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基于超聲波傳感器和無(wú)線技術(shù)的洪水預(yù)警系統(tǒng)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(lái)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(lái)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(guò)研究建立相應(yīng)的預(yù)警體制和機(jī)制基礎(chǔ)上,提出該地區(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(wú)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(lái)提高測(cè)量精度,其中兩個(gè)超聲波傳器用于測(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) 通常可以通過(guò)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(kù)都有不同的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn),其取決于河流的深度⑷ 。 有四種類型的警告狀態(tài)：（1）待命-W狀態(tài)，沒(méi)有明顯增加的流量；（2）待命-皿狀態(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)警待命皿， 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-n狀態(tài),降雨導(dǎo)致河道內(nèi)流量開(kāi)始增大；（4）待命-I狀態(tài)，水流保持在待命-n狀態(tài)超過(guò)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 3. 1超聲波傳感器特性研究 3. 2試驗(yàn)設(shè)計(jì) 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 兩個(gè)傳感器都可以正常工作，并檢測(cè)到水庫(kù)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)椋?當(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(lái)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。 可以看出，對(duì)于移動(dòng)水面，傳感器的測(cè)量誤差較小,總的來(lái)說(shuō)，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。 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(guò)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(guò)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(méi)有影響，因?yàn)樗牧髁坎](méi)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 試驗(yàn)在室內(nèi)無(wú)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(wú)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(kāi)始計(jì)算接收消息的速度。 基于測(cè)試的短信接收最快時(shí)間為& 2s,最長(zhǎng)時(shí)間為33. 3so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(wú)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。 5結(jié)論 結(jié)合無(wú)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。 參考文獻(xiàn) [1] 王海英.基于降水大數(shù)據(jù)的不同區(qū)域洪水災(zāi)害特征統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].災(zāi)害學(xué),2020,35(04) ： 29-32. |
