北大溜河洪水智能預警系統設計研究

徐紅衛

（金鄉縣水利事業發展中心，山東 濟寧 272200）

1 概述

洪水災害具有復雜性、不確定性、動態性等特點[1]，且突發性強，難以預測，因此設計洪水災害預警系統十分必要[2]。目前國內外對洪水預警系統進行了大量研究，取得了一系列成果。李福仲等[3]針對郭家村水庫流域的實際情況，建立了郭家村水庫洪水預報調度模型；劉云[4]以無線技術和GSM為信息媒介，介紹了一種洪水預警系統的原型；劉剛[5]選定適合流域特性的洪水預警預報模型，引入數字高程（DEM）等技術研制引漢濟渭工程洪水預報系統；陸瑤等[6]以2015 年法國Alpes-Maritimes 省山洪事件為例，介紹預報鏈的預報流程，開發一個山洪實時預報預警系統；寇嘉瑋[7]采用WebGIS與水文學、水力學模型相結合，將一二維耦合的水動力學模型內嵌于B/S系統進行洪水預報預警的方法，開發了基于WebGIS的洪澤湖地區洪水預報預警系統；楊浩淼等[8]模擬道路建設前后嫩江灣濕地在20、50 a一遇洪水下的演進情況，分析濕地的壅水影響；徐琦良等[9]基于SSH框架，采用My SQL數據庫，綜合應用Arc GIS API for Javascript、Java Script（JS）、HTML5、CSS等技術，設計并開發了實時洪水預報與預警Web GIS 系統；高琴等[10]開發了基于GSM 通信的山洪監測預警系統，該系統由嵌入式μC/OS 創建人機交互界面，采用液晶觸摸顯示屏實時顯示水位數據并進行預警操作。

本文建立了一種不依賴移動塔的預警系統，該系統包括發射站和接收站、壓力傳感器、集成板、Arduino Uno。數據傳輸采用先進的ZigBee 收發器，用于接收數據并連接到平板電腦上。此外，還增加GSM 模塊和Android 應用程序，用于在居民手機端發送短信。研究成果可為相關工程提供參考。

2 工程概況

北大溜河地處淮河流域南四湖西部，位于金鄉縣東北部，跨越金鄉、中區2個縣市區，全長26.5 km，流域面積111.9 km2，其中金鄉縣境內長20.0 km、流域面積75.88 km2。本流域屬暖溫帶半濕潤氣候區，四季分明，其特點是春季多風，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，降雨量的年內和年際變化較大，以至出現春旱秋澇、秋后又旱、連續干旱和連續洪澇的現象。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、細砂，含水層分布連續性較差、均勻性差。

3 預警系統設計

本文的預警系統包括洪水監測系統和警報系統。擬建系統不依賴移動塔，即使在沒有互聯網的情況下也能正常工作，耗電量較小，警報指示直接發送給當地居民，避免了延遲。設計的系統沒有復雜的計算，可以避免程序出現漏洞。擬設計的預警系統有2個站，一個是發射站，另一個是接收站。發射站包括固定在長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，在千斤頂井外側連接電站。數據傳輸采用ZigBee收發器。ZigBee收發器用于接收數據并連接到平板電腦上。GSM 模塊用于在居民手機端發送短信。當手機端出現提醒消息時，Android 應用程序將被激活。在此期間，手機會震動并發出警報聲。

3.1 ZigBee

ZigBee從一個站到另一個站的傳輸距離為70 m。在網絡拓撲中，通過從一個節點到另一個節點的數據傳輸，也可以實現比這更長的距離。ZigBee 設備主要應用于數據吞吐量低的領域。數據以數據包的形式傳輸，數據包長度最大為128 字節，而允許有效負載為104 字節，該大小可以根據IEEE中的應用支持而變化。ZigBee 傳輸網絡，如圖1所示。

圖1 ZigBee傳輸網絡

3.2 GSM模塊

GSM/GPRS 調制解調器RS232 采用雙頻GSM/GPRS 引擎，SIM900A 工作頻率為900/1 800 MHz，系統配有支持RS232 接口的調制解調器，因此可以使用MAX232 芯片將其與計算機以及微控制器連接。GSM/GPRS 調制解調器有一個內部TCP/IP 協議棧，允許用戶通過GPRS 連接到互聯網，有助于發送移動通信短信、語音通話。車載穩壓電源能夠連接多種非穩壓電源。所有的事情都可以通過使用簡單的AT命令來完成。GSM模塊-SIM900A，如圖2所示。

圖2 GSM模塊-SIM900A

3.3 Android

Android 是谷歌設計的移動操作系統，屬于修改的Linux 內核版本，主要用于智能手機和桌面等便攜式觸摸屏應用。Android SDK 提供了使用Java 編程語言開發Android 平臺應用程序所需的工具和API。Android有一個大的開發者社區可以編寫擴展Device Function 的應用程序。Android系統目前可以訪問超過10 億個應用程序。Android 的默認用戶界面可以直接操作，使用與真實世界行為（如擦拭、輕敲、擠壓和反向擠壓）相對應的松散觸摸輸入，通過虛擬鍵盤在屏幕上操作藍牙或USB。用戶輸入的反應是即時的，并提供了一個流暢的觸摸界面，通常使用設備的振動能力向用戶提供觸覺反饋。系統傳感器連接方式，如圖3 所示。這里的傳感器是一個壓力傳感器BMP280，由微控制器Arduino 控制，220 V的電源被轉換為5、3 V，根據應用而定。此轉換由電壓轉換器模塊完成。

圖3 系統傳感器連接方式

在這2 個站點，ZigBee 都處于路由器模式。這意味著我們可以增加站點的數量，對于每個站點，Zigbee 都將處于外部模式。傳感器數據為壓力，該壓力通過以下公式轉換：

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。程序中設置了上一次洪水水位的閾值水位，當計算水位達到該閾值以上時，將發布警報。

服務器站的框圖，如圖4 所示。平板電腦微控制器用于從ZigBee 采集水位數據，并將其和特定站點的閾值進行比較。微控制器有CSV 文件，其中存儲了每個站點的居民手機號碼。這些CSV 文件是在微控制器中制作的。如果1 號站點出現危險情況，則GSM 模塊將使用1 號站點的CSV 文件向移動設備1 號站點發送消息。根據該服務器，工作站將在給定CSV 文件路徑的情況下使用微控制器腳本。數據站從ZigBee接收到的數據延遲3 s。

圖4 服務器站的框圖

4 預警系統集成

1 號站點和2 號站點預警系統實體裝置，如圖5所示。

圖5 1號站點和2號站點預警系統實體裝置

該裝置有2 個LED，一個是紅色的，另一個是綠色的，分別指示系統開/關和數據/校準。當系統啟動時紅色LED 將點亮，當數據傳輸開始時綠色LED將點亮。下面的紅色按鈕用于校準數據。數據校準只是設置初始水位，正常水位為0。2個站點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來預測洪水，所有站點內部都具有相同的電路結構。這些站點采用220 V 電源，由電壓調節器模塊根據每個模塊電源進行轉換。

服務器站模型的外部視圖顯示4 個紅色指示燈，表示系統開/關、1 號站點開/關、2 號站點開/關和警報。當服務器啟動時，第一個LED 將發光。當1號站點或2 號站點接通時，第二個和第三個LED 將分別點亮。當發生危險級別時，警報LED 將發光。服務器站的內部結構包括GSM 模塊和ZigBee 連接器。充電器模塊（白色）用于供電。

5 預警系統測試結果

北大溜河正常水位和預警水位的系統測試結果，如圖6所示。

圖6 北大溜河正常水位和預警水位的系統測試結果

由圖6 可知，當水位為正常水位時，首先2 個LED 將亮起，以顯示1 號站點或2 號站點或2 個站點是否已打開，由于水位正常，警報LED 將熄滅，系統運行正常。當水位為預警水位時，2 號站點警報指示燈亮起，最后一種情況發生在2 個站點都處于預警水位時，指示燈亮起。服務器站顯示，當1號站點處于洪泛狀態時，系統指示燈、1 號站點和警報LED將發光；當2號站點處于洪泛狀態時，系統、2號站點和警報LED將發光。

此外，在洪水來臨前，當出現警報條件時，Android應用程序將顯示警報消息。Android應用程序在手機短信上工作。當手機收到洪水信息時，應用程序顯示警示標語。在這個過程中，手機會震動，發出警報。

6 結論

洪水是一種不易預測的自然災害，但可以通過開發預警系統，為當地居民提供早期信息。本文建立了一種不依賴移動塔的預警系統，包括發射站和接收站、壓力傳感器、集成板、Arduino Uno。數據傳輸采用先進的ZigBee 收發器，用于接收數據并連接到平板電腦上。此外，還增加GSM 模塊和Android應用程序，用于在居民手機端發送短信。最后通過在北大溜河正常水位和危險水位測試表明，當系統在河流水位處于危險狀態時，警報LED 能迅速亮起，Android 應用程序能夠及時發出危險警報，因此可以看出本文設計的洪水預警系統便捷有效，能夠起到提前疏散人員的預警作用，值得推廣應用。