基于无线传感器网络的斜坡土壤湿度采集研究
2016-12-31程建兴李绍淳黄伟锋吴卓葵仲恺农业工程学院自动化系
程建兴 李绍淳 黄伟锋 吴卓葵仲恺农业工程学院自动化系
基于无线传感器网络的斜坡土壤湿度采集研究
程建兴 李绍淳 黄伟锋 吴卓葵
仲恺农业工程学院自动化系
摘要:文章研究无线传感器对土壤湿度的采集及滑坡的判断,应用Zigbee无线传感器网络,采集斜坡土壤的湿度和GPS定位值,通过中心节点远程传输到计算机进行数据处理;通过监测采集点的土壤湿度值和经纬度的位移变化,对滑坡灾害进行报警。
关键字:滑坡 Zigbee 土壤湿度采集
1 斜坡监测地概况
滑坡是指山体在自然或人为因素作用下,部分土层或岩层沿斜坡向下滑动的现象,其主要发生在亲水的土层、软质岩或有利于滑动的软弱面。仲恺农业工程学院白云校区两面环山,实验大楼旁边是42m高的陡峭斜土坡,若出现滑坡将造成实验大楼被覆盖的后果。
2 坡体稳定性分析
用圆弧法对坡体稳定性进行分析,假定滑动面为一个圆弧,滑动体视为刚体,滑动面上有滑动力及抗压力,可求出这两个力对滑动圆心的力矩。定义抗滑力矩MR和滑动力矩MS之比为该刚体边坡的稳定系数Fs,即(1)当Fs>1,边坡稳定;Fs≤1,不稳定; Fs=1,边坡处于极限平衡状态。假定计算面上各点的岩体重量各不相同,因此岩体重量在滑动面各点引起的法向压力不同,各个力的方向如图2所示,把滑体分为n个横向土条,其中第i条的重量为Wi,可以分解为两个力,一个是垂直圆弧的法向力Ni;另一个是切于圆弧的切向力Ti。法向力Ni通过圆心,其本身对岩质边坡滑动不起作用,但是Ni可以使得岩条滑动面上产生摩擦力Nitanφi( φi为该滑动面的摩擦角),其作用方向与岩层滑动方向相反,所以对岩质边坡起到了抗滑的作用。滑动面上的黏结力c也起到抗滑的作用。由于圆心和滑动面为任意假定,因此要假定多个圆心和相应的滑动面做类似的分析进行验算,从中找到最小的稳定系数,对应的圆心和滑动面即为最危险的圆心和滑动面。
3 土壤湿度监测系统
滑坡灾害发生是一个能量缓慢积累,突然发生的动力学过程,滑坡发生常和土壤湿度有密切的关系,土壤湿度过大是引起滑坡的最主要因素,所以可以通过采集土壤湿度数据来判断滑坡是否发生,本文主要对斜坡土壤的湿度进行测量研究。斜坡土壤湿度监测系统由采集单元、从节点、主节点和上位机组成。采 集 单 元 主 要 由 湿 度 传 感 器 SHT11组成,Zigbee无线传感器网络采集从节点由多个组成,多个从节点及一个主节点组成采集子系统,从节点处理采集的土壤湿度数据,并通过Zigbee网络发送到主节点;主节点接收若干个从节点数据并通过3G网络发送到上位机,上位PC机通过计算和处理来判断土壤湿度值是否达到规定的预报阀值;同时判断各个采集节点的位置经纬度变化是否超过阀值,当湿度和位移同时超过预测值时报警。当系统运行时湿度传感器开始测量该点土壤的湿度,从节点判断采集值是否超过限定值,如湿度小于限定值,则返回待机状态;反之,从节点通过Zigbee网络把数据发送到主节点,并传输到PC机上。
4 采集实验及分析
分别选取3个地方放置传感器节点S1、 S2和S3,数据监测中心系统对模块发送命令进行多次测量,当数据测量完毕,中继节点SINK将数据传到数据监测中心系统;对采样土壤进行分析和计算。为了验证传感器的采样值,使用重量法进行土壤湿度采集值验证。先对采样土壤进行称重得到数据MS,用温度计对土壤进行温度T测量,然后对土样进行烘干得到不含水分的土壤质量MD,然后根据式(8)可以得出土壤的水分含量。
5 误差分析及总结
误差原因主要是土壤湿度传感器的自身误差、采集器的单片机模数转换的精确误差、传感器采集与验证测量没有在时间上同步。本系统通过无线传感节点对土壤的湿度以及位置进行监测,经移动通信网络传输到监测中心,经过比较湿度和位移误差,来判断滑坡是否发生。
参考文献
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