程建興 李紹淳 黃偉鋒 吳卓葵仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院自動(dòng)化系

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基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的斜坡土壤濕度采集研究

程建興 李紹淳 黃偉鋒 吳卓葵
仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院自動(dòng)化系

摘要：文章研究無線傳感器對(duì)土壤濕度的采集及滑坡的判斷，應(yīng)用Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采集斜坡土壤的濕度和GPS定位值，通過中心節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；通過監(jiān)測(cè)采集點(diǎn)的土壤濕度值和經(jīng)緯度的位移變化，對(duì)滑坡災(zāi)害進(jìn)行報(bào)警。

關(guān)鍵字：滑坡 Zigbee 土壤濕度采集

1　斜坡監(jiān)測(cè)地概況

滑坡是指山體在自然或人為因素作用下，部分土層或巖層沿斜坡向下滑動(dòng)的現(xiàn)象，其主要發(fā)生在親水的土層、軟質(zhì)巖或有利于滑動(dòng)的軟弱面。仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院白云校區(qū)兩面環(huán)山，實(shí)驗(yàn)大樓旁邊是42m高的陡峭斜土坡，若出現(xiàn)滑坡將造成實(shí)驗(yàn)大樓被覆蓋的后果。

2　坡體穩(wěn)定性分析

用圓弧法對(duì)坡體穩(wěn)定性進(jìn)行分析，假定滑動(dòng)面為一個(gè)圓弧，滑動(dòng)體視為剛體，滑動(dòng)面上有滑動(dòng)力及抗壓力，可求出這兩個(gè)力對(duì)滑動(dòng)圓心的力矩。定義抗滑力矩MR和滑動(dòng)力矩MS之比為該剛體邊坡的穩(wěn)定系數(shù)Fs，即（1）當(dāng)Fs＞1，邊坡穩(wěn)定；Fs≤1，不穩(wěn)定； Fs=1，邊坡處于極限平衡狀態(tài)。假定計(jì)算面上各點(diǎn)的巖體重量各不相同，因此巖體重量在滑動(dòng)面各點(diǎn)引起的法向壓力不同，各個(gè)力的方向如圖2所示，把滑體分為n個(gè)橫向土條，其中第i條的重量為Wi，可以分解為兩個(gè)力，一個(gè)是垂直圓弧的法向力Ni；另一個(gè)是切于圓弧的切向力Ti。法向力Ni通過圓心，其本身對(duì)巖質(zhì)邊坡滑動(dòng)不起作用，但是Ni可以使得巖條滑動(dòng)面上產(chǎn)生摩擦力Nitanφi（ φi為該滑動(dòng)面的摩擦角），其作用方向與巖層滑動(dòng)方向相反，所以對(duì)巖質(zhì)邊坡起到了抗滑的作用。滑動(dòng)面上的黏結(jié)力c也起到抗滑的作用。由于圓心和滑動(dòng)面為任意假定，因此要假定多個(gè)圓心和相應(yīng)的滑動(dòng)面做類似的分析進(jìn)行驗(yàn)算，從中找到最小的穩(wěn)定系數(shù)，對(duì)應(yīng)的圓心和滑動(dòng)面即為最危險(xiǎn)的圓心和滑動(dòng)面。

3　土壤濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

滑坡災(zāi)害發(fā)生是一個(gè)能量緩慢積累，突然發(fā)生的動(dòng)力學(xué)過程，滑坡發(fā)生常和土壤濕度有密切的關(guān)系，土壤濕度過大是引起滑坡的最主要因素，所以可以通過采集土壤濕度數(shù)據(jù)來判斷滑坡是否發(fā)生，本文主要對(duì)斜坡土壤的濕度進(jìn)行測(cè)量研究。斜坡土壤濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由采集單元、從節(jié)點(diǎn)、主節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)組成。采 集 單 元 主 要 由 濕 度 傳 感 器 SHT11組成，Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集從節(jié)點(diǎn)由多個(gè)組成，多個(gè)從節(jié)點(diǎn)及一個(gè)主節(jié)點(diǎn)組成采集子系統(tǒng)，從節(jié)點(diǎn)處理采集的土壤濕度數(shù)據(jù)，并通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)；主節(jié)點(diǎn)接收若干個(gè)從節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并通過3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到上位機(jī)，上位PC機(jī)通過計(jì)算和處理來判斷土壤濕度值是否達(dá)到規(guī)定的預(yù)報(bào)閥值；同時(shí)判斷各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的位置經(jīng)緯度變化是否超過閥值，當(dāng)濕度和位移同時(shí)超過預(yù)測(cè)值時(shí)報(bào)警。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)濕度傳感器開始測(cè)量該點(diǎn)土壤的濕度，從節(jié)點(diǎn)判斷采集值是否超過限定值，如濕度小于限定值，則返回待機(jī)狀態(tài)；反之，從節(jié)點(diǎn)通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)，并傳輸?shù)絇C機(jī)上。

4　采集實(shí)驗(yàn)及分析

分別選取3個(gè)地方放置傳感器節(jié)點(diǎn)S1、 S2和S3，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心系統(tǒng)對(duì)模塊發(fā)送命令進(jìn)行多次測(cè)量，當(dāng)數(shù)據(jù)測(cè)量完畢，中繼節(jié)點(diǎn)SINK將數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心系統(tǒng)；對(duì)采樣土壤進(jìn)行分析和計(jì)算。為了驗(yàn)證傳感器的采樣值，使用重量法進(jìn)行土壤濕度采集值驗(yàn)證。先對(duì)采樣土壤進(jìn)行稱重得到數(shù)據(jù)MS，用溫度計(jì)對(duì)土壤進(jìn)行溫度T測(cè)量，然后對(duì)土樣進(jìn)行烘干得到不含水分的土壤質(zhì)量MD，然后根據(jù)式（8）可以得出土壤的水分含量。

5　誤差分析及總結(jié)

誤差原因主要是土壤濕度傳感器的自身誤差、采集器的單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換的精確誤差、傳感器采集與驗(yàn)證測(cè)量沒有在時(shí)間上同步。本系統(tǒng)通過無線傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)土壤的濕度以及位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，經(jīng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心，經(jīng)過比較濕度和位移誤差，來判斷滑坡是否發(fā)生。

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