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摘 要： 以云南省玉溪市新平县新化乡新化中心小学的一处滑坡隐患点为研究对象,基于 ZigBee 技术和 SLOPE/W 软件 构建了关于滑坡隐患处的物理模型。将不同的含水率作为参考条件,对严重滑坡的隐患点进行稳定性分析,根据实验数据设置 预警阈值、警报阈值分别为含水率的 21% 和 23%。应用无线传感技术,建立无线传感检测系统,力求为该区域滑坡监测预警 管理工作提供必要的参考价值。
关键词：含水率,稳定性,ZigBee,SLOPE /W 软件,无线传感监测系统
Research on Landslide in Xinping County and Establishment of Monitoring and Early Warning System Based on ZigBee Technology
LIU Yanjun, ZENG Chunping, MA Kun, HUANG Qi
(Faculty of Science, Kunming University of Science and Technology, Kunming Yunnan 650500)
【Abstract】： The research object is a landslide hidden danger spot in Xinhua Central Primary School, Xinhua Township, Xinping County, Yuxi City, Yunnan Province. By using ZigBee technology and SLOPE/W software to build a physical model of the hidden danger of landslide, the stability of the hidden danger points of serious landslide is analyzed with different water content as reference conditions. According to the analysis of experimental data, the warning threshold and warning threshold are 21% and 23% of the water content respectively. Combined with wireless sensor technology, a wireless sensor detection system is established to provide necessary reference value for monitoring and early warning management in the region.
【Key words】： moisture content;stability;ZigBee;SLOPE/W software;wireless sensor monitoring system
引言
中国是世界上地质灾害最严重的国家之一,地质灾 害的多样性、易发性严重危害人民生命和财产安全,制 约了社会的可持续发展。降水是地质灾害形成的诱因之 一,其导致含水率的增加,直接威胁到地质的安全。通 过国土资源局统计的数据,不难发现, 1998 年年均降 雨量距平 10.5%, 重合度达 60%, 危害损失大 ;2010 年年均降雨量距平 7.8%,重合度高达 65%,危害损失 巨大 ;2011 年年均降雨量距平为 -9.8%,重合度只有10%, 危害损失小 ;2018 年年均降雨量距平 5.9%,但 重合度仅 15%,危害损失小 [1]。
ZigBee 技术主要适合用于自动控制和远程控制领 域,可以嵌入各种设备。简而言之, ZigBee 就是一种 便宜的、低功耗的近距离无线组网通讯技术 [2]。通过在 需要重点监测的区域内排布传感器节点,收集传感器采 集的数据,传输至后台工作并进行分析。本文的工作基 于 ZigBee 技术以及 SLOPE/W 软件对新化中心小学滑 坡隐患点的边坡安全稳定问题进行研究,在地质监测中,根据不同土壤的含水率等多项指标,结合无线传感 网络技术,建立滑坡隐患点的检测、监控、预警系统, 保证人民的生命和财产安全。
1 无线传感技术
无线传感网络是迄今为止国际上备受关注、涵盖多 学科、涉及多学科交叉的前沿研究。无线传感器网络涵 盖的多种技术,包括传感器、嵌入式计算、网络连接、 网络接收、信息处理等。采用简单、廉价、易获得的传 感器组成无线自组织网络。并将由传感单元、信息处理 单元、通讯单元、供给能量单元所组成的传感器节点所 采集的信息传送到网关节点,从而进一步实现对目标区 域内的采集、监测,甚至跟踪和控制。
1.1 ZigBee 技术
ZigBee 技术的特点主要有以下几个方面 ：近距离、 低复杂性、低功耗、自组网等,且成本低廉。ZigBee 技术 是双向无线通讯技术, 在自动控制和远程控制中均发挥重 要作用。CC2530 芯片是一个真正的用于 IEEE802.15.4. ZigBee 和 RF4CE 应用的片上系统 (SoC) 解决方案。它能 够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点。CC2530 集成了业界领先的 RF 收发器、增强工业标准的 8051MCU, 在系统可编程 Flash 存储器, 8KB RAM 和许多其他强 大的功能 [3]。
借助TI 公司的ZigBee 新一代 SOC芯片—CC2530、 FB2530EB、SHT11 组成监测预警系统的前端。
1.2 SHRT11
本文在研究并监测目标区域内的监控指标为温度和 湿度,重点选取湿度传感器为监测重点和指标计算。采 用的湿度传感器芯片为 SHT11.该芯片的类型为贴片 型,全量程标定,性能稳定且功耗低 [4]。
诱发滑坡的外因主要有降雨、振动、开挖及水库蓄 水等,其中集中降雨为最普遍诱发因素,降雨是滑坡致 灾的最主要外因 [5]。
通过连接带有温湿采集模块的传感器节点,将采集 得到的温湿度数值通过 ZigBee 协议无线传输至开发板 FB2530EB 的协调器上,通过串口将采集的温度、湿度 数据进一步传输至上位机。最终优化数据后得出并验证 所采集数据的真实性和正确性并分析。
2 建立边坡模型
本文的研究对象选取的是玉溪市新平县新化中心 小学校内的一处滑坡隐患点,研究区域概况如图 1 所 示, 2000 年由于数天连阴雨,滑坡中部出现一条长约 200m,宽约 15cm 的贯通裂缝。随后观测到山体上一 处水池发生倾斜,表面坡度 8°。在随后的几年中,挡墙坍塌、崩落,重建挡墙后,依然观测出多处非贯通裂 缝,山提上多处树木严重倾斜。
使用 SLOPE/W 软件针对新化中心小学的滑坡隐患 点创建模型(如图 2 所示)。在软件中调节不同参数, 例如 ：内摩擦角、内粘聚力、容重等数值,来实现对边 坡失衡状态下的模拟,随后进一步确定边坡的稳定性, 以及稳定系数(如表 1 所示)。
紧接着采用更多数值计算,在 MATLABE 软件中, 多次拟合得到如图 3 所示的拟合图。
经过不断的实验、验证、拟合等一系列的计算模拟 得到结论 ：在稳定系数小于 1 时,发生边坡滑坡、崩塌 等地质灾害的几率十分大。因此,在设立无线传感检测 系统时, 可以把含水率在 21%和 23%作为临界值。即 在含水率达到 21%时就设定为预警阈值,在含水率达 到 23%时,设定为警报阈值。
3 组建山体滑坡无线传感器监测系统
易发生山体滑坡地质灾害的地区一般都有着比较复 杂的地理环境,具有干扰严重、危险性大、机械化程度 高、数据采集量大、对传输的可靠性与安全性要求高等 特点。同时,由于山体滑坡是一种突发性的事件,具有 很多不确定因素,因此其对预警监测系统有着更高的要 求,主要包括以下几点 [6] ：数据采集、节点自组网、数 据传输、数据的管理。
为此,从边坡工程实际特点及安全需求出发, 考虑 边坡工程的前沿发展,提出针对新化县中心小学边坡无 线实时安全预警系统,旨在建立一种全覆盖、高精度、 信息完整的实时、无线、远程山区边坡安全预警系统。 无线传感网络 WSN(Wireless Sensors Network), 具有体积小、覆盖面大、能耗低、精度高、寿命长及无 线传输的优势。针对边坡工程特征,采用无线传感网 络,可突破传统边坡安全监测的不足,更加透彻感应和 度量边坡的真实性态,极大地推动边坡工程安全监测的 智能化。通过终端系统对边坡监测原始信息的系统分析 与处理,实现山区边坡安全预警的实时可视化,确保边 坡工程的安全,减少经济损失,保障人民生命安全。
实验得出含水率的大小直接影响边坡的稳定性。分 析一个边坡的稳定,不能单单只依靠含水率来计算、判 断。影响边坡稳定性的因素有很多。因此,可以建立多 数值监测系统,根据不同的资金需要,增添传感器,例 如 ：倾角传感器、位移传感器等。
3.1 传感器节点和协调器节点的设计流程图(如图 4 所示)
3.2 监测系统主要技术参数
全面安装传感器, 组装监测系统。监测系统主要技 术参数如表 2 所示。
数据采集的同时需要部分采集子系统,有 ：WISEN MESHNET® 振弦式采集支点、WISENMESHNET® 双倾 角采集支点、WISENMESHNET® 智能终端、数据中转 服务器等。
搭配多个、多组双倾角传感器、位移传感器、孔隙 水压力传感器以及无线终端,共同组建关于玉溪市新平 县新化乡新化中心小学的边坡无线监测预警系统。将滑 坡隐患区域分为 3 个区域,分别是 ：顶部区域、中部区 域和底部区域。针对坡体整体滑移,需要在 3 个区域 内分别安置双倾角采集支点 ;针对边坡表层土体,需要 在顶部区域与中部区域的交界位置和中部区域与底部区 域的交界位置安装振弦式位移采集支点 ;针对边坡土体 孔隙水压力的问题,需要在顶部区域与中部区域的交界 位置和中部区域与底部区域的交界位置安装振弦式孔压 采集支点 ;针对最主要的含水率问题,重点在坡体的顶 部、中部、底部建设,并监测。本着安全、后期易维护 的原则,水平同一高程监测点间距 30 ~ 50m、沿监测 区域中线布置, 埋深 50cm、需埋设孔压管, 沿监测区 域中线布置,管底进入滑移面以下。搭配的智能终端, 采用太阳能供电。
新化中心小学边坡检测预警系统传感器布点图如图 5 所示, 如图 6 和图 7 所示分别为新化中心小学边坡检测 预警系统传感器布点图的剖面和正面。
3.3 监测中心的功能和架构
监测中心,主要完成监测、数据分析和预警的功 能。同时可以开展部分的研究实验工作(如图 8 所示)。
4 结语
对传感端获取的边坡土体整体位移、表层位移和孔 隙水压力变化数据进行单项分析,在此基础上,综合不 同类型边坡状态数据进行系统分析,从而判断边坡所处 的力学和变形状态,进一步对边坡的安全进行判断、预 警与报警。
通过 ZigBee 技术和 SLOPE/W 软件的建模及分析, 以及 MATLABE 的拟合数据分析得出 ：
(1) 在自然情况下, 原始边坡的坡度不变、地质结 构稳定且平衡、无过强的人工干扰(如 ：埋设炸点开采 山石)情况下,诱发新平县新化小学滑坡灾害的主要外 界因素为降雨。
(2)实验研究土壤在含水率未到达 20%以前, 随 着降水量不断增加,致土壤含水率不断增大。稳定系数 虽有波动,却无大幅度增减,一直稳定在 2 以上。随 着降雨不断增大增强,实验研究土壤的含水率在到达 21.79%附近时,稳定系数开始急剧减小。对于无线传 感监测、预警系统需要设立预警阈值和警报阈值设,分 别为含水率的 21% 和含水率的 23%。
根据建立的 SLOPE/W 模型和无线传感监测、预警 系统的数据得知,正确客观的针对新化中心小学构建无 线传感监测、预警系统的重要性,并提出建议 ：(1)加 强针对坡体的监测,建立观测点以及监测点,特别注意 雨期日常监测 ;(2)夯实填埋现已存在的非贯穿裂缝, 防止雨水进入裂缝,防止地质灾害的发生 ;(3)加强防 灾知识普及,建立防灾预案。
参考文献
[1] 刘传正,温铭生,连建发,等.区域地质灾害气象预警效果评价 [J].工程地质学报,2011.19(6):839-843.
[2] 颜冬丽.ZigBee技术在德化陶瓷智能展厅方面的应用[J].软 件,2022.43(5):61-64.
[3] 管超,邵小桃.基于ZigBee的振动报警系统的设计与实现[J]. 软件,2015.36(6):146-151.
[4] 周睿姣. 基于ZigBee的工厂库房环境数据采集系统设计与 实现[D].西安:西安电子科技大学,2020.
[5] 夏梁斌.基于无线传感网络的公路边坡监测及临滑预警研究 [J].公路与汽运,2017(1):125-128.
[6] 李方书.基于无线传感器网络的山体滑坡监测预警系统研究 [J].电子世界,2016(22):188+190.
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