面向滑坡的無線傳感器網絡監測周期動態調整方法

曾錠陽　卜方玲　張文超　聶　冰

(武漢大學電子信息學院　湖北 武漢 430000)

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面向滑坡的無線傳感器網絡監測周期動態調整方法

曾錠陽卜方玲張文超聶冰

(武漢大學電子信息學院湖北 武漢 430000)

摘要針對滑坡監測的需求，設計一個基于CC2530的滑坡監測無線傳感器網絡。首先根據滑坡穩定特征提出一種監測網絡的觀測策略，然后介紹監測系統的組成結構和各部分的軟件設計，最后在三峽野貓面滑坡部署了監測網絡。實驗結果表明該系統不僅能對滑坡進行長時間的穩定監測，而且能夠根據需要調整傳感器網絡單個傳感器節點的觀測周期，可為滑坡研究提供必須的、冗余量不大的數據。

關鍵詞滑坡監測無線傳感器網絡周期調整CC2530

0引言

我國是一個受地質災害影響嚴重的國家，地質災害發生的規模、數量和分布范圍都比較大，給人民群眾的生命財產安全帶來了巨大的威脅，而滑坡是我國最常見和最多發的地質災害之一。

為了更有效地發現和預防滑坡災害，對滑坡進行監測越來越受到國家和人民的重視，常用的滑坡監測方法[1]主要有儀表監測法、宏觀地質監測法、自動遙測法、設站觀測法、大地精密測量法和簡易監測法等。這些傳統的滑坡監測方法往往需要耗費大量的人力物力且難以進行長時間連續實時的監測。

隨著傳感技術、無線通信技術的不斷進步，滑坡監測技術也日趨自動化、實時及精準化，進而產生了各種高科技的監測新手段。針對滑坡監測，無線傳感器網絡以其價格低廉、無需布線、遠程傳輸等特點得到越來越多的應用[2-5]。將Zigbee技術和GPRS技術結合起來并采用太陽能供電的方案具有很好的應用前景。首先，位移、降雨量、土壤濕度作為判斷滑坡體狀態的重要信息可以通過位移傳感器、雨量計、土壤濕度傳感器進行精確測量。其次Zigbee以其價格低廉、覆蓋范圍廣、自組網、無需布線等特點能很好地適應野外環境。最后GPRS覆蓋范圍廣、可靠性和實時性高。采用太陽能供電能很好地滿足系統長期運行的需要。但仍存在一些問題需要解決：

(1) 在天氣狀況良好時，坡體狀態較為穩定，對滑坡體的環境數據采集頻率無需要太大，在雨季遇到長時間的連續降雨，一方面發生滑坡的危險性會增加，需要加強觀測，此時傳感器監測網絡的能源消耗加快，而此時太陽能供電系統由于陰雨天氣而無法補充能源，因此容易導致在需要加強觀測的時期系統反而難以有效長時間工作。

(2) 傳感器監測網絡的觀測周期單一，不能滿足不同的監測需求。

因此，動態監測網絡不僅要實現根據情況靈活調整網絡不同時期的觀測強度，而且要實現監測網絡和監控服務器之間的雙向通信，通過服務器發送控制命令，調整傳感器網絡的監測周期。

針對以上問題，本文采用了基于CC2530的無線傳感器網絡技術和GPRS技術，引入時鐘模塊設計了滑坡監測系統，并根據滑坡的穩定性與降雨、地震等誘發因素的關系設計了網絡的控制策略。最后通過在位于三峽秭歸的野貓面滑坡區布置了監測點進行一段時間的觀測實驗，驗證了本文提出的方法是可行的，該傳感器網絡的實現可為滑坡研究提供必要的、冗余量小的數據。

1滑坡監測傳感器網絡周期調整策略

1.1滑坡穩定性與降雨的關系

滑坡的發生不僅與本身的地質條件有關，外部的觸發因素在很大程度上決定了滑坡發生的時間，在諸多外部因素中大量的降雨或暴雨是觸發滑坡最主要的因素之一。降雨對滑坡的影響還體現在降雨入滲[6]，降雨入滲會抬高地下水位，使滑動帶巖土體飽水后發生軟化、泥化作用，削弱坡體的抗剪強度，并在坡體內形成較大的孔隙水壓力，削弱滑動面上的有效正應力，導致抗滑力減小，從而加速滑坡變形破壞。對于降雨型滑坡，研究發現大多數滑坡發生在降雨過程的中后期或滯后幾天[7]。降雨結束后降雨入滲的影響仍在，所以會有滯后作用。日降雨量小于50毫米時對滑坡影響較弱，日降雨量位于50毫米與100毫米之間時對滑坡影響中等，日降雨量大于100毫米時對滑坡影響很大。因此，在暴雨期間和暴雨結束之后的幾天應加強觀測。

1.2觀測強度設計

利用雨量計可以檢測降雨強度，利用土壤水分數據則可以一定程度上表征降雨入滲對滑坡的影響作用仍然存在，也可以覆蓋到降雨對滑坡影響的滯后作用。由于雨量計采集到的是累積降雨量，而時鐘模塊可以為數據提供時間標簽，因而可以通過降雨強度來替換幾個日降雨量的閾值，2毫米/小時，4毫米/小時。當土壤水分大于60%時，認為降雨入滲對滑坡仍有影響。三位羅盤的變化能直接體現滑坡體的實時位移變化，因此當三維羅盤稍有變化時就應該加強觀測。

三峽地區位于地震帶附近，雖然地震發生的偶然性較大，發生頻率較低，但當滑坡附近發生地震時應立刻加強觀測。

綜上本文規定了三個不同的觀測強度，在高觀測強度下，各個采集節點的采集頻率較快以盡可能實時捕捉到滑坡體狀態的變化；在低觀測強度下，各個采集節點的采集頻率較慢，在保證一定數據量的情況下節約能量，盡可能保證監測系統在降雨期能長時間運行。如下：

一級：地震、人工活動、三維羅盤采集到的數據變化幅度大于其精度的兩倍、降雨強度大于4毫米/小時。此時各個采集節點的采集頻率調整到1分鐘一次。

二級：降雨強度大于2毫米/小時且小于4毫米/小時、土壤含水量大于60%。此時各個采集節點的采集頻率調整到5分鐘一次。

三級：降雨量小于2毫米/小時且土壤含水量小于60%。

1.3服務器與傳感器網絡間的雙向通信

監測網絡的各個傳感器節點和協調器節點采用基于Zigbee協議的CC2530模塊并搭載相應的傳感器以實現數據采集和傳輸。

傳感器節點通過CC2530模塊上的I/O口驅動傳感器實現數據的采集，然后通過無線收發器將數據傳輸給協調器。主要用到的傳感器有土壤濕度傳感器、雨量計、三維羅盤。

當星型網絡的節點數量較多時由于存在競爭時隙時的幀碰撞會導致數據傳輸失敗，特別是對于要改變網絡觀測周期的重要的命令數據，必須盡可能降低其丟失概率[8]。為了實現對傳感器節點的采集周期的調整，通過時鐘模塊來保證在指定的一個時隙內各個節點處于激活狀態并且所有傳感器節點處于偵聽狀態而協調器則在此期間發送調整周期的命令。DS1302時鐘模塊通過串行接口與CC2530通信，可提供秒、分、時、周、月、年信息，工作時功耗很低，小于1毫瓦。

由于Zigbee節點之間的數據傳輸時延在1秒鐘以內，規定在每一個小時中有一分鐘的時間段內進行傳感器節點和協調器之間進行命令交互，此時間段擬設定在每個整點時刻最開始的第一分鐘內，稱之為命令交互時段T0。為了保證在T0時傳感器節點已經處于數據接收狀態，每個T0時隙之前的一分鐘稱為T2，在T2時隙內傳感器節點停止采集和發送數據，其他時間段稱之為采集數據交互時段，稱之為T1。在每個T0時間段內，服務器可以根據需求將命令發送給遠端監測網絡的協調器。傳感器節點停止數據的采集和發送，將無線收發器調整到接收狀態，等待接收協調器發送過來的命令；協調器則停止接收數據，將無線收發器調整到發送狀態，檢測到服務器發送過來的命令后，將此命令廣播發送給各個傳感器節點。在每個T1時間段內，傳感器節點采集數據并發送給協調器，協調器收到來自傳感器節點的數據后，通過gprs將數據發送到服務器。

2監測周期動態可調傳感器網絡的設計

系統設計框圖如圖1所示，整個系統由Zigbee網絡、GPRS和監控服務器組成。

圖1　滑坡監測系統總體結構圖

Zigbee網絡由一個協調器和多傳感器節點組成，每個傳感器節點將采集到的數據發送到協調器，協調器通過GPRS接入網絡將數據發送到監控端的服務器。

服務器承擔數據存儲和數據處理功能，將數據處理結果結合地震、人工活動等外部事件來決定遠端監測網絡的觀測周期。本文設計的傳感器網絡采用了太陽能供電，所以能實現長期運行。

2.1傳感器節點

傳感器節點的組成模塊主要有：無線收發模塊CC2530、傳感器模塊、時鐘模塊。CC2530驅動傳感器進行數據采集和通過時鐘模塊得到當前時間，并通過射頻收發機和協調器之間進行數據的雙向傳輸。

傳感器節點由CC2530通過搭載傳感器進行環境數據采集，并和協調器之間進行數據交互。傳感器節點每次采集數據之前都要通過時間模塊獲取當前時刻，如果不是出于指定的那一分鐘命令接收期，則按照指定周期采集數據發送數據；若處于指定的命令發送期間，則停止采集數據，將狀態調整到接受狀態。

傳感器節點流程如圖2所示。

圖2　傳感器節點流程圖

2.2協調器節點

協調器主要由CC2530、時鐘模塊和GPRS模塊組成，主要負責：1)在指定時間內接收來自服務器的命令并將命令廣播給各個傳感器節點，命令里包含了每個傳感器節點的采集周期。2)在命令傳輸之外的時間，協調器接收來自傳感器節點的數據，并將數據通過GPRS傳輸給服務器。

具體流程：協調器啟動并建立網絡，通過輪詢時間模塊獲取當前時間來決定是發送命令還是接收數據，如果當前時刻處于非命令接收期，則保持接收狀態，接收到數據后將數據通過GPRS發送給服務器然直到命令交互時期到來；如果當前時刻處于命令接收期，則協調器轉停止接收數據，等待來自服務器的命令，收到命令后將命令廣播給各個傳感器節點，直到命令時刻過后再調整到數據收發狀態。協調器流程圖如圖3所示。

以上設計能保證監控中心在每一個小時內能調整一次傳感器網絡的觀測周期。

2.3命令幀設計

服務器根據觀測數據的處理結果做出決策，將周期調整命令經互聯網傳輸到協調器調整傳感器網絡的觀測周期。IEEE 802.15.4標準中定義了數據幀用來傳輸上層發到MAC層的數據，幀長度不超過127個字節[9]。采用星形網絡結構組網方式，節點過多時，會增加由于幀碰撞導致的數據丟失，因此實際應用的網絡規模不會太大[10]。協調器以廣播的方式發送來自服務器的命令給各個傳感器節點，命令數據應包含了每一個傳感器節點所對應的命令信息。

表1　命令幀結構表

命令幀結構如表1所示。命令幀長度為122個字節，其中第一個字節為前導碼，表明此數據為命令數據，緊接其后第2、3、……、120個字節的數據分別為0號節點、1號節點、……、120號節點對應的命令，該一字節的命令數據規定了對應傳感器節點在采集數據時執行的采集周期。

3系統實現和測試

本文在三峽庫區的典型滑坡野貓面滑坡[11]部署了一個無線傳感器監測網絡。野貓面滑坡是長江三峽水利樞紐庫區距三峽大壩最近的一個特大型滑坡體，位于秭歸縣境內的長江北岸，距三峽工程壩址17 km。根據歷史觀測數據，影響該滑坡的主要因素有降雨量、土壤含水量以及滑坡體的傾斜角度[12]。實地部署實施的無線傳感器網絡是一個主要由10個傳感器節點和一個協調器節點組成的星形網絡。

3.1實時數據傳輸實例

服務器接收到傳感器監測網絡發送回來的采集數據后，將這些數據存儲到數據庫并進行網頁發布。10個傳感器節點的節點號分別為1、3、11、12、13、17、18、19、20、34，監測網絡傳回服務器的數據在網頁上的顯示如圖4所示。

圖4　三峽野貓面滑坡監測數據展示圖

3.2觀測周期可調實例

根據觀測情況，當前滑坡所在地區天氣狀況較好，滑坡體狀態比較穩定，則可以拉長傳感器的采集周期，減少傳感器節點的采集次數以節約能量。可以通過服務器在前文所述的指定時隙內發布命令數據給觀測網絡來實現。以11和12號節點為例。表2和表3是節點11和節點12發送給服務器的部分數據。

表2　調整周期前節點11和1節點2的采集數據

表3　調整周期后節點11和節點12的采集數據

如表2和表3所示，調整周期前節點11和節點12的采集周期為3分鐘左右，通過服務器發布調整周期的命令后，兩節點的采集周期為6分鐘左右，符合預期。

4結語

本文設計實現的滑坡監測系統，通過在三峽野貓面布置了觀測點后進行了數據傳輸測試和觀測周期調整測試，經過連續一個月的觀測，實際結果表明該系統不僅能夠實時采集到土壤濕度、坡體傾斜角度和降雨量等各種環境數據，而且根據需要，能夠遠程改變各個傳感器的采集周期。該系統不僅具有低功耗、低成本、傳輸穩定、可靠性高等特點，而且增加了觀測網絡配置的可控性。隨著滑坡監測領域向著空天地一體化、多領域交叉、智能化方向的發展，本文設計的系統能為滑坡監測提供更好的數據支撐，滿足更復雜的觀測需求。

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收稿日期：2015-04-03。國家重點基礎研究發展項目(2011CB707102)。曾錠陽，碩士生，主研領域：無線傳感器網絡。卜方玲，副教授。張文超，碩士生。聶冰，碩士生。

中圖分類號TP212.6

文獻標識碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.07.034

LANDSLIDE-ORIENTED DYNAMIC ADJUSTMENT METHOD FOR MONITORING PERIOD OF WIRELESS SENSOR NETWORKS

Zeng DingyangBu FanglingZhang WenchaoNie Bing

(SchoolofElectronicInformation,WuhanUniversity,Wuhan430000,Hubei,China)

AbstractThe authors designed a CC2530-based landslide monitoring wireless sensor network aimed at the requirement of landslide monitoring.First we propose an observation policy of monitoring network according to the stable characteristic of landslide,then we introduce the composition structure of the monitoring system and software designs of each component.Finally we introduce the deployment of monitoring network for landslide at Yemaomian of Yangtze Three Gorges.Experimental results show that the system can not only keep stable monitoring on landslide for a long time,but can also resize the observation period of single sensor node of sensor network as needed,this can provide necessary and less redundant data to landslide research.

KeywordsLandslide monitoringWireless sensor networkPeriod adjustmentCC2530