需一套测量与控 制装置，且其运行维护条件也较好，因此是一种符合我国国情，有较高性能价格比的 自动监测系统，故在推出之后，在国内获得了广泛的应用【l 引。 目前应用最为广泛的是分布式系统，它特别适合于对众多的检测项目进行监测， 在可靠性、数据精确性、实用性等方面都比其它两种采集方式有较大程度的提高，而 且新技术也能更方便地在分布式大坝安全监测自动化系统中得到应用【l 。7 1 。但有线方式 存在信号漂移、失真、网络搭建工作量大、投资大、调整、扩充、维护不方便等缺点， 随着无线技术的发展，无线方式将在大坝安全监测中有很好的应用前景。 1 2 2zig b e e 的发展现状 z i g b e e 是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，这个名字来源于蜂 群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳z i g z a g 形状的舞蹈来分享新发现 的食物源的位置、距离和方向等信息。 大连理工大学硕士学位论文 z i g b e e 技术有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。 这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到 另一个传感器，因此它们的通信效率非常高。最后，这些数据就可以进入计算机用于 分析。 i e e e8 0 2 1 5 4 是i e e e 确定的低速率，无线个域网标准，这个标准定义了“物理层” ( p h y ) 和“介质访问层”( m a c ) ，但是仅仅定义物理层和介质访问层并不足以保证 不同的设备之间可以对话，于是便有了z i g b e e 联盟，它确定了可以在不同制造商之 间共享的应用纲要，即在i e e e 8 0 2 1 5 4 基础上对其网络层协议和a p i 进行了标准化。 2 0 0 2 年1 0 月英国i n v e n s y s 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷 兰飞利浦等公司共同提出了研发一种具有成本低、体积小、能耗小、低传输速率的无 线通信技术，并宣布组成了z i g b e e 技术联盟，这一事件成为该项技术发展过程中的 里程碑【1 8 】。 到目前为止，联盟已有1 5 0 多家企业，并仍在迅速发展壮大，涵盖了半导体生产 商、i p 服务提供商、消费类电子厂商及o e m 商等。到2 0 0 5 年4 月，该联盟制定了 z i g b e e 规范1 o 版，可以作为国际通用的标准版本。随着规范的制定，很多大型知名 公司纷纷推出自己的z i g b e e 解决方案，比较著名的有f r e e s c a l e 公司、m i c r o c h i p 公司、 c l l i p c o n 公司( 现为t i 公司子公司) 等。美国和欧洲引领z i g b e e 技术的发展前沿， 韩国、日本也纷纷研制出相应的开发套件和解决方案。我国也不甘落后，近年来，很 多著名研究所和院校已加入该领域的研究，也纷纷推出自己的z i g b e e 开发套件i l 圳。 根据z i g b e e 联盟目前的设想，z i g b e e 的目标市场主要有p c 外设( 鼠标、键盘、游 戏操控杆) 、消费类电子设备( t v 、v c r 、c d 、v c d 、d v d 等设备上的遥控装置) 、家 庭内智能控制( 照明、煤气计量控制及报警等) 、玩具( 电子宠物) 、医护( 监视器和传感器) 、 工控( 监视器、传感器和自动控制设备) 等非常广阔的领域。 z i g b e e 协议定义了三种逻辑设备，它们在z i g b e e 网络中担任的角色有所不同， 将其划分为睇u j ： ( 1 ) 协调者节点( c o o r d i n a t o r ，c o o r d ) ：是z i g b e e 网络的第一个开始的设备，或者是 一个z i g b e e 网络启动或建立的设备。协调者节点在网络中还可以有其他作用， 比如建立安全机制、网络中绑定的建立等。 ( 2 ) 路由器节点( r o u t e r ) ：功能有：1 ) 作为普通设备加入网络；2 ) 多跳路由；3 ) 辅 助其它的子节点完成通信。一般来说，r o u t e r 需要一直处于工作状态，所以需要 外接电源供电。但是在某些指定的网络结构中也可以采用电池供电，如“簇树”型 网络结构中，允许i 沁u t e r 周期的运行操作，所以可以采用电池供电。 面向大坝安全监测的无线传感器网络设计 ( 3 ) 终端节点( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ，r 唰) ：是可选的网络成员，主要用于简单的 控制应用，不允许同等设备通信，不参与路由，可以进行数据采集与传输。 z i g b e e 作为一种新兴的无线网络技术主要有以下特点【2 1 】： ( 1 ) 低功耗：在低耗电模式下，2 节a a 电池可支持1 个节点工作6 2 4 个月，甚至 更长。这是z i g b e e 的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周、w i f i 可工作数小时。 ( 2 ) 低成本：z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，大大降低了成本，且免收专利费。 ( 3 ) 低速率：z i g b e e 分别提供2 5 0 k b p s ( 2 4 g h z ) 、4 0 k b p s ( 9 1 5 m h z ) 和2 0 k b p s ( 8 6 8 m h z ) 的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。 ( 4 ) 短时延：通常时延都在1 5 毫秒至3 0 毫秒之间。 ( 5 ) 网络容量大：一个星型结构的z i g b e e 网络最多可以容纳2 5 4 个从设备和一个主 设备，一个区域内可以同时存在2 0 0 多个z i g b e e 网络，而且网络组成灵活。 ( 6 ) 工作频段灵活：使用频段为2 4 g h z 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m h z ( 美国) ，均为免执 照频段。 ( 7 ) 可靠：采取碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留专用时隙，避开 发送数据的竞争和冲突。m a c 层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的 数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。 z i g b e e 技术所具有的这些特点恰好可以满足大坝安全监测无线传感器网络对组网 方便、成本低、数据传输速率低以及低功耗的要求。 1 3 本文研究内容 本文主要研究内容包括以下几个部分： ( 1 ) 无线传感器网络节点硬件设计：在c c 2 4 3 0 模块的基础上，结合大坝实际应用， 进行协调者节点、路由器节点和终端节点的硬件设计。 ( 2 ) 无线传感器网络软件设计：在硬件设计的基础上，进行软件设计。对于c o o r d 而言，将完成组网、数据显示以及和计算机的串口通信；r f d 将完成传感器的数 据采集、数据无线发送和从c o o r d 接收命令；r o u t e r 既可以起路由通信功能也 可以作i 洄功能。 ( 3 ) 大坝安全监测系统数据管理软件设计：以v i s 砌b a s i c 6 0 为基础设计数据管理软 件，它的主要任务是将c 0 0 r d 收到的来自网络中的数据通过计算机的串口读入 到计算机，然后将采集到的数据及其分析结果保存到数据库，并绘制成曲线供 工作人员参考，同时要求能通过串口发送指令、显示整个网络的拓扑结构。 ( 4 ) 系统测试：对硬件、软件进行联合调试。 大连理工大学硕士学位论文 2 系统结构设计以及节点硬件、软件设计 2 1 大坝无线安全监测系统结构设计 2 1 1 大坝无线安全监测系统的基本功能要求 ( 1 ) 数据采集 大坝无线安全监测系统应能自动采集大坝常用传感器的输出信号，能把模拟量转 换为数字量；数据采集能适应应答式和自报式两种方式，能按设定的方式自动进行定 时测量。应部署冗余无线节点，当有一个节点不能工作时不至于影响整个网络的正常 运行；该系统应具有自检功能，便于系统测试和维护。 ( 2 ) 数据传输和存储 节点采集的数据无线传送给c o o r d ，c o o r d 通过串口传给计算机，在计算机上进 行处理、计算和检验入库。 ( 3 ) 数据管理 a ) 数据管理软件应具有监测数据自动检验、报警功能。 b ) 监控主机能实现报告当前测值状态、调用、查询历史数据等功能。 c ) 以图形和表格形式显示被监测对象的测值、测量时间等数据，并且可以显示网 络拓扑图、监测数据过程线等。 d ) 数据管理软件中应有人工数据输入接口【2 2 1 。 2 1 2 大坝无线安全监测系统结构 基于以上对系统的基本功能分析，设计的大坝无线安全监测系统网络结构如图 2 1 所示。系统主要由大坝传感器、z i g b e e 节点( r o u t e r ，c o o r d ，i 洄) 、无线传输系 统和管理中心等部分组成。每个朐和r o u t e r 都可以连接5 个传感器，下面以r f d 为 例来介绍。大坝传感器按规定安装在大坝各关键部位采集大坝相关信号，采集的信号 通过传输电缆传送给r f d ，由砌完成各传感器的选择、信号采集、信号转换等工作， 再通过无线传输系统( z i g b e e 无线网络) 传输给c o o r d ，c o o r d 通过有线方式和管理 中心的p c 机通信。管理中心的p c 机接收无线网络中传输的数据，并对数据进行处 理和保存。 从图2 1 可以看出该系统使用的是簇树型网络拓扑结构，这是因为，z i g b e e 定 义的三种拓扑结构：星型拓扑结构、簇树型拓扑结构、网格型拓扑结构。星型结构耗 能小、简单，但受限于直传距离；网格型结构具有高的健壮性，但能量消耗大； 面向大坝安全监测的无线传感嚣网络设计 前已_ 大坝情感嚣 u 七 r f d 节点 量j 。 r o u t cr 节点 只酒 3 7 j 1 一 or d 节点 圈2l 大坝无线安拿临测系统网络结构 f 1 921 n e h v o r ks l m c l f d a r t ls a k t ym o n j i o 丌n g 掣s k m 管理中，o 簇一树型结构既保持了星型结构低能耗和简单的优点，又具备网格型结构的扩展范同和 自修复功能m 】。剧时由于大坝监测范围广，节点传感范围有限，节点应该布置在人坝 的关键部位，并进行冗余部岩，其他地方可以少布置或不布置。因此，在大中型大坝 安全监测中选簇树型结构，在小型大坝中可以选用星型结构。 该系统适合野外工作，在潮湿、多粉7 拉、炎热或严寒条件下也能保持了f 常工作， 其有全天候、实时、自动化监测等优点。首先，无线方式不需要布线，可节省巨额的 前期施工成本和时间：其二，无线传输在大坝恶劣环境下比有线传输稳定，宙击只能 对个别点产生影响，不会影响整个系统的稳定，由_ ：i 二没有电缆，可彻底解决鼠患问题： 其三，无线传输方式维护方便，检测点和c o o r d 连接形式简单，主要有星型连接方式 和簇一树连接方式，维修简单，直接更换鹾检测点即可不涉及电缆的维修；其四，不 受时问、地点的限制，对大坝实行实时监测，能实现真正意义上的无人值守。 22c o o r d 的硬件设计 c 0 0 r d 要建立和维持网络、管理网络中的所有节点、接收来自网络中其它节点发 来的传感器信息并进行数据处理、发送控制信息和上位机通信以及进行简单信息的显 示。c o o r d 节点结构如图22 所示，c o o r d 主要由c c 2 4 3 0 模块、串口通信模块、l c d 大连理工大学硕士学位论文 显示模块、电源模块以及按键模块组成，节点照片如图23 所示，下面将详细介绍各 个模块。 图22c o 。r d 节点硬件组成结构 f 1 922c 0 0 州h 盯d w ”es t c 札n 图23c o o 州廿点照片 f 。9 23p h o i o g m p ho f m ec 呻r d 221c c 2 4 3 0 模块 z i g b e e 联盟设想z i g b e e 可用于工控( 监视器、传感器和自动控制设备) 等非常广阔 的领域，随着z i g b e e 标准的发布，世界各大无线芯片生产厂商陆续推出了支持z i g b e e 的无线收发芯片，c c 2 4 3 0 是其中一种。 c c 2 4 3 0 芯片是c h i p c o n 公司生产的首款符合z i g b e e 技术的24g h z 射频芯片。适 用于粹种z i g b e e 或类似z i g b e e 的无线网络节点中。c c 2 4 3 0 芯片延用了以往c c 2 4 2 0 芯 片的架构，在单个芯片上整合了z i g b e e 射频( r f ) 前端、内存和微控制器。它使用1 个 8 位m c u ( 8 0 5 1 ) ，具有1 2 8k b 可编程闪存和8 k b 的r a m ，还包含模拟数字转换器 ( a d c ) 、儿个定时器( t i m e r ) 、a e s l 2 8 协同处理器、看门狗定时器( w a 【c h d o gt l m e r ) 、 3 2u i z 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路( p o 、v e r0 nr e s c d 、掉电检测电路( b r o w n o u t d e t e c t i o n ) ，咀及2 1 个可编程u o 引脚i “】。 c c 2 4 3 0 芯片采用0 1 8 岬c m o s 工艺生产；在接收和发射模式下，电流损耗分别 低于2 7m a 或2 5n 1 a 。c c 2 4 3 0 的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特 别适合那些要求电池寿命非常长的应用。 ( 1 ) c c 2 4 3 0 芯片的主要特点如下1 2 5 1 ： 高性能和低功耗的8 0 5 l 微控制器核。 集成符合i e e e 8 0 21 54 标准的24g h z 的r f 无线电收发机。 面向大坝安全监测的无线传感器网络设计 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。 在休眠模式时仅o 9 衅的流耗，外部的中断或r t c 能唤醒系统；在待机模式时少 于0 6 衅的流耗，外部的中断能唤醒系统。 硬件支持c s m a c a 功能。 较宽的电压范围( 2 0 3 6v ) 。 数字化的r s s i l q l 支持和强大的d m a 功能。 具有电池监测和温度感测功能。 集成了1 4 位模数转换的a d c 。 集成a e s 安全协处理器。 带有2 个强大的支持几组协议的u s a r t ，以及1 个符合i e e e8 0 2 1 5 4 规范的m a c 计 时器，1 个常规的1 6 位计时器和2 个8 位计时器。 ( 2 ) i o 端口线引脚功能 c c 2 4 3 0 有2 1 个可编程的i o 口引脚，p o 、p 1 口是完全的8 位口，p 2 口只有5 个可使 用的位。通过软件设定一组s f r 寄存器的位和字节，可使这些引脚作为通常的i o 口或 作为连接a d c 、计时器或u s a r t 部件的外围设备i o 口使用。i o 口有下面的关键特性： 可设置为通常的i o 口，也可设置为外围i o 口使用。 在输入时有上拉和下拉能力。 全部2 1 个数字i o 口引脚都具有响应外部的中断能力。如果需要外部设备，可对i o 口引脚产生中断，同时外部的中断事件也能被用来唤醒休眠模式。 1 6 脚( p 12 p 17 ) ：具有4i i a 输出驱动能力。 8 ，9 脚( p lo ，p 11 ) ：具有2 0i l 认的驱动能力。 1 l 1 8 脚( p oo p 07 ) ：具有4i l 认输出驱动能力。 4 3 ，4 4 ，4 5 ，4 6 ，4 8 脚( p 24 ，p 23 ，p 22 ，p 21 ，p 20 ) ：有4m a 驱动能力。 ( 3 ) 硬件应用电路 为了缩短开发周期，本文选择成都无线龙公司的c c 2 4 3 0 模块来完成节点的硬件设 计。模块电路原理图见附录a 所示。 2 2 2 串口通信模块 c c 2 4 3 0 内部集成的u s a r t ( 通用异步收发器) 单元提供了两个独立的异步串行i o 端口，也就是通常所说的串口。串口是用途广泛的通信口，很多工业现场总线都以串口 为基础。在测试仪中，串口不仅可以用来与外部设备进行数据通讯，还可以通过超级终 端观察程序运行情况，监视系统的运行。 要完成最基本的串行通信功能，实际上只需要l d 、t x d 和g n d 即可，但由于 大连理工大学硕士学位论文 r s 2 3 2 c 标准所定义的高、低电平信号与c c 2 4 3 0 的1 v r l 电平所定义的高、低电平信 号完全不同，c c 2 4 3 0 的1 v r l 电平标准逻辑“1 ”对应v d d o 2 5 v d d 电平，标准逻辑“o ” 对应o v o 9 v 电平，而r s 2 3 2 一c 标准采用负逻辑方式，标准逻辑“1 ”对应一5 v 一1 5 v 电平，标准逻辑“o ”对应+ 5 v + 1 5 v 电平，显然，两者间要进行通信必须经过信号电平 的转换，目前常使用的电平转换芯片为m a x 3 2 3 2 ，其引脚分布如图2 4 。 d i p ，s o 厂r s s o p 图2 4m a x 3 2 3 2 c 引脚分布 f 培2 4 p i nc o n f i g u r a i t o no fm a x 3 2 3 2 c c o o r d 上设计的串口通信接口电路如图2 5 所示，可与p c 以9 针的串口直连线相连接。 1 r 图2 5 串口通信接口电路 f i g 2 5 s c h e m a t i cd i a g r 锄o fr s - 2 3 2 2 2 3l c d 显示模块 ( 1 ) l c d 的特点 本文选用北京铭正同创的m z l 0 5 1 2 8 6 4l c d 模组，m z l 0 5 1 2 8 6 4 为一块小型的 面向大坝安全监测的无线传感器网络设计 1 2 8 6 4 点阵的l c d 显示模组，模组上的l c m 采用c o g 技术将控制( 包括显存) 、 驱动器集成在l c m 的玻璃上，接口简单、操作方便；为方便用户的使用，铭正同创 在l c m 的基础上设计了m z l 0 5 1 2 8 6 4 模组，将模组所必需的外围电容电阻集成到模 组上。m z l 0 5 1 2 8 6 4 模组与各种m c u 均可进行方便简单的接口操作。其特点为： 1 2 8 6 4 点阵f s t n ； 单电源供电对比度编程可调； 仅写入的串行s p i 接口方式： 3 3 v 的白色l e d 背光，美观大方； ( 2 ) 主要功能与基本参数 m z l 0 5 1 2 8 6 4 显示模块的基本参数如表2 1 所示，该显示模块工作电压最大是 3 3 v ，典型值3 o v 。c o o r d 上设计的l c d 接口电路如图2 6 所示。 表2 1m z l 0 5 1 2 8 6 4 基本参数 t a b 2 1b a s i cp a r a m e t e r so fm z l 0 5 一l2 8 6 4 显示模式 f s t n 液晶 显示格式 输入数据 模块尺寸 视屏尺寸 背光 1 2 8 x 6 4 点阵地图形液晶示 仅限写入的串行s p i 接口 4 0 6 ( 长) 2 5 1 ( 宽) 2 9 ( 长) 1 3 5 ( 宽) 咖 白色l e d ，c s ，r s t a 0 p j 4 c s r s t a d s c k s d i v d d v s s 图2 6l c d 接口电路 f i g 2 6 l c di n t e r f a c ec i r c u i t 2 2 4 电源模块 c o o r d 节点上提供了一个直流电源插座，用于在室内使用直流电源为c o o r d 节点 一一一一；兰一一 大连理工大学硕士学位论文 供电。同时在c 0 0 r d 上提供了一个电池盒插座，用于在需要移动测试的情况下使用。 直流电源和电池两种供电方式之间利用直流电源插座自动切换。直流电源供电优先于 电池供电，即c o o r d 节点上既安装了电池又插上了直流电源的情况下优先使用直流电 源供电。电路原理图如图2 7 所示。 采用5 v 电源作为主电源，由5 v 稳压电源或者