基于超聲波傳感器和無線技術的洪水預警系統

劉云

(1.中國水利水電科學研究院，北京，100038；

2.水利部防洪抗旱減災工程技術研究中心，北京，100038)

1 引言

洪水災害主要指由于大量降水引起的洪水給人類的正常生產生活等帶來了災難與損失，洪水災害具有復雜性、不確定性、動態性等特點[1]。北京市沿江地區因其地理和地質環境的特殊性，是洪水災害多發地區。洪水災害隨時可能發生，給社會帶來不利影響，特別是對生活在河流周圍的人們[2]。因此，有必要設計一個在洪水災害發生前向人民群眾提供預警的系統，洪水預警系統的目的是減少洪災的影響范圍和社會遭受的物質損失。目前，已有許多種類型的洪水預警系統，例如：李麗娜等[3]以連云港市海州區為例，在通過研究建立相應的預警體制和機制基礎上，提出對該地區進行合理水雨情及視頻監測站點的布設。預警系統需要一個位置作為水位參考，它可以是水閘，也可以是大壩，因為每個水閘或大壩都有不同的蓄水狀態。本文介紹了一種利用無線技術和短信作為信息傳播媒介的洪水預警系統。該系統采用三個傳感器來提高測量精度，其中兩個超聲波傳感器用于測量水位，一個水流傳感器用于測量流量。

2 預警狀態

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

3 試驗方法和內容

試驗的原型是由兩臺HC-SR04型超聲波傳感器作為水位探測傳感器、一臺YF-S201型流量傳感器測量流量，微控制器作為控制系統，無線發射機和接收機模塊、GSM sim900A模塊發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，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]。本次測量得到兩個傳感器的距離范圍為14cm～250cm，最大相對誤差為4.33%，傳感器檢測到的最小距離為0.5cm，最大相對誤差為1.2%。根據原型尺度對不同待命狀態下的水位條件進行了優化，通過優化得到的最佳原型比為1∶5。這個比例將被用來調整傳感器和水面的距離。

圖1 超聲波傳感器的特征

3.2 試驗設計

依據待命-Ⅰ狀態的水位≥40cm，采用1∶5的比值。因此，試驗設計了一個尺寸為30cm×40cm×50cm的蓄水池。兩個超聲波傳感器都安裝在距最高水面10cm的一根長60cm木棍上。表1列出了每個狀態下傳感器到水面的距離。

表1 原型的水位

該原型涉及兩個系統：作為數據發送器的監測系統和作為接收器的遠程警報系統。遠程通信使用了一對Xbee系列2模塊。因此，在這個原型上使用了兩個程序，即監控系統上的發送程序和遠程報警系統上的接收程序。

4 試驗結果及分析

4.1 超聲波傳感器測量

超聲波傳感器系統對水庫水面的測量是在3種不同的條件下進行的：條件1使用一個水源；條件2使用兩個水源；條件3使用一個水源和一個動態的水面。條件1和條件2的水面趨于穩定，而條件3的水面是波動的、不穩定的，因此更接近實際工況。傳感器1和2在所有3種測試條件下的測量結果如圖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，兩個傳感器都可以正常工作，并檢測到水庫水位的變化，但在條件3時的測量誤差大于在其他條件下的測量誤差。因為，當物體表面基本上是平整的時候，傳感器的讀數會更精確，即超聲波傳感器在硬而光滑的表面能得到最準確的讀數。比較粗糙或柔軟的表面會降低超聲波傳感器的工作距離和測量的精度。影響傳感器測量的另一個因素是傳感器到物體的距離，傳感器距目標的距離增大，會延長傳感器發送讀取結果的響應時間，使傳感器接收到的回波信號變得越來越弱；相反，傳感器與物體的距離越近，產生的回波信號越強。

待命-Ⅰ狀態下，兩個傳感器在不同測量條件的測量相對誤差如表2所示?？梢钥闯?，在條件3下，對于移動水面，傳感器的測量誤差較小，總的來說，使用兩個超聲波傳感器會提高傳感器的讀取精度，特別是在水面條件不穩定的情況下，水位的讀取會更加精確。

表2 傳感器讀數的相對誤差

4.2 測量流量傳感器

在樣機中，利用流量傳感器提供水流穩定性信息，傳感器測量結果如圖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)顯示當前水流是比較穩定的，這意味著傳感器的輸出在36.3ml～37.8ml范圍內趨于穩定，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現象工作的，流過傳感器的水流會使傳感器中的葉輪旋轉，葉輪的旋轉會在水流傳感器的線圈上產生磁場，磁場將被霍爾效應轉化為脈沖信號，然后這些脈沖被轉換成流量。傳感器讀取的流量值的減小或增大對水位變化沒有影響，因為水的流量并沒有指示報警狀態的變化，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，并持續為高值，它可以是洪水的警告。

(a)不穩定水流

(b)穩定水流

4.3 Xbee模塊測試

試驗在室內無屏障和室外有墻屏障兩種情況下進行，測試結果體現了無線能力。Xbee模塊在屏障條件下工作良好，對于有屏障的情況，Xbee只能接收到遠至24.3m的數據。

4.4 GSM sim900A測試

該測試在不同運營商的5個不同手機號碼上進行，從系統在顯示器上發出“A”字符開始計算接收消息的速度。

表3 短信速度交付測試

基于測試的短信接收最快時間為8.2s，最長時間為33.3s。發送短信的時間并不總是恒定的。當水位監測系統發送該短信時，接收到消息的電話號碼將收到一條包含待命-Ⅰ狀態的短信以及一份水位高度報告。

4.5 系統總體測試結果

根據所創建的設計軟件進行測試，以確定系統的整體性能。根據待命狀態指定的每一個距離變化都被認為是按照軟件的設計正確運行的。表4顯示所進行的測試符合軟件的設計。該樣機能夠在不穩定水位條件下工作，超聲傳感器1的精度達到97.6%，超聲傳感器2的精度達到97.2%。多傳感器的使用可以提高該原型的精度，特別是在移動的水面條件下。無線技術的結合，采用Xbee和GSM模塊，提高了預警信息的傳輸效率。

表4 系統總體測試結果

5 結論

結合無線技術、Xbee和GSM模塊的洪水災害預警系統測試結果良好，提高了報警信息的傳輸效率。超聲波傳感器可以有效地測量動水面的狀態。同時，流量傳感器的測量可以作為洪水災害預警系統中流量變化的附加信息。