專(zhuān)利名稱(chēng)：一種大壩安全監(jiān)控的ZigBee系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水利工程安全監(jiān)控領(lǐng)域和嵌入式系統(tǒng)與無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域相結(jié)合的交叉研究，具體涉及大壩安全監(jiān)控的ZigBee無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)系統(tǒng)及監(jiān)控方法。
背景技術(shù)：
隨著傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)的迅速發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)從智能感知檢測(cè)、傳輸?shù)浇邮?、處理全程?shù)字化方式，對(duì)工程所關(guān)心的物理變量進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)捕捉變量變化的特征信息，通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送到遠(yuǎn)程安全監(jiān)控中心，可實(shí)現(xiàn)惡劣環(huán)境下工程可靠監(jiān)測(cè)采集與大范圍數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)安全傳輸。所以，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新興技術(shù)，已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，在很多領(lǐng)域的應(yīng)用展現(xiàn)出其廣闊的應(yīng)用前景。而ZigBee協(xié)議低功耗、低成本、低速率、高容量、協(xié)議簡(jiǎn)單以及安全性高的特點(diǎn)，為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體工程應(yīng)用更提供了廣泛的平臺(tái)對(duì)于許多大壩工程，布設(shè)完善先進(jìn)的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是工程良好運(yùn)營(yíng)的重要保障，眾所周知，大壩安全監(jiān)測(cè)儀器是人們了解大壩運(yùn)行狀態(tài)的耳目，要求能夠在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的檢測(cè)出大壩微小的物理量變化，但現(xiàn)有大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要為人工方式和有線(xiàn)連接方式，有線(xiàn)方式價(jià)格昂貴、所測(cè)范圍有限，且布線(xiàn)調(diào)整、擴(kuò)充、維護(hù)都很不方便，而且環(huán)境變量的檢測(cè)、傳輸?shù)浇邮?、處理都沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化和網(wǎng)絡(luò)化，影響了采集信息傳輸和分析的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，所以無(wú)法及時(shí)反映工程環(huán)境變量的動(dòng)態(tài)變化，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)不能及時(shí)發(fā)出報(bào)警。隨著大型大壩工程的增多和高科技的應(yīng)用，大壩安全監(jiān)測(cè)向一體化、自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展將是其發(fā)展的必然趨勢(shì)。大壩安全監(jiān)控的ZigBee無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)系統(tǒng)，是綜合了數(shù)據(jù)采集、微小信號(hào)處理、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)、短距離無(wú)線(xiàn)通信、嵌入式計(jì)算機(jī)、分散式信息處理等多學(xué)科新興前沿技術(shù)，能構(gòu)成惡劣環(huán)境中大壩無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)、無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)臄?shù)字化遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)所關(guān)心物理變量的在線(xiàn)高精度監(jiān)測(cè)與傳輸，對(duì)大壩健康診斷提供及 時(shí)可靠的評(píng)價(jià)依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足，提出了一種大壩安全監(jiān)控的ZigBee無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)系統(tǒng)及監(jiān)控方法，克服現(xiàn)有人工監(jiān)測(cè)和有線(xiàn)監(jiān)測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、布線(xiàn)困難、成本高、監(jiān)測(cè)范圍有限以及實(shí)效性差等弊端。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案大壩安全監(jiān)控的ZigBee無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，所述數(shù)據(jù)采集層包括傳感器組、基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的信息采集節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，傳感器組設(shè)置于基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的信息采集節(jié)點(diǎn)上，所述基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的信息采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通信，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸層和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通信。所述基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的信息采集節(jié)點(diǎn)由集成了微處理器和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的CC2430模塊、電源模塊、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊、時(shí)鐘電路模塊、存儲(chǔ)電路模塊、驅(qū)動(dòng)控制輸出模塊、通訊接口電路模塊共同組成。所述傳感器組包括應(yīng)力傳感 器、應(yīng)變傳感器、位移傳感器、沉降傳感器、測(cè)壓水位傳感器和溫度傳感器。所述的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用ZigBee方式與路由節(jié)點(diǎn)連接，并通過(guò)GPRS/CDMA數(shù)傳設(shè)備與遠(yuǎn)程安全監(jiān)控中心連接。大壩安全監(jiān)控的ZigBee無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)控方法如下大壩的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸層對(duì)大壩現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集層發(fā)布各種操作指令和接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的信息采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的采集信息；現(xiàn)場(chǎng)ZigBee節(jié)點(diǎn)包括信息的采集節(jié)上布置有應(yīng)力傳感器、應(yīng)變傳感器、位移傳感器、沉降傳感器、測(cè)壓水位傳感器和溫度傳感器，所述傳感器采集大壩現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并通過(guò)2. 4GHz的ISM頻段與上層路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成基于IEEE 802. 15. 4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)即數(shù)據(jù)采集層；所述數(shù)據(jù)采集層負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)大壩信息的采集，連接鄰居節(jié)點(diǎn)來(lái)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍以及完成組網(wǎng)功能和響應(yīng)監(jiān)控中心發(fā)出的控制指令。本發(fā)明具有如下有益效果(I)融合傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，結(jié)合ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS通信技術(shù)，組建具有智能組網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸功能的大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)，達(dá)到了安全監(jiān)測(cè)的信息化和實(shí)時(shí)性，真正實(shí)現(xiàn)了大壩安全監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)和傳輸。(2)通過(guò)在ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)上布置不同的傳感器，與上層路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成基于IEEE 802. 15. 4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)大壩信息的采集和傳輸，網(wǎng)絡(luò)具有自組織特征，可完成網(wǎng)絡(luò)智能組網(wǎng)、路由以及數(shù)據(jù)傳輸，并根據(jù)不同需要采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，完成組網(wǎng)功能和響應(yīng)監(jiān)控中心發(fā)出的控制指令；(3)發(fā)明的大壩安全監(jiān)控的ZigBee無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)自維護(hù)特征，即當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中個(gè)別節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)的工作不受影響，剩下的節(jié)點(diǎn)可以重新智能組網(wǎng)。(4)大壩安全監(jiān)控的ZigBee無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)系統(tǒng)將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與ZigBee協(xié)議、Internet網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，采用先進(jìn)的拓?fù)淇刂?、時(shí)間同步、節(jié)點(diǎn)定位、網(wǎng)絡(luò)安全和設(shè)備管理技術(shù)手段，利用廉價(jià)、可靠的移動(dòng)通信GPRS/CDMA技術(shù)，發(fā)明了新型大壩無(wú)線(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，適合大壩這種在野外惡劣環(huán)境下的監(jiān)測(cè)。(5)本發(fā)明構(gòu)建了大壩無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)一無(wú)線(xiàn)傳輸一挖掘分析一預(yù)報(bào)預(yù)警網(wǎng)絡(luò)體系，建立了無(wú)線(xiàn)數(shù)字大壩安全監(jiān)控分析預(yù)警可視化系統(tǒng)，能以可視化形式直觀顯示和分析大壩安全監(jiān)測(cè)資料。(6)發(fā)明的大壩安全監(jiān)控的ZigBee無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)系統(tǒng)，組網(wǎng)方便快捷、工作功耗低、價(jià)格低廉、支援多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、具有低?fù)雜度、快速、可靠、安全的特點(diǎn)。


圖I、本發(fā)明大壩安全監(jiān)控的ZigBee無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)架圖；圖2、本發(fā)明中ZigBee協(xié)議架構(gòu)圖；圖3、本發(fā)明中ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)·
圖4、本發(fā)明中CC2430外圍電源原理圖；圖5、本發(fā)明中信息采集節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖；圖6、本發(fā)明中CC2430調(diào)試接口·
圖7、本發(fā)明中CC2430節(jié)點(diǎn)原理圖；圖8、為大壩遠(yuǎn)程監(jiān)控中心功能結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式為進(jìn)一步解釋本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果，下面結(jié)合具體實(shí)施例并參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。圖I是本發(fā)明大壩安全監(jiān)控的ZigBee無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)系統(tǒng)總體構(gòu)架圖。該系統(tǒng)可以分為三部分，第一部分為ZigBee網(wǎng)絡(luò)層，如圖中11所示；第二部分為數(shù)據(jù)傳輸層，如圖中12所示；第三部分為大壩遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，如圖中13所示。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層11由采集節(jié)點(diǎn)即終端設(shè)備、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成，在大壩工程應(yīng)用中，通過(guò)在采集節(jié)點(diǎn)上布置不同的傳感器，如應(yīng)力傳感器、應(yīng)變傳感器、位移傳感器、沉降傳感器、測(cè)壓水位傳感器、溫度傳感器等，通過(guò)2. 4GHz的ISM頻段，與上層路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成基于IEEE 802. 15. 4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)傳輸層12由具有接入Internet網(wǎng)絡(luò)的GPRS/CDMA數(shù)傳設(shè)備構(gòu)成。GPRS/CDMA數(shù)傳設(shè)備承擔(dān)數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)中繼和Internet接入等功能，所有傳感器節(jié)點(diǎn)的采集信息最終通過(guò)它傳輸?shù)竭h(yuǎn)程安全監(jiān)控中心。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心13，是Web后臺(tái)管理系統(tǒng)，包括采集信息的處理及顯示、遠(yuǎn)程操作、采集設(shè)備遠(yuǎn)程管理、預(yù)警發(fā)布、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯示和用戶(hù)管理子系統(tǒng)。監(jiān)控中心第一時(shí)間通過(guò)Internet、AP服務(wù)和GSM網(wǎng)絡(luò)將預(yù)警播報(bào)短信發(fā)送到相關(guān)負(fù)責(zé)人員手機(jī)，真正實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警發(fā)布。安全監(jiān)控中心通過(guò)GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通信，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)、信息采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)基于IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，形成具有分布式處理的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。其中大壩現(xiàn)場(chǎng)采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)布置不同傳感器，將采集的不同變量信號(hào)成功發(fā)送給上層路由節(jié)點(diǎn)后，為節(jié)省能量，便進(jìn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)有突變信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，采集節(jié)點(diǎn)將被喚醒，以突發(fā)的方式傳送數(shù)據(jù)，以使數(shù)據(jù)達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的延時(shí)最小。終端信息采集節(jié)點(diǎn)把采集的信息向上傳輸給路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)通過(guò)多跳路由輔助它的子節(jié)點(diǎn)完成通信，進(jìn)行消息轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)傳送，通過(guò)連接鄰居節(jié)點(diǎn)來(lái)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主要控制者，負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)或建立，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)先選擇一個(gè)信道和網(wǎng)絡(luò)ID，然后建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并向臨近的節(jié)點(diǎn)以廣播方式發(fā)送信標(biāo)幀。協(xié)調(diào)器一方面采用ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)方式同路由節(jié)點(diǎn)連接，另一方面采用GPRS/CDMA與大壩遠(yuǎn)程監(jiān)控中心連接，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。采集現(xiàn)場(chǎng)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有較快的自修復(fù)能力，組網(wǎng)方便快捷、支援多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒕哂械蛷?fù)雜度、快速、可靠、安全的優(yōu)點(diǎn)。保證了大壩安全監(jiān)控的ZigBee無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)魯棒性、系統(tǒng)穩(wěn)定性和監(jiān)控實(shí)時(shí)性，避免了多跳網(wǎng)絡(luò)中由于某個(gè)路由節(jié)點(diǎn)故障而導(dǎo)致大面積網(wǎng)絡(luò)癱瘓。圖2是ZigBee協(xié)議架構(gòu)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行相互的數(shù)據(jù)交流就要有相應(yīng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包括包括MAC層、路由、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等。ZigBee協(xié)議適應(yīng)無(wú)線(xiàn)傳感器低花費(fèi)、低能量、高容錯(cuò)性等的要求，Zigbee是在IEEE 802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上建立，IEEE802. 15. 4定義了協(xié)議的MAC層和PHY層。ZigBee設(shè)備應(yīng)該包括ffiEE802. 15. 4的PHY和MAC層，以及ZigBee堆棧層網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層和安全服務(wù)提供層。每個(gè)ZigBee設(shè)備都與一個(gè)特定模板有關(guān)，設(shè)備是由模板定義的，并以應(yīng)用對(duì)象(Application Objects)的形式實(shí)現(xiàn)。每個(gè)應(yīng)用對(duì)象通過(guò)一個(gè)端點(diǎn)連接到ZigBee堆棧的余下部分，它們都是器件中可尋址的組件。從應(yīng)用角度看，通信的本質(zhì)就是端點(diǎn)到端點(diǎn)的連接，端點(diǎn)之間的通信是通過(guò)稱(chēng)之為簇的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。所有端點(diǎn)都使用應(yīng)用支持子層(APS)提供的服務(wù)。APS通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層和安全服務(wù)提供層與端點(diǎn)相接，并為數(shù)據(jù)傳送、安全和綁定提供服務(wù)，因此能夠適配不同但兼容的設(shè)備。APS使用網(wǎng)絡(luò)層(NWK)提供的服務(wù)。NWK負(fù)責(zé)設(shè)備到設(shè)備的通信，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備初始化所包含的活動(dòng)、消息路由和網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)。應(yīng)用層可以通過(guò)ZigBee設(shè)備對(duì)象對(duì)網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)進(jìn)行配置和訪(fǎng)問(wèn)。
圖3為ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)圖。它是以CC2430射頻芯片為主器件的硬件模塊。主要組成部分包括復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、電源轉(zhuǎn)換模塊、巴倫電路等。圖4是CC2430主芯片電源轉(zhuǎn)換原理圖，它將外部直流5V輸入電壓通過(guò)LDO電源芯片轉(zhuǎn)換為3. 3V直流電壓，提供CC2430所需的工作電源，為實(shí)現(xiàn)可靠而穩(wěn)定的電壓，由C3、C4、C5、C6實(shí)現(xiàn)了電源濾波。另外，根據(jù)應(yīng)用的需要在不同的工作狀態(tài)下，系統(tǒng)可以進(jìn)入不同的工作模式，比如，多數(shù)情況下系統(tǒng)可進(jìn)入睡眠狀態(tài)低功耗運(yùn)行，以節(jié)省電能。當(dāng)需要工作時(shí)，依靠定時(shí)器自行喚醒，在執(zhí)行一定的操作之后再次進(jìn)入睡眠。這種依靠應(yīng)用需求來(lái)設(shè)計(jì)的工作模式尤其是適合大壩數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控應(yīng)用。圖5是信息采集節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖，信息采集節(jié)點(diǎn)由集成了微處理器和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的CC2430模塊、電源模塊、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊、時(shí)鐘電路模塊、存儲(chǔ)電路模塊、驅(qū)動(dòng)控制輸出模塊、通訊接口電路模塊共同組成。圖6是CC2430的外圍調(diào)試接口電路，該接口對(duì)片上系統(tǒng)調(diào)試模塊提供了一個(gè)兩線(xiàn)接口，通過(guò)調(diào)試接口可以對(duì)Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行全片擦除，允許對(duì)片上Flash進(jìn)行編程，控制啟動(dòng)哪一個(gè)振蕩器，停止和開(kāi)始執(zhí)行用戶(hù)程序，在8051內(nèi)核上執(zhí)行供電指示，設(shè)置代碼斷點(diǎn)，在代碼中通過(guò)指令進(jìn)行單步調(diào)試，利用這些特性可以進(jìn)行電路調(diào)試和外部Flash編程。在調(diào)試模式下，調(diào)試接口使用I/O引腳P2_l作為調(diào)試數(shù)據(jù)線(xiàn)，使用P2_2作為調(diào)試時(shí)鐘線(xiàn)。當(dāng)設(shè)備不處于調(diào)試模式時(shí)，I/O引腳可被作為通用I/O。所以調(diào)試接口不會(huì)對(duì)任何外設(shè)I/O引腳造成干擾。圖7為CC2430芯片接口原理圖，無(wú)線(xiàn)通信模塊采用射頻芯片CC2430，它集成了CC2420射頻收發(fā)機(jī)、ZigBee射頻前端、128kB閃存、8kBRAM和8位8051微處理器，是實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)，支持IEEE 802. 15. 4/ZigBee協(xié)議，可用于ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。該模塊主要包括3. 3V和I. 8V電源濾波電路、晶振電路、巴倫電路和復(fù)位電路。芯片時(shí)鐘信號(hào)既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供，這里由外部電路提供，由Xl和X2兩個(gè)晶體振蕩器和C12、C13、C14、C15電容組成，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)，此處選Xl為32MHz，X2選32. 768KHz, C12和C13為33pf，C14和C15為15pf。Rl和R2為偏置電阻，精度為1%。CC2430射頻信號(hào)的收發(fā)采用差分方式傳送，其最佳差分負(fù)載是115+jl80 Ω，阻抗匹配電路應(yīng)根據(jù)該數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。設(shè)計(jì)采用50 Ω單極子天線(xiàn)，由于CC2430的差分射頻端口具有兩個(gè)端口，而天線(xiàn)是單端口，因此需采用巴倫電路(平衡/非平衡轉(zhuǎn)換電路)完成雙端口到單端口的轉(zhuǎn)換。巴倫電路由電感(L1、L2、L3)和電容(Cll)構(gòu)成。CC2430內(nèi)部使用I. 8V工作電壓，適合于電池供電的設(shè)備，外部數(shù)字I/O接口使用3. 3V電壓，以保持和3. 3V邏輯器件兼容。CC2430片上集成有自流穩(wěn)壓器，能將3. 3V電壓轉(zhuǎn)換為I. 8V電壓，這樣只有3. 3V電源的設(shè)備無(wú)需外加電壓轉(zhuǎn)換電路就能正常工作。C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9等為去耦電容，用于電源濾波，以提高工作穩(wěn)定性。圖8為大壩遠(yuǎn)程監(jiān)控中心功能結(jié)構(gòu)圖，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心是Web后臺(tái)管理系統(tǒng)，，包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化、數(shù)據(jù)預(yù)處理、采集設(shè)備遠(yuǎn)程管理、遠(yuǎn)程操作、監(jiān)測(cè)信息的處理及可視化顯示、預(yù)警發(fā)布、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯示和用戶(hù)管理子系統(tǒng)。所述的遠(yuǎn)程安全監(jiān)控中心監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理及可視化顯示子系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行多源數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行監(jiān)測(cè)資料分布圖、過(guò)程線(xiàn) 等圖表繪制和顯示等可視化，進(jìn)一步對(duì)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行深層次數(shù)據(jù)挖掘和綜合判斷分析，從而對(duì)大壩進(jìn)行健康診斷。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是(I)從智能感知檢測(cè)、傳輸?shù)浇邮铡⑻幚砣虜?shù)字化方式，實(shí)現(xiàn)大壩信息的可靠采集與大范圍數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)安全傳輸，構(gòu)建大壩無(wú)線(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)。(2)避免了現(xiàn)有大壩安全監(jiān)控有線(xiàn)監(jiān)測(cè)的諸多弊端，將ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入大型工程的安全監(jiān)控領(lǐng)域，具有廣泛應(yīng)用前景，必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。(3)為大型大壩工程的健康診斷提供實(shí)時(shí)可靠的分析資料，為大壩健康運(yùn)行提供保障。如上所述，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了比較詳細(xì)的說(shuō)明，但針對(duì)本發(fā)明所做的等效變形與修改，對(duì)水利工程相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的，這樣的修改例也包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種大壩安全監(jiān)控的ZigBee無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)系統(tǒng)，其特征在于包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，所述數(shù)據(jù)采集層包括傳感器組、基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的信息采集節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，傳感器組設(shè)置于基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的信息采集節(jié)點(diǎn)上，所述基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的信息采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通信，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸層和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大壩安全監(jiān)控的ZigBee無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)系統(tǒng)，其特征在于所述基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的信息采集節(jié)點(diǎn)由集成微處理器和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的CC2430模塊、電源模塊、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊、時(shí)鐘電路模塊、存儲(chǔ)電路模塊、驅(qū)動(dòng)控制輸出模塊、通訊接口電路模塊共同組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大壩安全監(jiān)控的ZigBee無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)系統(tǒng)，其特征在于所述傳感器組包括應(yīng)力傳感器、應(yīng)變傳感器、位移傳感器、沉降傳感器、測(cè)壓水位傳感器和溫度傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大壩安全監(jiān)控的ZigBee無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)系統(tǒng)，其特征在于所述的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用ZigBee方式與路由節(jié)點(diǎn)連接，并通過(guò)GPRS/CDMA數(shù)傳設(shè)備與遠(yuǎn)程安全監(jiān)控中心連接。
5.一種如權(quán)利要求I所述的大壩安全監(jiān)控的ZigBee無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)系統(tǒng)的監(jiān)控方法，其特征在于所述方法如下 大壩的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸層對(duì)大壩現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集層發(fā)布各種操作指令和接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的信息采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的采集信息；現(xiàn)場(chǎng)ZigBee節(jié)點(diǎn)包括信息的采集節(jié)點(diǎn)上布置有應(yīng)力傳感器、應(yīng)變傳感器、位移傳感器、沉降傳感器、測(cè)壓水位傳感器和溫度傳感器，所述傳感器采集大壩現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并通過(guò)2. 4GHz的ISM頻段與上層路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成基于IEEE 802. 15. 4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)即數(shù)據(jù)采集層；所述數(shù)據(jù)采集層負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)大壩信息的采集，連接鄰居節(jié)點(diǎn)來(lái)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍以及完成組網(wǎng)功能和響應(yīng)監(jiān)控中心發(fā)出的控制指令。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種大壩安全監(jiān)控的ZigBee無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)系統(tǒng)及監(jiān)控方法，屬于水利工程安全監(jiān)控和結(jié)構(gòu)健康診斷領(lǐng)域。系統(tǒng)分?jǐn)?shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層和監(jiān)控中心，主要包括大壩采集傳感器、ZigBee網(wǎng)絡(luò)的信息采集節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)傳輸結(jié)構(gòu)、遠(yuǎn)程安全監(jiān)控中心。所述方法遠(yuǎn)程安全監(jiān)控中心負(fù)責(zé)對(duì)大壩現(xiàn)場(chǎng)ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)布各種操作指令和接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息；現(xiàn)場(chǎng)ZigBee節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)大壩信息的采集和無(wú)線(xiàn)傳輸，連接鄰居節(jié)點(diǎn)完成組網(wǎng)功能和響應(yīng)監(jiān)控中心發(fā)出的控制指令。本發(fā)明改變了傳統(tǒng)的有線(xiàn)安全監(jiān)控技術(shù)和布線(xiàn)的結(jié)構(gòu)健康診斷技術(shù)，具有成本低、功耗低、模塊化設(shè)計(jì)、集成度高和功能可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H04L29/08GK102957710SQ20111019630
公開(kāi)日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2011年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月19日
發(fā)明者施金偉 申請(qǐng)人:蘇州微體電子科技有限公司