APP下载

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

数码世界 2016年5期
关键词:土壤湿度斜坡圆心

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

[1] 肖威,陈剑杰,吴益平,等. 鄂西恩施地区降雨与滑坡关系浅析[C].第九届全国工程地质大会论文集,2012.

[2] 程温鸣,彭令,牛瑞卿.基于粗糙集理论的滑坡易发性评价—以三峡库区秭归县境内为例[J].中南大学学报(自然科学版),2013,44(3):1083-1090.

[3] 黄强盛,夏旺民. 滑坡稳定性评价中地震作用力计算的讨论[J].地震工程学报,2013(1):104-108.

[4] 许强.滑坡的变形破坏行为与内在机理[J].工程地质学报,2012(2):145-151.

[5] 刘彦杰,付庆伟,倪自强.GPS一机多天线滑坡监测系统的建立和应用[J].人民长江,2013(15):52-53.

[6] 王洪德,高幼龙,薛星桥,等.典型滑坡监测点优化布置[J].吉林大学学报,2013,43(3):859-866.

[7] 张仲林,叶振南,李强,等.GPS滑坡位移监测精度影响因素简析[J].研究探讨,2013,8(2):9-12

[8] 张伟斌,金永新,袁本银.基于BeiDou/GPS双系统的三峡滑坡监测预警系统[J].测绘通报,2013(2):120-121.

猜你喜欢

土壤湿度斜坡圆心
三江平原土壤湿度记忆性及其与水热气候条件的关系
土壤湿度传感器在园林绿化灌溉上的应用初探
基于随机权重粒子群优化极限学习机的土壤湿度预测
基于51单片机控制花盆土壤湿度
信仰的“斜坡”
以圆周上一点为圆心作圆的图的性质及应用
梦是长长的斜坡(外一首)
无轨斜坡道在大红山铁矿中的应用
参考答案
四种方法确定圆心和半径