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(wǎng)絡監(jiān)測周期動態(tài)調(diào)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(jiān)測的需求，設計一個基于CC2530的滑坡監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡。首先根據(jù)滑坡穩(wěn)定特征提出一種監(jiān)測網(wǎng)絡的觀測策略，然后介紹監(jiān)測系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和各部分的軟件設計，最后在三峽野貓面滑坡部署了監(jiān)測網(wǎng)絡。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)不僅能對滑坡進行長時間的穩(wěn)定監(jiān)測，而且能夠根據(jù)需要調(diào)整傳感器網(wǎng)絡單個傳感器節(jié)點的觀測周期，可為滑坡研究提供必須的、冗余量不大的數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞滑坡監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡周期調(diào)整CC2530

0引言

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

為了更有效地發(fā)現(xiàn)和預防滑坡災害，對滑坡進行監(jiān)測越來越受到國家和人民的重視，常用的滑坡監(jiān)測方法[1]主要有儀表監(jiān)測法、宏觀地質(zhì)監(jiān)測法、自動遙測法、設站觀測法、大地精密測量法和簡易監(jiān)測法等。這些傳統(tǒng)的滑坡監(jiān)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(xù)實時的監(jiān)測。

隨著傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)的不斷進步，滑坡監(jiān)測技術(shù)也日趨自動化、實時及精準化，進而產(chǎn)生了各種高科技的監(jiān)測新手段。針對滑坡監(jiān)測，無線傳感器網(wǎng)絡以其價格低廉、無需布線、遠程傳輸?shù)忍攸c得到越來越多的應用[2-5]。將Zigbee技術(shù)和GPRS技術(shù)結(jié)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(tài)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(wǎng)、無需布線等特點能很好地適應野外環(huán)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(tǒng)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(tài)較為穩(wěn)定，對滑坡體的環(huán)境數(shù)據(jù)采集頻率無需要太大，在雨季遇到長時間的連續(xù)降雨，一方面發(fā)生滑坡的危險性會增加，需要加強觀測，此時傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡的能源消耗加快，而此時太陽能供電系統(tǒng)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(tǒng)反而難以有效長時間工作。

(2) 傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡的觀測周期單一，不能滿足不同的監(jiān)測需求。

因此，動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡不僅要實現(xiàn)根據(jù)情況靈活調(diào)整網(wǎng)絡不同時期的觀測強度，而且要實現(xiàn)監(jiān)測網(wǎng)絡和監(jiān)控服務器之間的雙向通信，通過服務器發(fā)送控制命令，調(diào)整傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)測周期。

針對以上問題，本文采用了基于CC2530的無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)和GPRS技術(shù)，引入時鐘模塊設計了滑坡監(jiān)測系統(tǒng)，并根據(jù)滑坡的穩(wěn)定性與降雨、地震等誘發(fā)因素的關(guān)系設計了網(wǎng)絡的控制策略。最后通過在位于三峽秭歸的野貓面滑坡區(qū)布置了監(jiān)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(wǎng)絡的實現(xiàn)可為滑坡研究提供必要的、冗余量小的數(shù)據(jù)。

1滑坡監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡周期調(diào)整策略

1.1滑坡穩(wěn)定性與降雨的關(guān)系

滑坡的發(fā)生不僅與本身的地質(zhì)條件有關(guān)，外部的觸發(fā)因素在很大程度上決定了滑坡發(fā)生的時間，在諸多外部因素中大量的降雨或暴雨是觸發(fā)滑坡最主要的因素之一。降雨對滑坡的影響還體現(xiàn)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(fā)生軟化、泥化作用，削弱坡體的抗剪強度，并在坡體內(nèi)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(fā)現(xiàn)大多數(shù)滑坡發(fā)生在降雨過程的中后期或滯后幾天[7]。降雨結(jié)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(jié)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(qū)位于地震帶附近，雖然地震發(fā)生的偶然性較大，發(fā)生頻率較低，但當滑坡附近發(fā)生地震時應立刻加強觀測。

綜上本文規(guī)定了三個不同的觀測強度，在高觀測強度下，各個采集節(jié)點的采集頻率較快以盡可能實時捕捉到滑坡體狀態(tài)的變化；在低觀測強度下，各個采集節(jié)點的采集頻率較慢，在保證一定數(shù)據(jù)量的情況下節(jié)約能量，盡可能保證監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(jié)點的采集頻率調(diào)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(jié)點的采集頻率調(diào)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(wǎng)絡間的雙向通信

監(jiān)測網(wǎng)絡的各個傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點采用基于Zigbee協(xié)議的CC2530模塊并搭載相應的傳感器以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸。

傳感器節(jié)點通過CC2530模塊上的I/O口驅(qū)動傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，然后通過無線收發(fā)器將數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)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(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)量較多時由于存在競爭時隙時的幀碰撞會導致數(shù)據(jù)傳輸失敗，特別是對于要改變網(wǎng)絡觀測周期的重要的命令數(shù)據(jù)，必須盡可能降低其丟失概率[8]。為了實現(xiàn)對傳感器節(jié)點的采集周期的調(diào)整，通過時鐘模塊來保證在指定的一個時隙內(nèi)各個節(jié)點處于激活狀態(tài)并且所有傳感器節(jié)點處于偵聽狀態(tài)而協(xié)調(diào)器則在此期間發(fā)送調(diào)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(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸時延在1秒鐘以內(nèi)，規(guī)定在每一個小時中有一分鐘的時間段內(nèi)進行傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)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(nèi)，稱之為命令交互時段T0。為了保證在T0時傳感器節(jié)點已經(jīng)處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，每個T0時隙之前的一分鐘稱為T2，在T2時隙內(nèi)傳感器節(jié)點停止采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，其他時間段稱之為采集數(shù)據(jù)交互時段，稱之為T1。在每個T0時間段內(nèi)，服務器可以根據(jù)需求將命令發(fā)送給遠端監(jiān)測網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器。傳感器節(jié)點停止數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，將無線收發(fā)器調(diào)整到接收狀態(tài)，等待接收協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的命令；協(xié)調(diào)器則停止接收數(shù)據(jù)，將無線收發(fā)器調(diào)整到發(fā)送狀態(tài)，檢測到服務器發(fā)送過來的命令后，將此命令廣播發(fā)送給各個傳感器節(jié)點。在每個T1時間段內(nèi)，傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到來自傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)后，通過gprs將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器。

2監(jiān)測周期動態(tài)可調(diào)傳感器網(wǎng)絡的設計

系統(tǒng)設計框圖如圖1所示，整個系統(tǒng)由Zigbee網(wǎng)絡、GPRS和監(jiān)控服務器組成。

圖1　滑坡監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

Zigbee網(wǎng)絡由一個協(xié)調(diào)器和多傳感器節(jié)點組成，每個傳感器節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過GPRS接入網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控端的服務器。

服務器承擔數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理功能，將數(shù)據(jù)處理結(jié)果結(jié)合地震、人工活動等外部事件來決定遠端監(jiān)測網(wǎng)絡的觀測周期。本文設計的傳感器網(wǎng)絡采用了太陽能供電，所以能實現(xiàn)長期運行。

2.1傳感器節(jié)點

傳感器節(jié)點的組成模塊主要有：無線收發(fā)模塊CC2530、傳感器模塊、時鐘模塊。CC2530驅(qū)動傳感器進行數(shù)據(jù)采集和通過時鐘模塊得到當前時間，并通過射頻收發(fā)機和協(xié)調(diào)器之間進行數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

傳感器節(jié)點由CC2530通過搭載傳感器進行環(huán)境數(shù)據(jù)采集，并和協(xié)調(diào)器之間進行數(shù)據(jù)交互。傳感器節(jié)點每次采集數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)；若處于指定的命令發(fā)送期間，則停止采集數(shù)據(jù)，將狀態(tài)調(diào)整到接受狀態(tài)。

傳感器節(jié)點流程如圖2所示。

圖2　傳感器節(jié)點流程圖

2.2協(xié)調(diào)器節(jié)點

協(xié)調(diào)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(nèi)接收來自服務器的命令并將命令廣播給各個傳感器節(jié)點，命令里包含了每個傳感器節(jié)點的采集周期。2)在命令傳輸之外的時間，協(xié)調(diào)器接收來自傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過GPRS傳輸給服務器。

具體流程：協(xié)調(diào)器啟動并建立網(wǎng)絡，通過輪詢時間模塊獲取當前時間來決定是發(fā)送命令還是接收數(shù)據(jù)，如果當前時刻處于非命令接收期，則保持接收狀態(tài)，接收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)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(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)停止接收數(shù)據(jù)，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(jié)點，直到命令時刻過后再調(diào)整到數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)。協(xié)調(diào)器流程圖如圖3所示。

以上設計能保證監(jiān)控中心在每一個小時內(nèi)能調(diào)整一次傳感器網(wǎng)絡的觀測周期。

2.3命令幀設計

服務器根據(jù)觀測數(shù)據(jù)的處理結(jié)果做出決策，將周期調(diào)整命令經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器調(diào)整傳感器網(wǎng)絡的觀測周期。IEEE 802.15.4標準中定義了數(shù)據(jù)幀用來傳輸上層發(fā)到MAC層的數(shù)據(jù)，幀長度不超過127個字節(jié)[9]。采用星形網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)組網(wǎng)方式，節(jié)點過多時，會增加由于幀碰撞導致的數(shù)據(jù)丟失，因此實際應用的網(wǎng)絡規(guī)模不會太大[10]。協(xié)調(diào)器以廣播的方式發(fā)送來自服務器的命令給各個傳感器節(jié)點，命令數(shù)據(jù)應包含了每一個傳感器節(jié)點所對應的命令信息。

表1　命令幀結(jié)構(gòu)表

命令幀結(jié)構(gòu)如表1所示。命令幀長度為122個字節(jié)，其中第一個字節(jié)為前導碼，表明此數(shù)據(jù)為命令數(shù)據(jù)，緊接其后第2、3、……、120個字節(jié)的數(shù)據(jù)分別為0號節(jié)點、1號節(jié)點、……、120號節(jié)點對應的命令，該一字節(jié)的命令數(shù)據(jù)規(guī)定了對應傳感器節(jié)點在采集數(shù)據(jù)時執(zhí)行的采集周期。

3系統(tǒng)實現(xiàn)和測試

本文在三峽庫區(qū)的典型滑坡野貓面滑坡[11]部署了一個無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡。野貓面滑坡是長江三峽水利樞紐庫區(qū)距三峽大壩最近的一個特大型滑坡體，位于秭歸縣境內(nèi)的長江北岸，距三峽工程壩址17 km。根據(jù)歷史觀測數(shù)據(jù)，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(wǎng)絡是一個主要由10個傳感器節(jié)點和一個協(xié)調(diào)器節(jié)點組成的星形網(wǎng)絡。

3.1實時數(shù)據(jù)傳輸實例

服務器接收到傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡發(fā)送回來的采集數(shù)據(jù)后，將這些數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫并進行網(wǎng)頁發(fā)布。10個傳感器節(jié)點的節(jié)點號分別為1、3、11、12、13、17、18、19、20、34，監(jiān)測網(wǎng)絡傳回服務器的數(shù)據(jù)在網(wǎng)頁上的顯示如圖4所示。

圖4　三峽野貓面滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)展示圖

3.2觀測周期可調(diào)實例

根據(jù)觀測情況，當前滑坡所在地區(qū)天氣狀況較好，滑坡體狀態(tài)比較穩(wěn)定，則可以拉長傳感器的采集周期，減少傳感器節(jié)點的采集次數(shù)以節(jié)約能量。可以通過服務器在前文所述的指定時隙內(nèi)發(fā)布命令數(shù)據(jù)給觀測網(wǎng)絡來實現(xiàn)。以11和12號節(jié)點為例。表2和表3是節(jié)點11和節(jié)點12發(fā)送給服務器的部分數(shù)據(jù)。

表2　調(diào)整周期前節(jié)點11和1節(jié)點2的采集數(shù)據(jù)

表3　調(diào)整周期后節(jié)點11和節(jié)點12的采集數(shù)據(jù)

如表2和表3所示，調(diào)整周期前節(jié)點11和節(jié)點12的采集周期為3分鐘左右，通過服務器發(fā)布調(diào)整周期的命令后，兩節(jié)點的采集周期為6分鐘左右，符合預期。

4結(jié)語

本文設計實現(xiàn)的滑坡監(jiān)測系統(tǒng)，通過在三峽野貓面布置了觀測點后進行了數(shù)據(jù)傳輸測試和觀測周期調(diào)整測試，經(jīng)過連續(xù)一個月的觀測，實際結(jié)果表明該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r采集到土壤濕度、坡體傾斜角度和降雨量等各種環(huán)境數(shù)據(jù)，而且根據(jù)需要，能夠遠程改變各個傳感器的采集周期。該系統(tǒng)不僅具有低功耗、低成本、傳輸穩(wěn)定、可靠性高等特點，而且增加了觀測網(wǎng)絡配置的可控性。隨著滑坡監(jiān)測領(lǐng)域向著空天地一體化、多領(lǐng)域交叉、智能化方向的發(fā)展，本文設計的系統(tǒng)能為滑坡監(jiān)測提供更好的數(shù)據(jù)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(chǔ)研究發(fā)展項目(2011CB707102)。曾錠陽，碩士生，主研領(lǐng)域：無線傳感器網(wǎng)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