公路边坡监测无线传感器网络分簇路由协议分析

苏 坡， 冯兴乐， 薛国伟

（长安大学 信息工程学院， 陕西 西安 710064）

近年来，随着国民经济持续快速平稳健康发展，我国的公路交通网也在日益完善。 而公路在建设和运营的过程中不可避免地会出现各种类型的边坡。 边坡稳定则交通通畅；而边坡一旦失稳，轻则掩埋公路，中断交通，重则危及生命和财产安全[1]。 因此，及早地对公路边坡变形进行监测具有极为重要的社会意义和经济价值。

针对公路沿线边坡变形的监测，目前国内外现有的技术方法主要有GPS 卫星监测法[2]和光纤光缆监测法[3]。 其中，GPS 卫星监测法不受天气影响，能实现全天候监测，但却存在着山区卫星信号易被遮挡， 多径效应较为严重等缺点，特别是当其与移动通信技术结合使用时，运营的成本就会特别高，这大大增加了公路边坡监测的非经济性。 光纤光缆监测法利用了近几年刚刚发展成熟的光纤传感技术，虽然对公路边坡变形的监测精度有了大幅度的提高，但是公路边坡复杂的环境导致其布线工程量大、线路维护困难且危险，从而严重影响了其全面普及和推广。

无线传感器网络（Wireless Sensor Network， WSN）[4]技术是近几年正探索性地被应用于公路边坡监测的一种新兴技术。 无线传感器网络集传感器技术、无线通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术于一体，它低成本、低功耗、网络容量大、网络节点布置容易的特点正好可以弥补上述两种技术方法的不足。 基于此，笔者提出了一种基于无线传感器网络的公路边坡监测系统方案。 本文在对该方案进行详细地描述之后，重点分析了无线传感器网络中具有代表性的4 种分簇路由协议，并主要从节能性、扩展性和适用环境3 个方面比较归纳了4 种路由协议在公路边坡监测应用中的优缺点。

1 公路边坡监测系统方案

1.1 系统方案描述

本文提出了一种基于无线传感器网络的公路边坡监测系统方案，其系统结构如图1 所示。

本方案采用分簇路由协议，选用的传感器包括位移传感器、液位传感器以及降雨量传感器等。 每一个簇内的节点按照功能可以分为传感器节点、路由节点和汇聚节点。 其中，传感器节点负责采集监测区域公路边坡的位移、地下水位以及降雨量等信息，路由节点主要是对传感器节点采集到的数据信息进行转发，作为簇首的汇聚节点担任基站的作用，接收由传感器节点直接或是经路由节点转发间接发送过来的传感器数据信息，之后采用GPRS 无线通信技术将数据发送至远端监控中心，由监控中心最终完成对公路边坡监测数据的实时接收和存储。

图1 基于无线传感器网络的公路边坡监测系统结构图Fig. 1 Structure diagram of highway slope monitoring system based on WSN

1.2 系统传感器选择

边坡变形是引起公路滑坡阻塞交通的主要因素，因此公路边坡监测的首要任务是是监测边坡变形。 造成公路边坡产生形变的因素包括自然因素 （如降雨导致地下水位上升等）和人为因素（如道路施工等）。 通常情况下，公路边坡产生形变，公路山体都会在垂直和水平方向上发生位移，同时出现大量裂缝。 因此，公路边坡变形监测应包括水平和垂直位移监测、地表裂缝监测、地下水位监测等内容。 基于公路边坡监测的内容，在搭建公路边坡监测系统时，一般选用的传感器应包括位移传感器、液位传感器以及降雨量传感器等。

1.3 系统优劣的决定因素—无线传感器网络路由协议

无线传感器网络中的节点一般都采用电池供电，而公路边坡恶劣的监测环境增加了更换电池的成本和危险系数，因此，公路边坡监测系统要将能耗问题放在首位。 而这就对系统中节点的布置和节点的数量提出了更高的要求。 如何最大限度地延长网络的生命周期，提高系统采集和传输数据的实时性和高效性，这决定了系统要根据公路边坡所处的实际环境选择最佳的路由协议。 可以说，无线传感器网络路由协议选择的好坏是决定公路边坡监测系统优劣的关键因素。

1.4 公路边坡监测的特点要求采用分簇路由协议

无线传感器网络的路由协议从网络拓扑结构的角度可以分为平面路由协议和分簇路由协议[5]。 由于公路边坡监测的环境比较复杂且监测区域面积一般都比较大，通常需要在监测区域布置大量的无线传感器网络节点，因而网络的规模非常大，不能直接采用扩展性差的平面路由协议。 相反，分簇路由协议具有拓扑管理方便、能量利用率高和扩展性好的优点，能够满足大型无线传感器网络的需求，特别适合于公路边坡监测的应用场合。

2 无线传感器网络分簇路由协议分析

2.1 LEACH 协议

LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）[6]协议是最早提出的一种自适应分簇路由协议，它采用随机循环的方式选举簇首。 每个节点在0 和1 之间产生一个随机数，当这个随机数小于当前循环计算出的阈值T（n）时，该节点即被选举为簇首。 然后，簇首向整个网络广播自己成为簇首的消息， 网络内的其他节点则根据接收信号的强度加入最近的簇。 簇内成员节点按照TDMA 时隙采集数据并发送至簇首，网络中所有簇首将数据融合之后直接或经由Sink 节点间接发送到基站。 其中，阈值T（n）的计算公式为：

其中，p 为簇首节点占所有节点的百分比，即节点被选为簇首的概率；r 为当前循环次数；G 为当前轮循环中未被选为簇首的节点的集合；r mod表示当前循环中被选为簇首的节点的个数。

结合公路边坡监测的实际环境，LEACH 协议可以实现对公路边坡诸如普通变形、 位移等数据信息的采集和传输。但是，LEACH 协议却存在如下缺点：1）每一次循环都要进行一次簇首的选举，会造成整个公路边坡监测系统网络的开销过大；2） 仅根据一个随机数和计算的阈值就决定了簇首，会导致网络中簇首和簇内节点的分布不均匀；3）簇首间负载不均衡，会出现簇首失效或是簇首被闲置，这就造成了系统资源的浪费；4）簇成员节点直接和簇首进行数据传输，加速了簇首的能量消耗，缩短了整个网络的使用寿命；5）每个簇的规模有限，网络的扩展性不强。

针对LEACH 协议的缺点，改进措施如下：1）每一次循环过后，将剩余能量多的节点作为候选簇首；2）对公路边坡监测区域进行划分以增加簇首和簇内节点分布的均匀性；3）设置一个参数增大与基站距离近的节点当选为簇首的概率，以缩短网络中簇首传输数据的距离，从而延长整个网络的生命周期。

2.2 EEUC 协议

EEUC（Energy-Efficient Uneven Clustering）[7]协议是一种依据剩余能量来选举簇首的协议。 为解决距离基站近的节点因为不仅要传输簇内数据，同时要转发其它簇首发送的数据而能量过早耗尽死亡的问题， 提出了一种不均匀分簇的方法，通过考虑节点与基站的距离，使得与基站距离近的簇的规模越小，从而可以均衡整个网络的负载。 该协议的关键点是簇半径的计算，其计算公式为：

式中，R0为候选簇首竞争半径的最大值；c 在[0，1]之间，是簇半径控制参数；dmax和dmin分别表示节点到Sink 距离的最大值和最小值；d 表示簇首i 到Sink 节点的距离。

与LEACH 协议相比，HEEC 协议簇首的选举考虑了网络的能量消耗不均衡的问题，改善了距离基站近的簇首的能量消耗，提高了网络的生存时间，更加特别地适合用于公路边坡监测。 然而，EEUC 协议在提高公路边坡监测系统网络性能的同时， 也产生了一些新的问题：1）簇的形成过程过于复杂， 从而造成系统代价较大；2）不同的簇具有不同的簇半径会造成节点采集和传输数据的精度降低。

2.3 TEEN 协议

TEEN （Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol）[8]协议是对LEACH 协议的一种改进，协议中设置了软、硬两个阈值。 首先根据LEACH 协议随机循环的方式选举簇首，然后由簇首把软、硬两个阈值发送给簇内节点。 当簇内节点采集到的数据第一次超过硬阈值时，就把数据发送给簇首， 此后簇内节点采集到的数据必须超过硬阈值， 并且数据的变化大于软阈值时才能再次发送采集到的新数据。这样，TEEN 协议就在精度和系统能耗之间达到了一个合理的平衡。

在实际的公路边坡监测系统中，TEEN 协议可以对边坡监测区域如突降暴雨、 突变位移等突发事件快速做出响应，从而完成实时监测。 但是，TEEN 协议也存在如下缺点：1）如果系统中设定的阈值不能达到，节点将不会发送采集到的数据；2）一旦节点采集到的数据达到阈值要求，数据就会被节点立即发送，这容易造成信号间的干扰，且如果采用TDMA，将会造成数据延迟。

针对TEEN 协议的缺点，改进措施如下：1）硬阈值可以根据采集到的边坡实际监测对象数据通过滤波的方式得到，从而提高硬阈值的准确度；2）系统中可以定义一个计数器，节点每发送一次数据，计数器就清零一次，一旦计数器的时间到达，无论当前的数据是否满足软、硬阈值的条件都将数据发送出去。

2.4 GEAR 协议

GEAR（Geographic and Energy Aware Routing）[9]协议是一种能量感知的基于地理位置的路由协议。 采用查询的方法建立从Sink 节点到事件区域的路由，同时根据节点的地理位置信息和剩余能量情况， 通过Hello 消息机制交换所有相邻节点的位置信息和剩余能量信息， 从而减轻路由建立的能耗。GEAR 协议中查询消息的传播主要分为两个阶段， 即查询消息到事件区域的路由建立阶段和查询消息在事件区域内的传播阶段。

公路边坡监测系统采用GEAR 协议，不仅可以及时地获取边坡发生的变形等数据， 而且当边坡监测面积较大时，监测人员也可以根据节点的位置信息快速地定位到发生滑坡等事故的具体位置， 从而及时地制定准确有效的应对策略。这样既提高了路由的效率， 又改善了系统的数据传输效果。然而，GEAR 协议还存在如下的问题有待进一步研究和改进：1）采用贪婪算法，节点偏向选择距离目标区域较近的节点，这样会造成信号间的干扰过大；2）一旦网络中缺乏足够的拓扑信息，可能会造成路由空洞；3）系统对硬件的要求特别高，从而成本较大。

3 无线传感器网络分簇路由协议比较

在充分理解了以上4 种分簇路由协议工作原理的基础上，对各自在公路边坡监测应用中的优缺点、适用条件进行了分析与总结，如表1 所示。

表1 4 种路由协议比较分析Tab. 1 Comparison and analysis of four kinds of routing protocols

但是，在实际的公路边坡监测系统中，路由协议对系统性能影响的研究不能仅仅局限于节能性、 扩展性等方面，还需要从以下几个方面综合考虑。

1）路由协议的服务质量。 无线传感器网络应用范围的不断扩大以及支持图像传输的新型传感器的应用对传送的服务质量提出了更高的要求。 无线传感器网络不仅要能够传送数据信息，同时还能够传送具有高服务质量的图像。 此外，在无线传感器网络中，不同传感器采集到的数据的重要性和紧急性也不同，如公路边坡的突变位移就比地下水位的变化数据更紧急。

2）路由协议的安全性。 错误的路由信息会使公路边坡监测系统中传感器采集到的数据不能及时地到达接收节点，大量的非法路由信息也会减缓数据传输的速度，甚至可能导致整个公路边坡监测无线传感器网络的瘫痪。

综上所述，为了提高公路边坡监测系统的实时性和可靠性，需要进一步深入研究节能性和扩展性好、提供高服务质量保证和具有良好的安全性的分簇路由协议。

4 结束语

本文提出的公路边坡监测系统方案，利用无线传感器网络进行边坡现场数据的采集和传输，可以实现对公路边坡环境的无线监测，不仅可以降低成本，还可以大大减少传统人工布线以及线路维护等方面的工作，从而可以显著提高公路边坡监测的自动化程度。 此外，通过对无线传感器网络中的四种分簇路由协议在公路边坡监测的实际应用中的分析，可以看出每种协议都有各自的优缺点。 在实际搭建公路边坡监测系统时，要充分结合公路边坡所处的环境和监测的具体要求，因地制宜地选择最佳的路由协议。 本文所做的工作对于实际的公路边坡应用研究具有很好的借鉴意义。

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