北大溜河洪水智能預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

徐紅衛(wèi)

（金鄉(xiāng)縣水利事業(yè)發(fā)展中心，山東 濟(jì)寧 272200）

1 概述

洪水災(zāi)害具有復(fù)雜性、不確定性、動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)[1]，且突發(fā)性強(qiáng)，難以預(yù)測(cè)，因此設(shè)計(jì)洪水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)十分必要[2]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)洪水預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，取得了一系列成果。李福仲等[3]針對(duì)郭家村水庫(kù)流域的實(shí)際情況，建立了郭家村水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)調(diào)度模型；劉云[4]以無(wú)線技術(shù)和GSM為信息媒介，介紹了一種洪水預(yù)警系統(tǒng)的原型；劉剛[5]選定適合流域特性的洪水預(yù)警預(yù)報(bào)模型，引入數(shù)字高程（DEM）等技術(shù)研制引漢濟(jì)渭工程洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)；陸瑤等[6]以2015 年法國(guó)Alpes-Maritimes 省山洪事件為例，介紹預(yù)報(bào)鏈的預(yù)報(bào)流程，開發(fā)一個(gè)山洪實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)；寇嘉瑋[7]采用WebGIS與水文學(xué)、水力學(xué)模型相結(jié)合，將一二維耦合的水動(dòng)力學(xué)模型內(nèi)嵌于B/S系統(tǒng)進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)預(yù)警的方法，開發(fā)了基于WebGIS的洪澤湖地區(qū)洪水預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)；楊浩淼等[8]模擬道路建設(shè)前后嫩江灣濕地在20、50 a一遇洪水下的演進(jìn)情況，分析濕地的壅水影響；徐琦良等[9]基于SSH框架，采用My SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，綜合應(yīng)用Arc GIS API for Javascript、Java Script（JS）、HTML5、CSS等技術(shù)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)與預(yù)警Web GIS 系統(tǒng)；高琴等[10]開發(fā)了基于GSM 通信的山洪監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)由嵌入式μC/OS 創(chuàng)建人機(jī)交互界面，采用液晶觸摸顯示屏實(shí)時(shí)顯示水位數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)警操作。

本文建立了一種不依賴移動(dòng)塔的預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括發(fā)射站和接收站、壓力傳感器、集成板、Arduino Uno。數(shù)據(jù)傳輸采用先進(jìn)的ZigBee 收發(fā)器，用于接收數(shù)據(jù)并連接到平板電腦上。此外，還增加GSM 模塊和Android 應(yīng)用程序，用于在居民手機(jī)端發(fā)送短信。研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

2 工程概況

北大溜河地處淮河流域南四湖西部，位于金鄉(xiāng)縣東北部，跨越金鄉(xiāng)、中區(qū)2個(gè)縣市區(qū)，全長(zhǎng)26.5 km，流域面積111.9 km2，其中金鄉(xiāng)縣境內(nèi)長(zhǎng)20.0 km、流域面積75.88 km2。本流域?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)氣候區(qū)，四季分明，其特點(diǎn)是春季多風(fēng)，雨少易旱；夏季濕熱，多雨易澇；秋季天高氣爽，旱澇相間；冬季寒冷干燥，雨雪稀少。多年平均降雨量673.9 mm，且多集中在汛期，6—9 月占全年降雨量的70%以上，降雨量的年內(nèi)和年際變化較大，以至出現(xiàn)春旱秋澇、秋后又旱、連續(xù)干旱和連續(xù)洪澇的現(xiàn)象。地下水主要為第四系松散巖類孔隙水，包括微承壓水、中深層承壓水、深層承壓水3種地下水類型，主要分布在沖洪積、湖積平原的第四系松散堆積層中。含水層巖性主要為黏土（含裂隙）、壤土、砂壤土、細(xì)砂，含水層分布連續(xù)性較差、均勻性差。

3 預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文的預(yù)警系統(tǒng)包括洪水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和警報(bào)系統(tǒng)。擬建系統(tǒng)不依賴移動(dòng)塔，即使在沒有互聯(lián)網(wǎng)的情況下也能正常工作，耗電量較小，警報(bào)指示直接發(fā)送給當(dāng)?shù)鼐用?，避免了延遲。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)沒有復(fù)雜的計(jì)算，可以避免程序出現(xiàn)漏洞。擬設(shè)計(jì)的預(yù)警系統(tǒng)有2個(gè)站，一個(gè)是發(fā)射站，另一個(gè)是接收站。發(fā)射站包括固定在長(zhǎng)管道上的壓力傳感器，該傳感器與集成板Arduino Uno 相連。帶有壓力傳感器的管道被放置在千斤頂井內(nèi)，在千斤頂井外側(cè)連接電站。數(shù)據(jù)傳輸采用ZigBee收發(fā)器。ZigBee收發(fā)器用于接收數(shù)據(jù)并連接到平板電腦上。GSM 模塊用于在居民手機(jī)端發(fā)送短信。當(dāng)手機(jī)端出現(xiàn)提醒消息時(shí)，Android 應(yīng)用程序?qū)⒈患せ?。在此期間，手機(jī)會(huì)震動(dòng)并發(fā)出警報(bào)聲。

3.1 ZigBee

ZigBee從一個(gè)站到另一個(gè)站的傳輸距離為70 m。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，通過從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，也可以實(shí)現(xiàn)比這更長(zhǎng)的距離。ZigBee 設(shè)備主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)吞吐量低的領(lǐng)域。數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式傳輸，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度最大為128 字節(jié)，而允許有效負(fù)載為104 字節(jié)，該大小可以根據(jù)IEEE中的應(yīng)用支持而變化。ZigBee 傳輸網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 ZigBee傳輸網(wǎng)絡(luò)

3.2 GSM模塊

GSM/GPRS 調(diào)制解調(diào)器RS232 采用雙頻GSM/GPRS 引擎，SIM900A 工作頻率為900/1 800 MHz，系統(tǒng)配有支持RS232 接口的調(diào)制解調(diào)器，因此可以使用MAX232 芯片將其與計(jì)算機(jī)以及微控制器連接。GSM/GPRS 調(diào)制解調(diào)器有一個(gè)內(nèi)部TCP/IP 協(xié)議棧，允許用戶通過GPRS 連接到互聯(lián)網(wǎng)，有助于發(fā)送移動(dòng)通信短信、語(yǔ)音通話。車載穩(wěn)壓電源能夠連接多種非穩(wěn)壓電源。所有的事情都可以通過使用簡(jiǎn)單的AT命令來(lái)完成。GSM模塊-SIM900A，如圖2所示。

圖2 GSM模塊-SIM900A

3.3 Android

Android 是谷歌設(shè)計(jì)的移動(dòng)操作系統(tǒng)，屬于修改的Linux 內(nèi)核版本，主要用于智能手機(jī)和桌面等便攜式觸摸屏應(yīng)用。Android SDK 提供了使用Java 編程語(yǔ)言開發(fā)Android 平臺(tái)應(yīng)用程序所需的工具和API。Android有一個(gè)大的開發(fā)者社區(qū)可以編寫擴(kuò)展Device Function 的應(yīng)用程序。Android系統(tǒng)目前可以訪問超過10 億個(gè)應(yīng)用程序。Android 的默認(rèn)用戶界面可以直接操作，使用與真實(shí)世界行為（如擦拭、輕敲、擠壓和反向擠壓）相對(duì)應(yīng)的松散觸摸輸入，通過虛擬鍵盤在屏幕上操作藍(lán)牙或USB。用戶輸入的反應(yīng)是即時(shí)的，并提供了一個(gè)流暢的觸摸界面，通常使用設(shè)備的振動(dòng)能力向用戶提供觸覺反饋。系統(tǒng)傳感器連接方式，如圖3 所示。這里的傳感器是一個(gè)壓力傳感器BMP280，由微控制器Arduino 控制，220 V的電源被轉(zhuǎn)換為5、3 V，根據(jù)應(yīng)用而定。此轉(zhuǎn)換由電壓轉(zhuǎn)換器模塊完成。

圖3 系統(tǒng)傳感器連接方式

在這2 個(gè)站點(diǎn)，ZigBee 都處于路由器模式。這意味著我們可以增加站點(diǎn)的數(shù)量，對(duì)于每個(gè)站點(diǎn)，Zigbee 都將處于外部模式。傳感器數(shù)據(jù)為壓力，該壓力通過以下公式轉(zhuǎn)換：

式中：h為壓頭（m）；g為重力加速度（m/s2）。由式（1）得到的水位單位是cm，這將在Arduino 編程中完成。程序中設(shè)置了上一次洪水水位的閾值水位，當(dāng)計(jì)算水位達(dá)到該閾值以上時(shí)，將發(fā)布警報(bào)。

服務(wù)器站的框圖，如圖4 所示。平板電腦微控制器用于從ZigBee 采集水位數(shù)據(jù)，并將其和特定站點(diǎn)的閾值進(jìn)行比較。微控制器有CSV 文件，其中存儲(chǔ)了每個(gè)站點(diǎn)的居民手機(jī)號(hào)碼。這些CSV 文件是在微控制器中制作的。如果1 號(hào)站點(diǎn)出現(xiàn)危險(xiǎn)情況，則GSM 模塊將使用1 號(hào)站點(diǎn)的CSV 文件向移動(dòng)設(shè)備1 號(hào)站點(diǎn)發(fā)送消息。根據(jù)該服務(wù)器，工作站將在給定CSV 文件路徑的情況下使用微控制器腳本。數(shù)據(jù)站從ZigBee接收到的數(shù)據(jù)延遲3 s。

圖4 服務(wù)器站的框圖

4 預(yù)警系統(tǒng)集成

1 號(hào)站點(diǎn)和2 號(hào)站點(diǎn)預(yù)警系統(tǒng)實(shí)體裝置，如圖5所示。

圖5 1號(hào)站點(diǎn)和2號(hào)站點(diǎn)預(yù)警系統(tǒng)實(shí)體裝置

該裝置有2 個(gè)LED，一個(gè)是紅色的，另一個(gè)是綠色的，分別指示系統(tǒng)開/關(guān)和數(shù)據(jù)/校準(zhǔn)。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)紅色LED 將點(diǎn)亮，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸開始時(shí)綠色LED將點(diǎn)亮。下面的紅色按鈕用于校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)校準(zhǔn)只是設(shè)置初始水位，正常水位為0。2個(gè)站點(diǎn)都有相同的電路和相同的工作方式。用戶可以增加更多的站點(diǎn)來(lái)預(yù)測(cè)洪水，所有站點(diǎn)內(nèi)部都具有相同的電路結(jié)構(gòu)。這些站點(diǎn)采用220 V 電源，由電壓調(diào)節(jié)器模塊根據(jù)每個(gè)模塊電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

服務(wù)器站模型的外部視圖顯示4 個(gè)紅色指示燈，表示系統(tǒng)開/關(guān)、1 號(hào)站點(diǎn)開/關(guān)、2 號(hào)站點(diǎn)開/關(guān)和警報(bào)。當(dāng)服務(wù)器啟動(dòng)時(shí)，第一個(gè)LED 將發(fā)光。當(dāng)1號(hào)站點(diǎn)或2 號(hào)站點(diǎn)接通時(shí)，第二個(gè)和第三個(gè)LED 將分別點(diǎn)亮。當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)級(jí)別時(shí)，警報(bào)LED 將發(fā)光。服務(wù)器站的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括GSM 模塊和ZigBee 連接器。充電器模塊（白色）用于供電。

5 預(yù)警系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

北大溜河正常水位和預(yù)警水位的系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果，如圖6所示。

圖6 北大溜河正常水位和預(yù)警水位的系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

由圖6 可知，當(dāng)水位為正常水位時(shí)，首先2 個(gè)LED 將亮起，以顯示1 號(hào)站點(diǎn)或2 號(hào)站點(diǎn)或2 個(gè)站點(diǎn)是否已打開，由于水位正常，警報(bào)LED 將熄滅，系統(tǒng)運(yùn)行正常。當(dāng)水位為預(yù)警水位時(shí)，2 號(hào)站點(diǎn)警報(bào)指示燈亮起，最后一種情況發(fā)生在2 個(gè)站點(diǎn)都處于預(yù)警水位時(shí)，指示燈亮起。服務(wù)器站顯示，當(dāng)1號(hào)站點(diǎn)處于洪泛狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)指示燈、1 號(hào)站點(diǎn)和警報(bào)LED將發(fā)光；當(dāng)2號(hào)站點(diǎn)處于洪泛狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)、2號(hào)站點(diǎn)和警報(bào)LED將發(fā)光。

此外，在洪水來(lái)臨前，當(dāng)出現(xiàn)警報(bào)條件時(shí)，Android應(yīng)用程序?qū)@示警報(bào)消息。Android應(yīng)用程序在手機(jī)短信上工作。當(dāng)手機(jī)收到洪水信息時(shí)，應(yīng)用程序顯示警示標(biāo)語(yǔ)。在這個(gè)過程中，手機(jī)會(huì)震動(dòng)，發(fā)出警報(bào)。

6 結(jié)論

洪水是一種不易預(yù)測(cè)的自然災(zāi)害，但可以通過開發(fā)預(yù)警系統(tǒng)，為當(dāng)?shù)鼐用裉峁┰缙谛畔?。本文建立了一種不依賴移動(dòng)塔的預(yù)警系統(tǒng)，包括發(fā)射站和接收站、壓力傳感器、集成板、Arduino Uno。數(shù)據(jù)傳輸采用先進(jìn)的ZigBee 收發(fā)器，用于接收數(shù)據(jù)并連接到平板電腦上。此外，還增加GSM 模塊和Android應(yīng)用程序，用于在居民手機(jī)端發(fā)送短信。最后通過在北大溜河正常水位和危險(xiǎn)水位測(cè)試表明，當(dāng)系統(tǒng)在河流水位處于危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，警報(bào)LED 能迅速亮起，Android 應(yīng)用程序能夠及時(shí)發(fā)出危險(xiǎn)警報(bào)，因此可以看出本文設(shè)計(jì)的洪水預(yù)警系統(tǒng)便捷有效，能夠起到提前疏散人員的預(yù)警作用，值得推廣應(yīng)用。