基坑監測系統中傳感網的節點部署*

孫懋珩，鄧玉杰

(同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804)

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基坑監測系統中傳感網的節點部署*

孫懋珩，鄧玉杰

(同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804)

基坑監測系統中，需要在各監測點部署傳感器節點，系統的監測點圍繞基坑工程展開，其監控區域近似圓環。在基站收集監測數據時，離基站越近的區域需要轉發的數據越多，節點能量消耗速度也就越快，基站附近的節點將很快消耗完能量，系統隨即癱瘓。通過研究圓環形傳感網的拓撲特點，得到節點密度公式，使得各區域的總能量與能量消耗速度之比達到平衡。理論分析和仿真實驗表明，按照此密度公式部署傳感器節點，可顯著提高系統生命周期。

基坑監測；傳感網；節點密度

0 引 言

在建筑工程中，基坑的開挖是工程項目的基礎，近幾年，深基坑工程在總體數量、開挖深度、平面尺寸以及使用領域等方面都得到高速的發展，而深基坑施工所造成的基坑坍塌、建(構)筑物或道路開裂，管線爆裂等事故屢有發生，給國家經濟和人民生命財產造成不同程度的損失，引起了嚴重的社會后果。為了實現實時、高效、準確的基坑工程實時監測，可以將基坑工程與圖像學、信號處理、無線傳感器網等學科相結合，應用數字信號處理技術、數字圖像處理技術、微位移傳感技術實現對各類位移(基坑工程圍護墻(邊坡)頂部水平和豎向位移、周邊地表的豎向位移、周邊建筑的豎向位移和水平位移、立柱豎向位移、周邊管線變形等)的感測和處理，通過無線傳感網把監測點信息匯集至服務器進行處理，從而實現自動實時監測[1]。

傳感網要把節點監測到的數據傳輸到服務器，而基坑監測中的傳感網圍繞基坑工程展開，其傳輸區域近似于圓環，而在圓環內部為施工區，無法部署監測設備。為了實現監測數據傳輸的實時性、高效性，同時盡可能延長網絡生命周期，傳感器節點的部署顯得至關重要[2]。

1 節點部署

1.1 網絡模型

我們將傳感網簡化成半徑為R1和R2的圓環形區域，網絡中所有傳感器節點功能相同、初始能量相等，圓環形區域內的節點組織成簇，簇內成員節點將監測數據傳輸到簇頭，簇頭將接收到的數據融合成數據包，轉發給下一個簇頭或基站(圖1中的Sink)[2-3]。

圖1 區域能量消耗

為保證系統的穩定性，同時便于文章的分析，我們假設相鄰傳感器節點的通信距離大于節點之間的物理距離，即相鄰節點之間可以實現完全聯通，不考慮通信中斷等意外情況。

研究表明，傳感器節點的能量消耗主要來自于通信，節點通信的能量消耗遠大于感知和計算的能量消耗，因此，為方便分析，我們忽略節點其他方面的能量消耗，只關注節點通信產生的能量消耗[3]。

為了分析圓環形區域中能量消耗，本文要研究的無線傳感網滿足以下假設[4]：

(1)基坑監測系統的傳感網是大型的，傳感器節點分布在半徑為R1和R2的圓環形區域內，基站部署在圓環形區域內部。

(2)網絡中所有傳感器節點的功能相同，并且每個傳感器節點的初始能量都為e。

(3)傳感器節點傳輸監測數據，網絡中單位區域內生成數據的速度為λ。

(4)傳感器節點與基站需要通過多跳傳輸，假設傳感器節點的通信距離為l。

(5)傳感器節點發送單位數據所消耗的能量為Et，接收單位數據所消耗的能量為Er。

1.2 密度函數

在傳感網中，某一區域的生命周期近似為此區域的總能量與能量消耗速度之比，為了最大限度地延長傳感網的生命周期，應當使各區域的總能量與能量消耗速度之比保持一致[5]。

各區域內總能量與能量消耗速度之比應為常數，即滿足以下條件：

(1)

式中，const為一常數。

設網絡中總節點數為N，應當滿足：

(2)

根據式(1)和式(2)可得節點的密度函數：

(3)

?的取值較小，所以有：

(4)

從中可以看出，離基站越近的區域傳感器節點應當布置得越密。

1.3 理論分析

在以密度函數部署傳感器節點時，由于各區域的總能量與能量消耗速度比值為常數，所以網絡中傳感器節點幾乎同時消耗完能量，這樣系統生命周期近似于某一區域的總能量/該區域的能量消耗速度[6]。

圖2 能量消耗對比

均勻部署節點時，離基站最近的區域中傳感器節點能量消耗速度最快。因此，我們考慮離基站最近的一跳范圍內的區域(距離基站的角度為θ′)，該區域的總能量與能量消耗速度之比作為系統生命周期[4]。

2 模擬實驗

我們使用MATLAB在系統生命周期、剩余能量兩個方面對上述兩種部署方案做對比。傳感器節點的初始能量為10J；發送數據的能量消耗為0.44W；接收數據的能量消耗為0.32W；傳感器節點的無線通信距離為20m；每個數據包的大小為32字節；根據基坑工程通常的監測范圍取R2=R1+25。分別將90、130、170、210、250、290、330個節點部署在R1為100m、150m、200m、250m、300m、350m、400m的圓環形區域內，以保證區域內節點的整體密度相同。每一個實驗結果都為100次仿真實驗的平均值。

假定傳感器節點周期性采集并傳輸數據，將網絡的生命周期定義為當超過10%的節點因能量耗盡而死亡時網絡已工作的周期數。

從上述實驗結果圖3和圖4可以看出，實驗結果和理論分析基本一致，按本文方案部署傳感器節點時，系統生命周期大約是均勻部署時的2倍，且本文方案中節點剩余能量較小，可以認為系統充分利用了傳感器節點能量，而且當區域越大時，這種趨勢越明顯。

圖3 生命周期

圖4 剩余能量

3 結 語

利用傳感網傳輸形變數據對實現基坑在線監測具有重要意義。以前論文很少涉及環形傳感網節點的部署，本文提出適用于環形傳感網的節點密度函數，理論分析和仿真實驗表明該部署方式可以顯著提高系統生命周期。但本文的節點部署方式必須滿足圓環半徑遠大于節點通信距離，所以有其局限性，在下一步的研究工作中，需要綜合考慮圓環區域半徑與節點通信距離之間的關系，構造出適用性更強的密度函數。

[1] 孫懋珩,李衛紅,吳晗.基坑監測系統中圖像的無損壓縮傳輸[J].通信技術,2013,46(09):86-88. SUN Mao-heng, LI Wei-hong, WU Han. Lossless Compression Transmission of Images in Excavation Monitoring System[J]. Communications Technology, 2013, 46(09): 86-88.

[2] 袁輝勇,劉偉群,劉永逸等.傳感器網絡中一種非均勻的節點部署算法[J].傳感技術學報,2008,21(06):1039-1042. YUAN Hui-yong, LIU Wei-qun, LIU Yong-yi,et al.Non-Uniform Node Deployment Algorithm in Sensor Networks[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2008, 21(06): 1039-1042.

[3] 陸克中,劉應玲.一種線型無線傳感器網絡的節點布置方案[J].計算機應用,2007,27(07):1566-1568. LU Ke-zhong, LIU Ying-ling. Deploying Nodes Scheme in Line Wireless Sensor Networks[J]. Computer Applications, 2007, 27(07):1566-1568.

[4] 陸克中,黃劉生,萬潁渝等.無線傳感器網絡中傳感器節點的布置[J].小型微型計算機系統,2006,27(11):2003-2006. LU Ke-zhong, HUANG Liu-sheng, WAN Ying-yu, et al. Deploying Sensor Nodes in Wireless Sensor Networks[J]. Mini-micro Systems, 2006, 27(11):2003-2006.

[5] YE Fan, ZHONG Gary, CHENG Jesse. A Robust Energy Conserving Protocol for Long-Lived Sensor Networks[C]//In Proceedings of the 23rd International Conference on Distributed Computing Systems. United States: IEEE, 2003: 28-37.

[6] 袁輝勇,彭東海,王志和等.圓環形傳感器網絡生命周期最大化模型與求解[J].傳感器與微系統,2009,28(02):110-115. YUAN Hui-yong, PENG Dong-hai, WANG Zhi-he,et al.MaximizingLife Time Model of Circular Sensor Networks and Its Solution[J]. Transducer and Microsystem Technologies,2009,28(02):110-115.

術語百科Technical Terms

網絡生態系統

網絡生態系統(Cyber Ecosystem)最早于2002年美國IEEE會議錄中“就整體網絡生態系統保障而言，解決生存能力是比解決安全性更重要的一種途經”一文中提出。2011年3月，美國國土安全部在《在網絡空間實現分布式安全——用自動化的集體行動建立健康有彈性的網絡生態系統》研究報告中，明確提出網絡生態系統概念。同年11月，又發布《國土安全體系網絡安全戰略》，強調要“為未來建立一個更安全的網絡生態系統”。網絡生態系統是一個全球性的體系，包括政府和私營部門的信息基礎設施，眾多相互聯系的人員、流程、信息和通信技術，以及影響網絡安全的各種條件。隨著網絡生態系統概念的不斷清晰和成熟，建設網絡生態系統亦成為了美國網絡空間安全發展的重點領域。

未來的網絡生態系統中，網絡實體(主要指網絡設備、程序)能夠近實時地進行自我防御和協作，及時預測和阻止攻擊，限制攻擊擴散和攻擊后果，用自動化的集體行動建設一個健康、有活力的網絡空間生態系統。構建未來網絡生態系統，需要為各參與方(特別是網絡設備)發展自動化、互操作和身份認證等三種相互依存的關鍵能力。網絡生態系統中的“健康”網絡實體應具有內置的安全功能，主要包括感知意識、用戶意識、智能性、自主反應、動態性、復原性、協作性、可信性等關鍵屬性。

Node Deployment of Sensor Networks in Excavation Monitoring System

SUN Mao-heng1，DENG Yu-jie2

(College of Electronic and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

It is necessary to deploy sensor nodes in every monitoring point of excavation monitoring system, and monitoring points of the system are established around the excavation pit, with its monitoring area as a circular ring. In the collecting process of monitoring data in base-station,nodes in the region closer to the base-station are required to forward more data, thus energy consumption rate of these nodes would be much faster. When sensor nodes near the base-station consumes the energy up, the system would immediately become paralyzed. By studying the characteristics of circular sensor network topology, the density formula of nodes is derived, thus balancing the ratio of total energy to consumption rate in each region. Theoretical analysis and simulation result indicate that the life-circle of system can be significantly increased by deploying sensor nodes in accordance with this formula.

excavation monitoring; sensor network; node density

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.05.018

2014-11-16；

2015-03-09 Received date:2014-11-16；Revised date：2015-03-09

TP393

A

1002-0802(2015)05-0598-04

孫懋珩(1957—)，男，博士，副教授，主要研究方向為數字圖像處理、嵌入式、傳感網；

鄧玉杰(1990—)，男，碩士，主要研究方向為傳感網。