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



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.