基坑监测系统中传感网的节点部署*

孙懋珩，邓玉杰

(同济大学 电子与信息工程学院，上海 201804)



基坑监测系统中传感网的节点部署*

孙懋珩，邓玉杰

(同济大学 电子与信息工程学院，上海 201804)

基坑监测系统中，需要在各监测点部署传感器节点，系统的监测点围绕基坑工程展开，其监控区域近似圆环。在基站收集监测数据时，离基站越近的区域需要转发的数据越多，节点能量消耗速度也就越快，基站附近的节点将很快消耗完能量，系统随即瘫痪。通过研究圆环形传感网的拓扑特点，得到节点密度公式，使得各区域的总能量与能量消耗速度之比达到平衡。理论分析和仿真实验表明，按照此密度公式部署传感器节点，可显著提高系统生命周期。

基坑监测；传感网；节点密度

0 引 言

在建筑工程中，基坑的开挖是工程项目的基础，近几年，深基坑工程在总体数量、开挖深度、平面尺寸以及使用领域等方面都得到高速的发展，而深基坑施工所造成的基坑坍塌、建(构)筑物或道路开裂，管线爆裂等事故屡有发生，给国家经济和人民生命财产造成不同程度的损失，引起了严重的社会后果。为了实现实时、高效、准确的基坑工程实时监测，可以将基坑工程与图像学、信号处理、无线传感器网等学科相结合，应用数字信号处理技术、数字图像处理技术、微位移传感技术实现对各类位移(基坑工程围护墙(边坡)顶部水平和竖向位移、周边地表的竖向位移、周边建筑的竖向位移和水平位移、立柱竖向位移、周边管线变形等)的感测和处理，通过无线传感网把监测点信息汇集至服务器进行处理，从而实现自动实时监测[1]。

传感网要把节点监测到的数据传输到服务器，而基坑监测中的传感网围绕基坑工程展开，其传输区域近似于圆环，而在圆环内部为施工区，无法部署监测设备。为了实现监测数据传输的实时性、高效性，同时尽可能延长网络生命周期，传感器节点的部署显得至关重要[2]。

1 节点部署

1.1 网络模型

我们将传感网简化成半径为R1和R2的圆环形区域，网络中所有传感器节点功能相同、初始能量相等，圆环形区域内的节点组织成簇，簇内成员节点将监测数据传输到簇头，簇头将接收到的数据融合成数据包，转发给下一个簇头或基站(图1中的Sink)[2-3]。

图1 区域能量消耗

为保证系统的稳定性，同时便于文章的分析，我们假设相邻传感器节点的通信距离大于节点之间的物理距离，即相邻节点之间可以实现完全联通，不考虑通信中断等意外情况。

研究表明，传感器节点的能量消耗主要来自于通信，节点通信的能量消耗远大于感知和计算的能量消耗，因此，为方便分析，我们忽略节点其他方面的能量消耗，只关注节点通信产生的能量消耗[3]。

为了分析圆环形区域中能量消耗，本文要研究的无线传感网满足以下假设[4]：

(1)基坑监测系统的传感网是大型的，传感器节点分布在半径为R1和R2的圆环形区域内，基站部署在圆环形区域内部。

(2)网络中所有传感器节点的功能相同，并且每个传感器节点的初始能量都为e。

(3)传感器节点传输监测数据，网络中单位区域内生成数据的速度为λ。

(4)传感器节点与基站需要通过多跳传输，假设传感器节点的通信距离为l。

(5)传感器节点发送单位数据所消耗的能量为Et，接收单位数据所消耗的能量为Er。

1.2 密度函数

在传感网中，某一区域的生命周期近似为此区域的总能量与能量消耗速度之比，为了最大限度地延长传感网的生命周期，应当使各区域的总能量与能量消耗速度之比保持一致[5]。

各区域内总能量与能量消耗速度之比应为常数，即满足以下条件：

(1)

式中，const为一常数。

设网络中总节点数为N，应当满足：

(2)

根据式(1)和式(2)可得节点的密度函数：

(3)

∂的取值较小，所以有：

(4)

从中可以看出，离基站越近的区域传感器节点应当布置得越密。

1.3 理论分析

在以密度函数部署传感器节点时，由于各区域的总能量与能量消耗速度比值为常数，所以网络中传感器节点几乎同时消耗完能量，这样系统生命周期近似于某一区域的总能量/该区域的能量消耗速度[6]。

图2 能量消耗对比

均匀部署节点时，离基站最近的区域中传感器节点能量消耗速度最快。因此，我们考虑离基站最近的一跳范围内的区域(距离基站的角度为θ′)，该区域的总能量与能量消耗速度之比作为系统生命周期[4]。

2 模拟实验

我们使用MATLAB在系统生命周期、剩余能量两个方面对上述两种部署方案做对比。传感器节点的初始能量为10J；发送数据的能量消耗为0.44W；接收数据的能量消耗为0.32W；传感器节点的无线通信距离为20m；每个数据包的大小为32字节；根据基坑工程通常的监测范围取R2=R1+25。分别将90、130、170、210、250、290、330个节点部署在R1为100m、150m、200m、250m、300m、350m、400m的圆环形区域内，以保证区域内节点的整体密度相同。每一个实验结果都为100次仿真实验的平均值。

假定传感器节点周期性采集并传输数据，将网络的生命周期定义为当超过10%的节点因能量耗尽而死亡时网络已工作的周期数。

从上述实验结果图3和图4可以看出，实验结果和理论分析基本一致，按本文方案部署传感器节点时，系统生命周期大约是均匀部署时的2倍，且本文方案中节点剩余能量较小，可以认为系统充分利用了传感器节点能量，而且当区域越大时，这种趋势越明显。

图3 生命周期

图4 剩余能量

3 结 语

利用传感网传输形变数据对实现基坑在线监测具有重要意义。以前论文很少涉及环形传感网节点的部署，本文提出适用于环形传感网的节点密度函数，理论分析和仿真实验表明该部署方式可以显著提高系统生命周期。但本文的节点部署方式必须满足圆环半径远大于节点通信距离，所以有其局限性，在下一步的研究工作中，需要综合考虑圆环区域半径与节点通信距离之间的关系，构造出适用性更强的密度函数。

[1] 孙懋珩,李卫红,吴晗.基坑监测系统中图像的无损压缩传输[J].通信技术,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] 袁辉勇,刘伟群,刘永逸等.传感器网络中一种非均匀的节点部署算法[J].传感技术学报,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] 陆克中,刘应玲.一种线型无线传感器网络的节点布置方案[J].计算机应用,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] 陆克中,黄刘生,万颍渝等.无线传感器网络中传感器节点的布置[J].小型微型计算机系统,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] 袁辉勇,彭东海,王志和等.圆环形传感器网络生命周期最大化模型与求解[J].传感器与微系统,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.

术语百科Technical Terms

网络生态系统

网络生态系统(Cyber Ecosystem)最早于2002年美国IEEE会议录中“就整体网络生态系统保障而言，解决生存能力是比解决安全性更重要的一种途经”一文中提出。2011年3月，美国国土安全部在《在网络空间实现分布式安全——用自动化的集体行动建立健康有弹性的网络生态系统》研究报告中，明确提出网络生态系统概念。同年11月，又发布《国土安全体系网络安全战略》，强调要“为未来建立一个更安全的网络生态系统”。网络生态系统是一个全球性的体系，包括政府和私营部门的信息基础设施，众多相互联系的人员、流程、信息和通信技术，以及影响网络安全的各种条件。随着网络生态系统概念的不断清晰和成熟，建设网络生态系统亦成为了美国网络空间安全发展的重点领域。

未来的网络生态系统中，网络实体(主要指网络设备、程序)能够近实时地进行自我防御和协作，及时预测和阻止攻击，限制攻击扩散和攻击后果，用自动化的集体行动建设一个健康、有活力的网络空间生态系统。构建未来网络生态系统，需要为各参与方(特别是网络设备)发展自动化、互操作和身份认证等三种相互依存的关键能力。网络生态系统中的“健康”网络实体应具有内置的安全功能，主要包括感知意识、用户意识、智能性、自主反应、动态性、复原性、协作性、可信性等关键属性。

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

孙懋珩(1957—)，男，博士，副教授，主要研究方向为数字图像处理、嵌入式、传感网；

邓玉杰(1990—)，男，硕士，主要研究方向为传感网。