公路邊坡監測無線傳感器網絡分簇路由協議分析

蘇 坡， 馮興樂， 薛國偉

（長安大學 信息工程學院， 陜西 西安 710064）

近年來，隨著國民經濟持續快速平穩健康發展，我國的公路交通網也在日益完善。 而公路在建設和運營的過程中不可避免地會出現各種類型的邊坡。 邊坡穩定則交通通暢；而邊坡一旦失穩，輕則掩埋公路，中斷交通，重則危及生命和財產安全[1]。 因此，及早地對公路邊坡變形進行監測具有極為重要的社會意義和經濟價值。

針對公路沿線邊坡變形的監測，目前國內外現有的技術方法主要有GPS 衛星監測法[2]和光纖光纜監測法[3]。 其中，GPS 衛星監測法不受天氣影響，能實現全天候監測，但卻存在著山區衛星信號易被遮擋， 多徑效應較為嚴重等缺點，特別是當其與移動通信技術結合使用時，運營的成本就會特別高，這大大增加了公路邊坡監測的非經濟性。 光纖光纜監測法利用了近幾年剛剛發展成熟的光纖傳感技術，雖然對公路邊坡變形的監測精度有了大幅度的提高，但是公路邊坡復雜的環境導致其布線工程量大、線路維護困難且危險，從而嚴重影響了其全面普及和推廣。

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network， WSN）[4]技術是近幾年正探索性地被應用于公路邊坡監測的一種新興技術。 無線傳感器網絡集傳感器技術、無線通信技術、嵌入式計算技術和分布式信息處理技術于一體，它低成本、低功耗、網絡容量大、網絡節點布置容易的特點正好可以彌補上述兩種技術方法的不足。 基于此，筆者提出了一種基于無線傳感器網絡的公路邊坡監測系統方案。 本文在對該方案進行詳細地描述之后，重點分析了無線傳感器網絡中具有代表性的4 種分簇路由協議，并主要從節能性、擴展性和適用環境3 個方面比較歸納了4 種路由協議在公路邊坡監測應用中的優缺點。

1 公路邊坡監測系統方案

1.1 系統方案描述

本文提出了一種基于無線傳感器網絡的公路邊坡監測系統方案，其系統結構如圖1 所示。

本方案采用分簇路由協議，選用的傳感器包括位移傳感器、液位傳感器以及降雨量傳感器等。 每一個簇內的節點按照功能可以分為傳感器節點、路由節點和匯聚節點。 其中，傳感器節點負責采集監測區域公路邊坡的位移、地下水位以及降雨量等信息，路由節點主要是對傳感器節點采集到的數據信息進行轉發，作為簇首的匯聚節點擔任基站的作用，接收由傳感器節點直接或是經路由節點轉發間接發送過來的傳感器數據信息，之后采用GPRS 無線通信技術將數據發送至遠端監控中心，由監控中心最終完成對公路邊坡監測數據的實時接收和存儲。

圖1 基于無線傳感器網絡的公路邊坡監測系統結構圖Fig. 1 Structure diagram of highway slope monitoring system based on WSN

1.2 系統傳感器選擇

邊坡變形是引起公路滑坡阻塞交通的主要因素，因此公路邊坡監測的首要任務是是監測邊坡變形。 造成公路邊坡產生形變的因素包括自然因素 （如降雨導致地下水位上升等）和人為因素（如道路施工等）。 通常情況下，公路邊坡產生形變，公路山體都會在垂直和水平方向上發生位移，同時出現大量裂縫。 因此，公路邊坡變形監測應包括水平和垂直位移監測、地表裂縫監測、地下水位監測等內容。 基于公路邊坡監測的內容，在搭建公路邊坡監測系統時，一般選用的傳感器應包括位移傳感器、液位傳感器以及降雨量傳感器等。

1.3 系統優劣的決定因素—無線傳感器網絡路由協議

無線傳感器網絡中的節點一般都采用電池供電，而公路邊坡惡劣的監測環境增加了更換電池的成本和危險系數，因此，公路邊坡監測系統要將能耗問題放在首位。 而這就對系統中節點的布置和節點的數量提出了更高的要求。 如何最大限度地延長網絡的生命周期，提高系統采集和傳輸數據的實時性和高效性，這決定了系統要根據公路邊坡所處的實際環境選擇最佳的路由協議。 可以說，無線傳感器網絡路由協議選擇的好壞是決定公路邊坡監測系統優劣的關鍵因素。

1.4 公路邊坡監測的特點要求采用分簇路由協議

無線傳感器網絡的路由協議從網絡拓撲結構的角度可以分為平面路由協議和分簇路由協議[5]。 由于公路邊坡監測的環境比較復雜且監測區域面積一般都比較大，通常需要在監測區域布置大量的無線傳感器網絡節點，因而網絡的規模非常大，不能直接采用擴展性差的平面路由協議。 相反，分簇路由協議具有拓撲管理方便、能量利用率高和擴展性好的優點，能夠滿足大型無線傳感器網絡的需求，特別適合于公路邊坡監測的應用場合。

2 無線傳感器網絡分簇路由協議分析

2.1 LEACH 協議

LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）[6]協議是最早提出的一種自適應分簇路由協議，它采用隨機循環的方式選舉簇首。 每個節點在0 和1 之間產生一個隨機數，當這個隨機數小于當前循環計算出的閾值T（n）時，該節點即被選舉為簇首。 然后，簇首向整個網絡廣播自己成為簇首的消息， 網絡內的其他節點則根據接收信號的強度加入最近的簇。 簇內成員節點按照TDMA 時隙采集數據并發送至簇首，網絡中所有簇首將數據融合之后直接或經由Sink 節點間接發送到基站。 其中，閾值T（n）的計算公式為：

其中，p 為簇首節點占所有節點的百分比，即節點被選為簇首的概率；r 為當前循環次數；G 為當前輪循環中未被選為簇首的節點的集合；r mod表示當前循環中被選為簇首的節點的個數。

結合公路邊坡監測的實際環境，LEACH 協議可以實現對公路邊坡諸如普通變形、 位移等數據信息的采集和傳輸。但是，LEACH 協議卻存在如下缺點：1）每一次循環都要進行一次簇首的選舉，會造成整個公路邊坡監測系統網絡的開銷過大；2） 僅根據一個隨機數和計算的閾值就決定了簇首，會導致網絡中簇首和簇內節點的分布不均勻；3）簇首間負載不均衡，會出現簇首失效或是簇首被閑置，這就造成了系統資源的浪費；4）簇成員節點直接和簇首進行數據傳輸，加速了簇首的能量消耗，縮短了整個網絡的使用壽命；5）每個簇的規模有限，網絡的擴展性不強。

針對LEACH 協議的缺點，改進措施如下：1）每一次循環過后，將剩余能量多的節點作為候選簇首；2）對公路邊坡監測區域進行劃分以增加簇首和簇內節點分布的均勻性；3）設置一個參數增大與基站距離近的節點當選為簇首的概率，以縮短網絡中簇首傳輸數據的距離，從而延長整個網絡的生命周期。

2.2 EEUC 協議

EEUC（Energy-Efficient Uneven Clustering）[7]協議是一種依據剩余能量來選舉簇首的協議。 為解決距離基站近的節點因為不僅要傳輸簇內數據，同時要轉發其它簇首發送的數據而能量過早耗盡死亡的問題， 提出了一種不均勻分簇的方法，通過考慮節點與基站的距離，使得與基站距離近的簇的規模越小，從而可以均衡整個網絡的負載。 該協議的關鍵點是簇半徑的計算，其計算公式為：

式中，R0為候選簇首競爭半徑的最大值；c 在[0，1]之間，是簇半徑控制參數；dmax和dmin分別表示節點到Sink 距離的最大值和最小值；d 表示簇首i 到Sink 節點的距離。

與LEACH 協議相比，HEEC 協議簇首的選舉考慮了網絡的能量消耗不均衡的問題，改善了距離基站近的簇首的能量消耗，提高了網絡的生存時間，更加特別地適合用于公路邊坡監測。 然而，EEUC 協議在提高公路邊坡監測系統網絡性能的同時， 也產生了一些新的問題：1）簇的形成過程過于復雜， 從而造成系統代價較大；2）不同的簇具有不同的簇半徑會造成節點采集和傳輸數據的精度降低。

2.3 TEEN 協議

TEEN （Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol）[8]協議是對LEACH 協議的一種改進，協議中設置了軟、硬兩個閾值。 首先根據LEACH 協議隨機循環的方式選舉簇首，然后由簇首把軟、硬兩個閾值發送給簇內節點。 當簇內節點采集到的數據第一次超過硬閾值時，就把數據發送給簇首， 此后簇內節點采集到的數據必須超過硬閾值， 并且數據的變化大于軟閾值時才能再次發送采集到的新數據。這樣，TEEN 協議就在精度和系統能耗之間達到了一個合理的平衡。

在實際的公路邊坡監測系統中，TEEN 協議可以對邊坡監測區域如突降暴雨、 突變位移等突發事件快速做出響應，從而完成實時監測。 但是，TEEN 協議也存在如下缺點：1）如果系統中設定的閾值不能達到，節點將不會發送采集到的數據；2）一旦節點采集到的數據達到閾值要求，數據就會被節點立即發送，這容易造成信號間的干擾，且如果采用TDMA，將會造成數據延遲。

針對TEEN 協議的缺點，改進措施如下：1）硬閾值可以根據采集到的邊坡實際監測對象數據通過濾波的方式得到，從而提高硬閾值的準確度；2）系統中可以定義一個計數器，節點每發送一次數據，計數器就清零一次，一旦計數器的時間到達，無論當前的數據是否滿足軟、硬閾值的條件都將數據發送出去。

2.4 GEAR 協議

GEAR（Geographic and Energy Aware Routing）[9]協議是一種能量感知的基于地理位置的路由協議。 采用查詢的方法建立從Sink 節點到事件區域的路由，同時根據節點的地理位置信息和剩余能量情況， 通過Hello 消息機制交換所有相鄰節點的位置信息和剩余能量信息， 從而減輕路由建立的能耗。GEAR 協議中查詢消息的傳播主要分為兩個階段， 即查詢消息到事件區域的路由建立階段和查詢消息在事件區域內的傳播階段。

公路邊坡監測系統采用GEAR 協議，不僅可以及時地獲取邊坡發生的變形等數據， 而且當邊坡監測面積較大時，監測人員也可以根據節點的位置信息快速地定位到發生滑坡等事故的具體位置， 從而及時地制定準確有效的應對策略。這樣既提高了路由的效率， 又改善了系統的數據傳輸效果。然而，GEAR 協議還存在如下的問題有待進一步研究和改進：1）采用貪婪算法，節點偏向選擇距離目標區域較近的節點，這樣會造成信號間的干擾過大；2）一旦網絡中缺乏足夠的拓撲信息，可能會造成路由空洞；3）系統對硬件的要求特別高，從而成本較大。

3 無線傳感器網絡分簇路由協議比較

在充分理解了以上4 種分簇路由協議工作原理的基礎上，對各自在公路邊坡監測應用中的優缺點、適用條件進行了分析與總結，如表1 所示。

表1 4 種路由協議比較分析Tab. 1 Comparison and analysis of four kinds of routing protocols

但是，在實際的公路邊坡監測系統中，路由協議對系統性能影響的研究不能僅僅局限于節能性、 擴展性等方面，還需要從以下幾個方面綜合考慮。

1）路由協議的服務質量。 無線傳感器網絡應用范圍的不斷擴大以及支持圖像傳輸的新型傳感器的應用對傳送的服務質量提出了更高的要求。 無線傳感器網絡不僅要能夠傳送數據信息，同時還能夠傳送具有高服務質量的圖像。 此外，在無線傳感器網絡中，不同傳感器采集到的數據的重要性和緊急性也不同，如公路邊坡的突變位移就比地下水位的變化數據更緊急。

2）路由協議的安全性。 錯誤的路由信息會使公路邊坡監測系統中傳感器采集到的數據不能及時地到達接收節點，大量的非法路由信息也會減緩數據傳輸的速度，甚至可能導致整個公路邊坡監測無線傳感器網絡的癱瘓。

綜上所述，為了提高公路邊坡監測系統的實時性和可靠性，需要進一步深入研究節能性和擴展性好、提供高服務質量保證和具有良好的安全性的分簇路由協議。

4 結束語

本文提出的公路邊坡監測系統方案，利用無線傳感器網絡進行邊坡現場數據的采集和傳輸，可以實現對公路邊坡環境的無線監測，不僅可以降低成本，還可以大大減少傳統人工布線以及線路維護等方面的工作，從而可以顯著提高公路邊坡監測的自動化程度。 此外，通過對無線傳感器網絡中的四種分簇路由協議在公路邊坡監測的實際應用中的分析，可以看出每種協議都有各自的優缺點。 在實際搭建公路邊坡監測系統時，要充分結合公路邊坡所處的環境和監測的具體要求，因地制宜地選擇最佳的路由協議。 本文所做的工作對于實際的公路邊坡應用研究具有很好的借鑒意義。

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