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优化的滑坡感官和报警系统振动室

摘要

滑坡是马来西亚自然灾害之一，并非罕见的灾难。自1969年以来，马来西亚多次遭受这场灾难。这个自然灾害已成为马来西亚政府的一个主要研究问题，当时许多人受伤严重，甚至遇害。许多以前的研究成果都发表在公开文献中，旨在设计一个能够在滑坡发生灾难之前在早期阶段检测出滑坡的系统。本文介绍了马来西亚环境中一项主要的工作中滑坡预警系统的早期工作。这个系统的目的是开发最有效的可靠的低成本系统，在这个系统中不断监测轻微的地球运动。这项工作面临的挑战是与低预算系统一起工作，从而提高效率。因此，所使用的材料是现成的。早期使用的振动传感器在使用最佳振动室进行放大后，经过设计优化非常有希望检测到最轻微的颤动。设计结果表明，选择合适的管道长度和直径尺寸与碎石结合可以扩大产生的5 dB的较高灵敏度等级噪声。

1 介绍

山体滑坡又称为滑坡破坏或山体破坏，可定义为沿斜坡向下移动岩石或碎片。换句话说，滑坡是斜坡从稳定状态到不稳定状态的变化。山体滑坡可能由于自然现象和人类活动而发生。造成山体滑坡的自然因素是地震、地下水、侵蚀和火山爆发。而导致山体滑坡的人类行为则是森林砍伐、施工、爆破、土方和机械振动。马来西亚最早在1969年发生了山体滑坡，发生地点在彭亨。现在共记录了十七次山体滑坡，最近一次发生在雪兰莪州。这种自然灾害让人们受伤并丧生，并对环境基础设施造成了巨大的损害，这些会为经济复苏带来很多影响。发明滑坡预警系统的目的是为了减少上述所有风险。事实上，许多人可以免于成为这种自然灾害的受害者。近年来发布了许多关于这个山体滑坡预警系统的研究论文，以开发最可靠和最有效的系统，以便发生这种危害时，提前在易发区域警告人们。 本文旨在设计一种振动报警器，并研究其不同参数，以提高其使用现成商用材料检测滑坡的能力。通过研究传感器外壳的最佳传感结构尺寸以获得最大声学密度，从而确定可以检测地面移动的传感器类型，并决定使用振动传感器SW-420。接下来，为了提高振动的准确性和强度，先把碎石放置在管道内，然后再埋入地下之。事实上，在这之前已经进行了几项实验来研究这个问题，并且获得了肯定的结果。最后，在找到管道的最佳尺寸时，针对四种长度不同、三种直径不同的管道进行了大量实验。本文的结构如下。第2部分简要回顾了最近用于滑坡检测的不同项目。第3节介绍了方法。第4节介绍结果和讨论。第6部分总结了论文。

2 文献讨论

滑坡传感器的发展每天都在不断提高，以便产生最可靠和有效的滑坡检测系统，从而可以用来警示易发区域的人员。目前从大量关于滑坡传感器的研究中可以发现，一般来说，它们在两个重要方面有所不同。一方面是项目中使用的传感器或传感器的类型，另一方面是从传感器节点到基本单元的数据传输。鉴于这些观点，本章将结合他们的研究成果，对这两个重要方面进行全面审查。滑坡可以被描述为由地震、降雨或快速融雪引起的土壤、碎片或岩石向下移动的斜坡^[1,2]。自50年前以来，地面运动的速度从最慢变为非常缓慢^[3]。换句话说，山体滑坡的速度在不断增加。近年来山体滑坡已经影响到世界上许多国家，事实上已经危及甚至杀死了许多人的生命并破坏了环境。因此，关于易发地区滑坡稳定状态的实时数据传输已成为研究领域的一个主要问题，人们希望能够开发出高效的滑坡预警系统。滑坡监测系统需要进行实验性研究，从而可以在这些传感器被部署在俯卧位区域之前，测试传感器以及从传感器节点传输到基本单元的数据。然而，为了更精确的工作，需要在进行任何实验之前完成滑坡测绘图。滑坡测绘有助于识别敏感滑坡的确切区域，从而确定传感器部署的正确位置。对滑坡及其内在控制因素（如岩性，高度和坡度）上复杂的相互作用的深入研究，对于预测滑坡的空间和时间是非常有益的^[4]。数据传输实际上是从传感器节点到基本单元的通信，它能让基地单位知道什么时候地面有变化。目前，无线传感器节点（WSN）由于其强大的实时传输数据能力而被广泛使用。一旦基地单位收到数据则表明有可能发生山体滑坡，预警系统（EWS）就发挥重要作用，提醒人们以拯救他们的生命。EWS可以传播有意义的警告信息，以使附近的人员能够准备并采取相应的行动，从而减少危险或死亡的可能性^[5]。当超过阈值时，EWS在计算机上闪烁红灯，人们可以通过短信或警笛发出警告。当这种情况发生时，这些人提前被通知他们面临的危害，知道采取适当的行动^[5]。这个报警系统非常重要，因为这是警告易发地区的人们自然灾害即将发生并且他们的生命处于危险中的唯一途径。当警报产生时，危险仍处于早期阶段，在灾难发生之前，人们可以有足够的时间来保全自己的生命和宝贵的财物，如身份证、银行卡、手机等也很重要。由于本文的重点是传感器本身，因此我们将讨论限制于此。

传感器类型

在以往多篇研究论文中，已经引入了不同类型的传感器用于滑坡检测。第一种传感器称为振动传感器，用于感测地面的任何运动。Biansoongnern，Plungkang，＆Susuk（2016）建议将SHOCK-801S振动传感器置于不锈钢管内^[6]。然后将管道与传感器一起埋在地下。这种管道的使用可以防止传感器在滑坡现象期间破裂。另一方面，Woo ^[2]声称滑坡可以被202双轴加速度计ADXL检测到，用于测量倾斜角度和地面运动的加速度。除此之外，Woo（2016）进行了多次实验以确认该传感器检测地面运动的能力^[2]。图1显示了不同类型的传感器。

图1 从左至右：振动传感器（SHOCK-801S）^[6]，加速度计传感器（ADXL 202双轴加速计）^[2]，引伸计和倾斜传感器

然而，引伸计可以用来测量斜坡表面的位移，倾斜仪可以用来测量斜坡的运动。最重要的是，对于缓慢而突然的地面移动，倾斜仪是最好的选择^[7,1]。除了地心引力外，降雨也可能引发地面运动或滑坡^[6]。 滑坡可能由高强度降雨或中等强度的延长降雨造成^[1]。为此，在滑坡监测系统中考虑了受地面运动影响的其他参数，例如孔隙水压力、降雨强度、土压力和地表位移等^[7]。正如文献^[1,7]所建议的，渗压计、电介质湿度传感器、孔隙压力计、应变计和雨量计等传感器对于测量土壤孔隙压力和含水量等参数非常有用。

表1 传感器及其功能

3 实验和方法

用于检测地面移动的传感器属于振动传感器SW-420，称为高灵敏度传感器。没有振动时，输出信号为低电平，LED不亮。当出现振动时，输出信号为高电平，LED将亮起。如图2所示，振动模块由传感器本身、LM393芯片和电位计组成。LM393芯片是一个比较器，如果超过了阈值，它将检测振动。该阈值可以通过电位器进行调整。顺时针旋转电位器会降低灵敏度，而逆时针方向会增加灵敏度。使用PVC管来放置传感器，并且进行多次实验以确定产生最高振动强度时长度和直径的最佳尺寸。至于实时数据传输，在这种自然灾害发生之前，将数据从传感器传输到基本单元非常重要。因此，无线传感器网络（WSN）是将数据从传感器瞬间传输到基站的最佳选择。Wi-Fi模块ESP 8266用于从传感器读取数据并将数据传输到基本单元。当发生山体滑坡时，还需要有效的警报系统以提醒附近的人们。如果这些人收到这个警报，可以挽救许多生命和宝贵的财产。

图2 振动传感器模块SW-420

使用长度为1m、2m和3m及直径为15mm、32mm、50mm和80mm的现成PVC管，然后测试哪一个最适合将传感器和一些碎石放置其中并埋在地下。当地面发生移动时，管道内的碎石也会移动，撞击管道内壁，从而产生由振动传感器感测到的振动。除此之外，使用这种管道的其他优点是，它可以在滑坡期间保护传感器，使其在滑坡现象期间可以持续运行。有三个不同的实验进行，进行的第一个实验来测试传感器的功能。这个实验的目的是测试传感器的功能，传感器在管道上有运动时获得一个测量结果，并且在没有运动施加到管道上时不记录任何测量结果。进行的第二个实验来确定哪个管道位置产生更高的振动测量结果，以测试管道内的碎石是否可以增加振动测量值。进行第三个实验来找出管道的长度和直径的最佳尺寸。实验中使用的组件有：振动模块传感器（SW-420）、LED、Arduino UNO板、跳线、PVC管、碎石和笔记本电脑。

表2 管道的尺寸

图3 实验中使用的组件（SW-420、跳线、LED、Arduino Uno电路板）

为了测试传感器的功能，组件连接到笔记本电脑，传感器放置在直径为15毫米的2米管道内。该代码使用Arduino软件进行编译和上传。单击Arduino软件上的串行监视器获取传感器的测量结果，记录测量结果10秒钟。其次，当水平和垂直铺设管道时，对于不同长度和直径的管道，采用碎石管和无碎石管进行振动强度测试。

图4 实验1和实验2水平放置管道的实验设置

通过前后和上下晃动管道10秒钟，以达到垂直和水平地引起振动的效果。为了在长度和直径方面找到管道的最佳尺寸，将10个碎石放入待测试的不同管道内以引起更强的振动效果。

图5 垂直固定管道的实验2的实验设置

4 结果与讨论

记录的所有测量结果都以图片形式呈现，以便更好地观察和比较。

实验1：测试传感器的功能

图1：（a）没有运动施加到管道上时的振动测量（b）当运动施加到管道上时的振动测量。

根据图1（a），实验1没有记录测量结果，因为没有运动施加到管道上。当有管道运动时，测量结果记录如图1（b）所示。 因此，可以确认该传感器工作正常，因此可以用于下一个实验。

实验2：当管子处于水平和垂直位置时，用管内碎石和无碎石来测试振动强度

表3 管道水平和垂直位置的数据比较

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