基于超聲波傳感器和無線技術(shù)的洪水預(yù)警系統(tǒng)

劉云

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京，100038；

2.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京，100038)

1 引言

洪水災(zāi)害主要指由于大量降水引起的洪水給人類的正常生產(chǎn)生活等帶來了災(zāi)難與損失，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]。北京市沿江地區(qū)因其地理和地質(zhì)環(huán)境的特殊性，是洪水災(zāi)害多發(fā)地區(qū)。洪水災(zāi)害隨時(shí)可能發(fā)生，給社會(huì)帶來不利影響，特別是對(duì)生活在河流周圍的人們[2]。因此，有必要設(shè)計(jì)一個(gè)在洪水災(zāi)害發(fā)生前向人民群眾提供預(yù)警的系統(tǒng)，洪水預(yù)警系統(tǒng)的目的是減少洪災(zāi)的影響范圍和社會(huì)遭受的物質(zhì)損失。目前，已有許多種類型的洪水預(yù)警系統(tǒng)，例如：李麗娜等[3]以連云港市海州區(qū)為例，在通過研究建立相應(yīng)的預(yù)警體制和機(jī)制基礎(chǔ)上，提出對(duì)該地區(qū)進(jìn)行合理水雨情及視頻監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的布設(shè)。預(yù)警系統(tǒng)需要一個(gè)位置作為水位參考，它可以是水閘，也可以是大壩，因?yàn)槊總€(gè)水閘或大壩都有不同的蓄水狀態(tài)。本文介紹了一種利用無線技術(shù)和短信作為信息傳播媒介的洪水預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用三個(gè)傳感器來提高測(cè)量精度，其中兩個(gè)超聲波傳感器用于測(cè)量水位，一個(gè)水流傳感器用于測(cè)量流量。

2 預(yù)警狀態(tài)

通?？梢酝ㄟ^對(duì)河流的水位站信息的分析，獲得洪水預(yù)警的不同狀態(tài)。每個(gè)水庫都有不同的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，其取決于河流的深度[4]。有四種類型的警告狀態(tài)：(1)待命-Ⅳ狀態(tài)，沒有明顯增加的流量；(2)待命-Ⅲ狀態(tài)，當(dāng)降雨導(dǎo)致水閘的水量增加，但情況仍然不危急或危險(xiǎn)，但是，如果官方宣布預(yù)警待命Ⅲ，公眾應(yīng)該保持警惕，從洪災(zāi)的各種可能性出發(fā)做好一切準(zhǔn)備；(3)待命-Ⅱ狀態(tài)，降雨導(dǎo)致河道內(nèi)流量開始增大；(4)待命-Ⅰ狀態(tài)，水流保持在待命-Ⅱ狀態(tài)超過6個(gè)小時(shí)，甚至是更嚴(yán)重的情況。

3 試驗(yàn)方法和內(nèi)容

試驗(yàn)的原型是由兩臺(tái)HC-SR04型超聲波傳感器作為水位探測(cè)傳感器、一臺(tái)YF-S201型流量傳感器測(cè)量流量，微控制器作為控制系統(tǒng)，無線發(fā)射機(jī)和接收機(jī)模塊、GSM sim900A模塊發(fā)送洪水信息和蜂鳴器作為水位指示器。

3.1 超聲波傳感器特性研究

超聲波傳感器的特性試驗(yàn)，如圖1所示，以確定傳感器的有效范圍，并確定超聲波傳感器的分辨率[5]。本次測(cè)量得到兩個(gè)傳感器的距離范圍為14cm～250cm，最大相對(duì)誤差為4.33%，傳感器檢測(cè)到的最小距離為0.5cm，最大相對(duì)誤差為1.2%。根據(jù)原型尺度對(duì)不同待命狀態(tài)下的水位條件進(jìn)行了優(yōu)化，通過優(yōu)化得到的最佳原型比為1∶5。這個(gè)比例將被用來調(diào)整傳感器和水面的距離。

圖1 超聲波傳感器的特征

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)待命-Ⅰ狀態(tài)的水位≥40cm，采用1∶5的比值。因此，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)尺寸為30cm×40cm×50cm的蓄水池。兩個(gè)超聲波傳感器都安裝在距最高水面10cm的一根長(zhǎng)60cm木棍上。表1列出了每個(gè)狀態(tài)下傳感器到水面的距離。

表1 原型的水位

該原型涉及兩個(gè)系統(tǒng)：作為數(shù)據(jù)發(fā)送器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和作為接收器的遠(yuǎn)程警報(bào)系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通信使用了一對(duì)Xbee系列2模塊。因此，在這個(gè)原型上使用了兩個(gè)程序，即監(jiān)控系統(tǒng)上的發(fā)送程序和遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)上的接收程序。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 超聲波傳感器測(cè)量

超聲波傳感器系統(tǒng)對(duì)水庫水面的測(cè)量是在3種不同的條件下進(jìn)行的：條件1使用一個(gè)水源；條件2使用兩個(gè)水源；條件3使用一個(gè)水源和一個(gè)動(dòng)態(tài)的水面。條件1和條件2的水面趨于穩(wěn)定，而條件3的水面是波動(dòng)的、不穩(wěn)定的，因此更接近實(shí)際工況。傳感器1和2在所有3種測(cè)試條件下的測(cè)量結(jié)果如圖2所示。

(a)超聲波傳感器1

(b)超聲波傳感器2

從圖2可以看出，兩個(gè)傳感器都可以正常工作，并檢測(cè)到水庫水位的變化，但在條件3時(shí)的測(cè)量誤差大于在其他條件下的測(cè)量誤差。因?yàn)?，?dāng)物體表面基本上是平整的時(shí)候，傳感器的讀數(shù)會(huì)更精確，即超聲波傳感器在硬而光滑的表面能得到最準(zhǔn)確的讀數(shù)。比較粗糙或柔軟的表面會(huì)降低超聲波傳感器的工作距離和測(cè)量的精度。影響傳感器測(cè)量的另一個(gè)因素是傳感器到物體的距離，傳感器距目標(biāo)的距離增大，會(huì)延長(zhǎng)傳感器發(fā)送讀取結(jié)果的響應(yīng)時(shí)間，使傳感器接收到的回波信號(hào)變得越來越弱；相反，傳感器與物體的距離越近，產(chǎn)生的回波信號(hào)越強(qiáng)。

待命-Ⅰ狀態(tài)下，兩個(gè)傳感器在不同測(cè)量條件的測(cè)量相對(duì)誤差如表2所示。可以看出，在條件3下，對(duì)于移動(dòng)水面，傳感器的測(cè)量誤差較小，總的來說，使用兩個(gè)超聲波傳感器會(huì)提高傳感器的讀取精度，特別是在水面條件不穩(wěn)定的情況下，水位的讀取會(huì)更加精確。

表2 傳感器讀數(shù)的相對(duì)誤差

4.2 測(cè)量流量傳感器

在樣機(jī)中，利用流量傳感器提供水流穩(wěn)定性信息，傳感器測(cè)量結(jié)果如圖3所示。在圖3(a)中，流量隨著水位的升高而減小；另一方面，圖3(b)顯示當(dāng)前水流是比較穩(wěn)定的，這意味著傳感器的輸出在36.3ml～37.8ml范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定，通過傳感器的流量的減少或增加取決于水源的流量。YF-S201型流量傳感器是基于霍爾效應(yīng)現(xiàn)象工作的，流過傳感器的水流會(huì)使傳感器中的葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪的旋轉(zhuǎn)會(huì)在水流傳感器的線圈上產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)將被霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，然后這些脈沖被轉(zhuǎn)換成流量。傳感器讀取的流量值的減小或增大對(duì)水位變化沒有影響，因?yàn)樗牧髁坎]有指示報(bào)警狀態(tài)的變化，它只是提供了流量的附加信息。如果水的流量突然急劇上升，并持續(xù)為高值，它可以是洪水的警告。

(a)不穩(wěn)定水流

(b)穩(wěn)定水流

4.3 Xbee模塊測(cè)試

試驗(yàn)在室內(nèi)無屏障和室外有墻屏障兩種情況下進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果體現(xiàn)了無線能力。Xbee模塊在屏障條件下工作良好，對(duì)于有屏障的情況，Xbee只能接收到遠(yuǎn)至24.3m的數(shù)據(jù)。

4.4 GSM sim900A測(cè)試

該測(cè)試在不同運(yùn)營(yíng)商的5個(gè)不同手機(jī)號(hào)碼上進(jìn)行，從系統(tǒng)在顯示器上發(fā)出“A”字符開始計(jì)算接收消息的速度。

表3 短信速度交付測(cè)試

基于測(cè)試的短信接收最快時(shí)間為8.2s，最長(zhǎng)時(shí)間為33.3s。發(fā)送短信的時(shí)間并不總是恒定的。當(dāng)水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)送該短信時(shí)，接收到消息的電話號(hào)碼將收到一條包含待命-Ⅰ狀態(tài)的短信以及一份水位高度報(bào)告。

4.5 系統(tǒng)總體測(cè)試結(jié)果

根據(jù)所創(chuàng)建的設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行測(cè)試，以確定系統(tǒng)的整體性能。根據(jù)待命狀態(tài)指定的每一個(gè)距離變化都被認(rèn)為是按照軟件的設(shè)計(jì)正確運(yùn)行的。表4顯示所進(jìn)行的測(cè)試符合軟件的設(shè)計(jì)。該樣機(jī)能夠在不穩(wěn)定水位條件下工作，超聲傳感器1的精度達(dá)到97.6%，超聲傳感器2的精度達(dá)到97.2%。多傳感器的使用可以提高該原型的精度，特別是在移動(dòng)的水面條件下。無線技術(shù)的結(jié)合，采用Xbee和GSM模塊，提高了預(yù)警信息的傳輸效率。

表4 系統(tǒng)總體測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

結(jié)合無線技術(shù)、Xbee和GSM模塊的洪水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果良好，提高了報(bào)警信息的傳輸效率。超聲波傳感器可以有效地測(cè)量動(dòng)水面的狀態(tài)。同時(shí)，流量傳感器的測(cè)量可以作為洪水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)中流量變化的附加信息。