面向滑坡的无线传感器网络监测周期动态调整方法

曾锭阳　卜方玲　张文超　聂　冰

(武汉大学电子信息学院　湖北 武汉 430000)



面向滑坡的无线传感器网络监测周期动态调整方法

曾锭阳卜方玲张文超聂冰

(武汉大学电子信息学院湖北 武汉 430000)

摘要针对滑坡监测的需求，设计一个基于CC2530的滑坡监测无线传感器网络。首先根据滑坡稳定特征提出一种监测网络的观测策略，然后介绍监测系统的组成结构和各部分的软件设计，最后在三峡野猫面滑坡部署了监测网络。实验结果表明该系统不仅能对滑坡进行长时间的稳定监测，而且能够根据需要调整传感器网络单个传感器节点的观测周期，可为滑坡研究提供必须的、冗余量不大的数据。

关键词滑坡监测无线传感器网络周期调整CC2530

0引言

我国是一个受地质灾害影响严重的国家，地质灾害发生的规模、数量和分布范围都比较大，给人民群众的生命财产安全带来了巨大的威胁，而滑坡是我国最常见和最多发的地质灾害之一。

为了更有效地发现和预防滑坡灾害，对滑坡进行监测越来越受到国家和人民的重视，常用的滑坡监测方法[1]主要有仪表监测法、宏观地质监测法、自动遥测法、设站观测法、大地精密测量法和简易监测法等。这些传统的滑坡监测方法往往需要耗费大量的人力物力且难以进行长时间连续实时的监测。

随着传感技术、无线通信技术的不断进步，滑坡监测技术也日趋自动化、实时及精准化，进而产生了各种高科技的监测新手段。针对滑坡监测，无线传感器网络以其价格低廉、无需布线、远程传输等特点得到越来越多的应用[2-5]。将Zigbee技术和GPRS技术结合起来并采用太阳能供电的方案具有很好的应用前景。首先，位移、降雨量、土壤湿度作为判断滑坡体状态的重要信息可以通过位移传感器、雨量计、土壤湿度传感器进行精确测量。其次Zigbee以其价格低廉、覆盖范围广、自组网、无需布线等特点能很好地适应野外环境。最后GPRS覆盖范围广、可靠性和实时性高。采用太阳能供电能很好地满足系统长期运行的需要。但仍存在一些问题需要解决：

(1) 在天气状况良好时，坡体状态较为稳定，对滑坡体的环境数据采集频率无需要太大，在雨季遇到长时间的连续降雨，一方面发生滑坡的危险性会增加，需要加强观测，此时传感器监测网络的能源消耗加快，而此时太阳能供电系统由于阴雨天气而无法补充能源，因此容易导致在需要加强观测的时期系统反而难以有效长时间工作。

(2) 传感器监测网络的观测周期单一，不能满足不同的监测需求。

因此，动态监测网络不仅要实现根据情况灵活调整网络不同时期的观测强度，而且要实现监测网络和监控服务器之间的双向通信，通过服务器发送控制命令，调整传感器网络的监测周期。

针对以上问题，本文采用了基于CC2530的无线传感器网络技术和GPRS技术，引入时钟模块设计了滑坡监测系统，并根据滑坡的稳定性与降雨、地震等诱发因素的关系设计了网络的控制策略。最后通过在位于三峡秭归的野猫面滑坡区布置了监测点进行一段时间的观测实验，验证了本文提出的方法是可行的，该传感器网络的实现可为滑坡研究提供必要的、冗余量小的数据。

1滑坡监测传感器网络周期调整策略

1.1滑坡稳定性与降雨的关系

滑坡的发生不仅与本身的地质条件有关，外部的触发因素在很大程度上决定了滑坡发生的时间，在诸多外部因素中大量的降雨或暴雨是触发滑坡最主要的因素之一。降雨对滑坡的影响还体现在降雨入渗[6]，降雨入渗会抬高地下水位，使滑动带岩土体饱水后发生软化、泥化作用，削弱坡体的抗剪强度，并在坡体内形成较大的孔隙水压力，削弱滑动面上的有效正应力，导致抗滑力减小，从而加速滑坡变形破坏。对于降雨型滑坡，研究发现大多数滑坡发生在降雨过程的中后期或滞后几天[7]。降雨结束后降雨入渗的影响仍在，所以会有滞后作用。日降雨量小于50毫米时对滑坡影响较弱，日降雨量位于50毫米与100毫米之间时对滑坡影响中等，日降雨量大于100毫米时对滑坡影响很大。因此，在暴雨期间和暴雨结束之后的几天应加强观测。

1.2观测强度设计

利用雨量计可以检测降雨强度，利用土壤水分数据则可以一定程度上表征降雨入渗对滑坡的影响作用仍然存在，也可以覆盖到降雨对滑坡影响的滞后作用。由于雨量计采集到的是累积降雨量，而时钟模块可以为数据提供时间标签，因而可以通过降雨强度来替换几个日降雨量的阈值，2毫米/小时，4毫米/小时。当土壤水分大于60%时，认为降雨入渗对滑坡仍有影响。三位罗盘的变化能直接体现滑坡体的实时位移变化，因此当三维罗盘稍有变化时就应该加强观测。

三峡地区位于地震带附近，虽然地震发生的偶然性较大，发生频率较低，但当滑坡附近发生地震时应立刻加强观测。

综上本文规定了三个不同的观测强度，在高观测强度下，各个采集节点的采集频率较快以尽可能实时捕捉到滑坡体状态的变化；在低观测强度下，各个采集节点的采集频率较慢，在保证一定数据量的情况下节约能量，尽可能保证监测系统在降雨期能长时间运行。如下：

一级：地震、人工活动、三维罗盘采集到的数据变化幅度大于其精度的两倍、降雨强度大于4毫米/小时。此时各个采集节点的采集频率调整到1分钟一次。

二级：降雨强度大于2毫米/小时且小于4毫米/小时、土壤含水量大于60%。此时各个采集节点的采集频率调整到5分钟一次。

三级：降雨量小于2毫米/小时且土壤含水量小于60%。

1.3服务器与传感器网络间的双向通信

监测网络的各个传感器节点和协调器节点采用基于Zigbee协议的CC2530模块并搭载相应的传感器以实现数据采集和传输。

传感器节点通过CC2530模块上的I/O口驱动传感器实现数据的采集，然后通过无线收发器将数据传输给协调器。主要用到的传感器有土壤湿度传感器、雨量计、三维罗盘。

当星型网络的节点数量较多时由于存在竞争时隙时的帧碰撞会导致数据传输失败，特别是对于要改变网络观测周期的重要的命令数据，必须尽可能降低其丢失概率[8]。为了实现对传感器节点的采集周期的调整，通过时钟模块来保证在指定的一个时隙内各个节点处于激活状态并且所有传感器节点处于侦听状态而协调器则在此期间发送调整周期的命令。DS1302时钟模块通过串行接口与CC2530通信，可提供秒、分、时、周、月、年信息，工作时功耗很低，小于1毫瓦。

由于Zigbee节点之间的数据传输时延在1秒钟以内，规定在每一个小时中有一分钟的时间段内进行传感器节点和协调器之间进行命令交互，此时间段拟设定在每个整点时刻最开始的第一分钟内，称之为命令交互时段T0。为了保证在T0时传感器节点已经处于数据接收状态，每个T0时隙之前的一分钟称为T2，在T2时隙内传感器节点停止采集和发送数据，其他时间段称之为采集数据交互时段，称之为T1。在每个T0时间段内，服务器可以根据需求将命令发送给远端监测网络的协调器。传感器节点停止数据的采集和发送，将无线收发器调整到接收状态，等待接收协调器发送过来的命令；协调器则停止接收数据，将无线收发器调整到发送状态，检测到服务器发送过来的命令后，将此命令广播发送给各个传感器节点。在每个T1时间段内，传感器节点采集数据并发送给协调器，协调器收到来自传感器节点的数据后，通过gprs将数据发送到服务器。

2监测周期动态可调传感器网络的设计

系统设计框图如图1所示，整个系统由Zigbee网络、GPRS和监控服务器组成。

图1　滑坡监测系统总体结构图

Zigbee网络由一个协调器和多传感器节点组成，每个传感器节点将采集到的数据发送到协调器，协调器通过GPRS接入网络将数据发送到监控端的服务器。

服务器承担数据存储和数据处理功能，将数据处理结果结合地震、人工活动等外部事件来决定远端监测网络的观测周期。本文设计的传感器网络采用了太阳能供电，所以能实现长期运行。

2.1传感器节点

传感器节点的组成模块主要有：无线收发模块CC2530、传感器模块、时钟模块。CC2530驱动传感器进行数据采集和通过时钟模块得到当前时间，并通过射频收发机和协调器之间进行数据的双向传输。

传感器节点由CC2530通过搭载传感器进行环境数据采集，并和协调器之间进行数据交互。传感器节点每次采集数据之前都要通过时间模块获取当前时刻，如果不是出于指定的那一分钟命令接收期，则按照指定周期采集数据发送数据；若处于指定的命令发送期间，则停止采集数据，将状态调整到接受状态。

传感器节点流程如图2所示。

图2　传感器节点流程图

2.2协调器节点

协调器主要由CC2530、时钟模块和GPRS模块组成，主要负责：1)在指定时间内接收来自服务器的命令并将命令广播给各个传感器节点，命令里包含了每个传感器节点的采集周期。2)在命令传输之外的时间，协调器接收来自传感器节点的数据，并将数据通过GPRS传输给服务器。

具体流程：协调器启动并建立网络，通过轮询时间模块获取当前时间来决定是发送命令还是接收数据，如果当前时刻处于非命令接收期，则保持接收状态，接收到数据后将数据通过GPRS发送给服务器然直到命令交互时期到来；如果当前时刻处于命令接收期，则协调器转停止接收数据，等待来自服务器的命令，收到命令后将命令广播给各个传感器节点，直到命令时刻过后再调整到数据收发状态。协调器流程图如图3所示。

以上设计能保证监控中心在每一个小时内能调整一次传感器网络的观测周期。

2.3命令帧设计

服务器根据观测数据的处理结果做出决策，将周期调整命令经互联网传输到协调器调整传感器网络的观测周期。IEEE 802.15.4标准中定义了数据帧用来传输上层发到MAC层的数据，帧长度不超过127个字节[9]。采用星形网络结构组网方式，节点过多时，会增加由于帧碰撞导致的数据丢失，因此实际应用的网络规模不会太大[10]。协调器以广播的方式发送来自服务器的命令给各个传感器节点，命令数据应包含了每一个传感器节点所对应的命令信息。

表1　命令帧结构表

命令帧结构如表1所示。命令帧长度为122个字节，其中第一个字节为前导码，表明此数据为命令数据，紧接其后第2、3、……、120个字节的数据分别为0号节点、1号节点、……、120号节点对应的命令，该一字节的命令数据规定了对应传感器节点在采集数据时执行的采集周期。

3系统实现和测试

本文在三峡库区的典型滑坡野猫面滑坡[11]部署了一个无线传感器监测网络。野猫面滑坡是长江三峡水利枢纽库区距三峡大坝最近的一个特大型滑坡体，位于秭归县境内的长江北岸，距三峡工程坝址17 km。根据历史观测数据，影响该滑坡的主要因素有降雨量、土壤含水量以及滑坡体的倾斜角度[12]。实地部署实施的无线传感器网络是一个主要由10个传感器节点和一个协调器节点组成的星形网络。

3.1实时数据传输实例

服务器接收到传感器监测网络发送回来的采集数据后，将这些数据存储到数据库并进行网页发布。10个传感器节点的节点号分别为1、3、11、12、13、17、18、19、20、34，监测网络传回服务器的数据在网页上的显示如图4所示。

图4　三峡野猫面滑坡监测数据展示图

3.2观测周期可调实例

根据观测情况，当前滑坡所在地区天气状况较好，滑坡体状态比较稳定，则可以拉长传感器的采集周期，减少传感器节点的采集次数以节约能量。可以通过服务器在前文所述的指定时隙内发布命令数据给观测网络来实现。以11和12号节点为例。表2和表3是节点11和节点12发送给服务器的部分数据。

表2　调整周期前节点11和1节点2的采集数据

表3　调整周期后节点11和节点12的采集数据

如表2和表3所示，调整周期前节点11和节点12的采集周期为3分钟左右，通过服务器发布调整周期的命令后，两节点的采集周期为6分钟左右，符合预期。

4结语

本文设计实现的滑坡监测系统，通过在三峡野猫面布置了观测点后进行了数据传输测试和观测周期调整测试，经过连续一个月的观测，实际结果表明该系统不仅能够实时采集到土壤湿度、坡体倾斜角度和降雨量等各种环境数据，而且根据需要，能够远程改变各个传感器的采集周期。该系统不仅具有低功耗、低成本、传输稳定、可靠性高等特点，而且增加了观测网络配置的可控性。随着滑坡监测领域向着空天地一体化、多领域交叉、智能化方向的发展，本文设计的系统能为滑坡监测提供更好的数据支撑，满足更复杂的观测需求。

参考文献

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[7] 杨文东.降雨型滑坡特征及其稳定分析研究[D].湖北：武汉理工大学，2006.

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[11] 杨红,陈向阳,凡清，等.变形监测技术在野猫面滑坡中的应用与分析[J].测绘通报,2012(6):54-57.

[12] 徐峰.三峡库区忠县爬家岩滑坡诱发机理及其预测预报研究[D].湖北：中国地质大学(武汉)，2012.

收稿日期：2015-04-03。国家重点基础研究发展项目(2011CB707102)。曾锭阳，硕士生，主研领域：无线传感器网络。卜方玲，副教授。张文超，硕士生。聂冰，硕士生。

中图分类号TP212.6

文献标识码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