郭庆辉
中国市政工程中南设计研究院总院有限公司 湖北 武汉 430000
摘要：针对山区地质灾害频发的状况，研究开发了地表位移监测装置和基于ZigBee网络的山地城市排水管道安全监测系统，对威胁库区山地城市排水管道安全运行的各种诱发因素信息进行实时在线监测。该系统由多个ZigBee子网构成，各ZigBee子网的监测数据经GPRS公共网络远传至监管中心。该监测系统不仅经济适用，而且通过采用变周期采样、数据筛选等节能控制策略，数据采集器1块锂电池可用1年，现场主站100Ah蓄电池可用2年。
关键词：排水管道；无线传感器网络；地质灾害监测
山地城市由滑坡、崩塌等地质灾害导致的城市排水管道变形、损伤甚至断裂等管损事故时有发生，加上管道沿程施工建设等，都对山地城市排水管道的安全运行造成极大的威胁[1]。由于管道破损发生的偶然性，以及恶劣的地形环境等因素，传统的人工监测方式和有线自动监测系统难以实施[2]。研发的基于ZigBee无线传感器网络的实时监测系统，在监测区域内布置大量的监测单元，通过无线通信方式形成一个自组织的网络系统，协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中排水管道沿线的各种管道破坏诱发因素信息。通过对监测数据的分析，判断排水系统是否处于正常运行工况。
1 山地城市排水管道安全运行无线远程监测系统研发
1.1 系统结构设计
本次山地城市排水管道安全运行无线远程监测系统采用两层网络架构。数据采集器实现对排水管道周边山体地表位移、排水管道混凝土应变、土压力、流量及实时雨量等传感器信息的采集、16位A/D转换、暂存和数据筛选后，通过ZigBee网络发送给现场主站，现场主站经GPRS无线公共通信网络上传据至中央监控计算机[3]。当中央监控计算机临时需提取现场数据时，能唤醒现场主站，现场主站再唤醒数据采集器，及时上传当前监测数据。数据采集器的采样频率和现场主站的上传频率由中央监控计算机动态自动设定。
1.2 设备研发
1.2.1 地表位移监测装置的研发
本次开发的地表位移监测装置，利用位移传感器获取山体滑坡发生信息。测量装置包括：直线位移传感器、动支柱、定支柱、不锈钢带、数据采集器等。不锈钢带的一端与动支柱固定于滑坡体上，另一端与定支柱一起固定在稳定的物体或基岩上；直线位移传感器安装在动支柱上，一端连接配重，另一端通过滑轮连接不锈钢带，直线位移传感器输出通过导线连到变送器上；数据采集器安装在定支柱上，变送器安装在动支柱上，其间通过多芯屏蔽电缆连接。
监测原理如下：当山体滑坡导致地表产生位移时，不锈钢带的长度就会发生变化，该变化量直接反映了滑坡体的滑动量，可通过直线位移传感器测量出来，再经变送器转换为4~20mA标准电信号，送到数据采集器中。
1.2.2 数据采集器研发
(1)结构设计
数据采集器以STC12C5616AD芯片作为控制核心，工作频率为0~35MHZ，采用512字节RAM和1K字节的片内ROM；供电电池采用容量为11000mA/H的锂电池。STC12C5616AD内部控制程序负责整个数据采集器的正常运行，工作内容主要包括产生扫频激励信号、控制ZigBee通信模块完成数据的收发、处理及解析控制命令等。
(2) 振弦式传感器接口设计
用于排水管道力学性能监测的土压力计、混凝土应变计采用振弦式传感器。振弦式传感器基于钢弦振动频率随钢丝张力变化的原理产生测量信息。在测量中采用扫频激振技术进行激励，再通过放大、滤波、调理电路得到钢弦振动的频率信号，最后根据转换公式计算出传感器的形变程度和受力大小，可获得理想的测量效果。由于振弦式传感器具有结构简单、价格低廉、坚固耐用、抗干扰能力强等特点，在岩土工程测量中得到了广泛应用。
1.2.3 现场主站的研发
现场主站主要由ZigBee网络协调器和带独立微处理器的GPRS模块2部分组成。与数据采集器相比，现场主站要求较强的处理能力和运行速度，因此设计中微处理器选用了片资源丰富的ARM7，并根据功能需求，扩展硬件通讯接口。
1.3 系统软件设计
软件设计遵循模块化，和数据可靠性、实时性、安全性的设计原则，与硬件密切配合，共同实现数据采集及远传的功能。
1.3.1 数据采集器软件设计
为支持软件的开发，Freescale公司提供了专门的软件开发平台以及IEEE802.15.4协议[5]和ZigBee 网络堆栈。设计中现场ZigBee网络采用星型拓扑结构，数据采集器作为终端设备，采集传感器数据并发送给附近的现场主站。在程序设计中，用户只需根据设计目标，调用ZigBee 协议栈的API应用程序编程接口函数实现网络管理层的设备初始化、配置网络、启动加入网络等，其中消息传播和路由发现是自动完成的，用户无法干预[6]。另外为满足应用需求，在设计过程中还涉及到时间同步、节点休眠与唤醒等算法的实现。
1.3.2 现场主站软件设计
现场主站软件由两部分组成：针对ZigBee协调器的ZigBee无线网络软件和针对现场主站系统控制与数据综合处理的内部控制软件。ZigBee协调器主要负责与各个数据采集器通信，如下达监管中心发出的控制指令，接收数据采集器上传的数据，以及及时将数据传输给GPRS芯片。ZigBee协调器与数据采集器的通信功能利用内嵌在CPU中的ZigBee协议栈的应用层编程实现，包括设备初始化、消息传播、时钟控制、存储、上传监控数据等。微处理器ARM7作为现场主站的控制核心，其内部控制程序对主站的正常运行至关重要，主要功能包括监测数据的接收与存储，GPRS无线通信控制以及时间同步管理等。
2 工程示范
某山地城市排水主截流A线干管全长23 km左右，采用2m?×2.3m~2.6m×3.2m规格的排水箱涵沿江岸敷设。工程沿线由于受不良地质条件、河水冲刷，以及城市道路建设、建筑施工、堆物作业等活动的影响，给排水管道的安全运行埋下了极大的安全隐患。
综合各种不安全因素的特点, 经现场勘查、地灾风险评估分析，本研究沿主截流干管全长确定了5处监测点，图1为监测点布置图，表示为A-E，共5个点。
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图1 排水干管监测点分布图
为实时采集图3中分散分布的各监测点的地灾参数、管道力学参数和水力参数，每处监测点组成1个或多个ZigBee 无线传感器网络，然后经GPRS无线公共网络上传至监管中心（O点）。监管中心的监控计算机对监测数据进行分析、处理后，将各监测点排水管道的运行状况在GIS平台上显示出来。
3 结语
本设计基于ZigBee网络技术开发了山地城市排水管道安全运行监测系统，解决了常规监测技术在山地城市排水管道安全运行监测中的一些难题。该系统不仅经济适用，而且可以动态监测山地城市排水主干管沿线滑坡、崩塌等潜在灾变体在时空域的变形破坏信息、诱发因素信息以及排水管道承载力、变形等安全性状信息，并可在监管中心对实时监测数据开展深度利用研究，包括监测数据的相关性分析、地灾危险性分析以及结构承载力安全性分析，可有效地保障山地城市排水系统安全运行。
参考文献
[1]仝达伟, 张之平, 吴重庆, 等. 滑坡监测研究及其最新进展[J].传感器世界，2005,11(6): 10-14.
[2]高守玮, 吴灿阳. ZigBee技术实践教程[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2009.
[3]IEEE. Std 802. 15. 4 Part 15. 4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification for Low Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs) [S]. Piscataway: IEEE, 2003.