降雨自動監測報警機系統設計

摘 要：山洪災害往往造成較大的生命財產損失，特別是在偏遠山區、通訊盲區和比較分散的農村村落，由于缺乏必要的雨水情監測預報設施和預警手段，再加上人們缺少相關的防御常識，使得該類地區的山洪災害尤為嚴重。因此，適時現場提醒可能受到山洪災害威脅的山區群眾警惕山洪暴發，以便隨時準備轉移到安全地帶，顯得尤為重要。降雨自動監測報警機的研究就是針對這一問題而設計的一個適用性較好、制造成本較低、無需安裝，無需操作，無人值守的現場監測預警裝置。文章簡述了系統結構、工作原理和推廣應用價值及前景。

關鍵詞：監測預警；山洪災害；雨量計；報警機；單片機

1 概述

降雨自動監測報警機是一種在山洪災害頻繁發生的地區能夠實現監測降雨量的同時又能實時自動給當地群眾發出轉移預警的報警設備。該警報器將降雨監測與降雨強度分析及預警警報三個部分有機地聯在一起，采用翻斗方式量雨，用單片機對降雨數據進行儲存、分析和判斷，當某一時段累計降雨達到報警門限值時，利用警報器的喇叭發出警報，警告當地群眾警惕可能爆發的山洪，并準備開始組織轉移。

本設備利用太陽能供電，無需外接市電，具有易安裝、易維護，造價低，可長期無費用正常運行等特點。設備適用范圍廣，易大面積部署，特別適合為山區散居人群、駐軍、水庫和交通、林業等部門提供暴雨監測預警服務。

2 系統結構

系統結構主要描述：雨量計，雨量計與雨量采集模塊的輸入端連接，雨量采集模塊的輸入端與監控主機連接；監控主機與報警輸出模塊連接，報警輸出模塊與報警器連接。

其中主機由單片機系統、存儲器、報警輸出模塊、報警設置模塊、電源模塊和雨量采集模塊組成，監控主機原理結構框圖如圖1所示：

降雨自動監測報警機設備采用微功耗設計，具有休眠功能，即無降雨時休眠，降雨時自動激活。電源采用蓄電池和太陽能充電相結合的方式，在非陰雨天氣情況下，通過太陽能板對蓄電池充電，蓄電池可保證在陰雨天氣下30天持續供電，并可警報長鳴。

3 工作原理

降雨自動監測報警機采用翻斗式量雨器收集雨量，采用鐵電存儲器儲存、采用單片機分析和判斷降雨數據，當某一時段累計降雨達到臨界雨量值時就會觸發喇叭報警，警告當地群眾警惕可能爆發的山洪并開始組織轉移。

首先是雨量數據的輸入和采集并存儲到存儲器中（最多可存儲500條雨量信息），以每5毫米雨量間隔對雨量進行1小時、3小時、6小時、12小時、24小時5項報警閥值判斷（報警閥值可預先設定），當達到報警門限時通過報警喇叭發出報警聲音以警告附近的居民做出相應的判斷和反應。工作流程如圖2所示：

降雨自動監測報警機的詳細技術原理由圖3電路原理圖可知。當雨量數據通過接口J2輸入，經光電耦合器IC1 輸入到單片機（CPU）電路IC2。每輸入5毫米降雨量信息，進行一次時間判斷。

其判斷依據如下：①1小時降雨量≥X1（默認值為30毫米，可按5毫米整數倍調整設置）；②3小時降雨量≥X2（默認值為40毫米，可按5毫米整數倍調整設置）；③6小時降雨量≥X3（默認值為60毫米，可按5毫米整數倍調整設置）；④12小時降雨量≥X4（默認值為80毫米，可按5毫米整數倍調整設置）；⑤24小時降雨量≥X5（默認值為100毫米，可按5毫米整數倍調整設置）

降雨量未達到上述5種門限值中的任何一種時，雨量信息存入存儲電路IC3內。IC3可存入雨量信息500條，超出存儲容量后，最早的信息溢出，保存最新信息。內置固態存貯器可記錄暴雨過程，存儲的雨量信息可通過接口J3，采用便攜電腦調取，以便發生災害后對降雨過程進行分析。

降雨量達到上述5種門限值之一時，CPU（IC2）指令三極管Q1導通，繼電器吸合。驅動警笛鳴響，提示本地降雨量已達山洪災害可能發生的門限值。警告附近干部群眾執行山洪災害防御預案，采取防御山洪災害和避災躲災措施。報警機聲響采用雙頻率快速交替鳴響的警笛方式，具有良好的傳播特性和穿透力。每次報警時長默認值為兩分鐘（可在1至10分鐘內設置）。報警間隔由于降雨量/時段判決設計而具有自適應特點，通過報警聲響的疏密情況傳遞降雨強度信息，即：降雨強度越大，報警間隔越密。報警后如沒有雨量信息進入，則一分鐘后自動關閉報警器。根據報警次數可判斷降雨強度，第一次報警為黃色預警，第二次為橙色預警，第三次及以上為紅色預警。

4 技術特點

（1）監測預警信息傳遞實時性強。本技術將把降雨監測、降雨強度分析、現場報警及供電有機的結成一個整體，根據實時收集到的監測數據及時報警，地處偏遠山區和通訊盲區的村民可通過報警器發出的警鳴，采取及時有效措施防災減災，有助于解決監測預警空白區的防災減災問題。（2）制造成本低。目前市面上多采用不銹鋼材料制作雨量計，而本項目采用特殊的工程塑料替代不銹鋼材料制作雨量計，因此該技術產品設計制造和生產成本大大低于市場同類產品，為大面積地推廣應用創造了有利條件。（3）安裝使用方便。該技術產品只需固定在便于聞聲之處，一般放置于村、組防汛責任人的山坡屋頂、房前屋后，只要放平、固定即可，安裝簡單，所占空間小。報警閥值的確定易于操作，不需要更多的專業知識，也不需要經過太多的操作程序，便可達到報警的目的。（4）具有數據存儲功能，可外接計算機提取雨情數據。這便于在強降雨發生后，通過對數據的提取和整理來分析，準確地掌握第一手資料，作出對暴雨山洪降雨強度的正確分析和評價，如暴雨強度的量級，暴雨發生的頻率等等。（5）維護簡單。該技術產品易于拆卸，無需人值守；太陽能供電，在連續陰天的情況能持續供電工作。

5 結束語

降雨自動監測報警機為較偏僻山區提供了一種簡易暴雨監測預警手段，解決了該類地區山洪預警警報難的問題，使以村為單位或以居住群落、村寨為單位進行布點或設置變得可行，從而充分發揮村組自防自救的作用，以達到群防群測的目的。該設備的使用對于保障山丘區群眾免遭山洪災害傷害，避免群死群傷保障人的生命安全具有重大的社會意義。該報警機還曾在2009年湖南省洪江市“7.25”特大洪水災害中發揮了重要作用，且投放布設方便，適合大面積、高密度部署，適用于氣候環境惡劣的各重要部門和散居人群，亦可廣泛用于在建工程工地、山丘區大型礦山、大型企業、機關學校進行降雨觀測和預警警報。此研究成果經有關專家審查鑒定，在山洪災害本地自動預警方面已經達到國際先進水平，在保障國家和人民生命財產方面，凸顯出社會效益和強大的市場競爭力，具有很大的推廣拓展應用價值。

作者簡介：王新奎，男，長沙市長郡中學1102班，2012年11月發明的《一種瞬時單位線電子模型洪災預警機》獲得國家實用新型專利。（專利號：ZL 2012 2 0167662.4）