基于樹莓派的雨量預警系統

史澤輝　包宸桓　王德貴

本項目的設計理念是通過對數據指標的研判，創建城市內澇風險指數，借助樹莓派系統對降水強度和連續降水量兩個指數進行監測，建立監測指數和風險等級的關系函數，通過智能信息推送系統，在地理空間范圍內將預警信息推送給相關人群，給人們的出行安排和生產生活提供決策參考。

利用雨量傳感器實時測量降水數量，發送數據到樹莓派控制中心。根據短時強降水超限和持續降水超限兩項關鍵要素及時發出藍色警報，通過多種方式提醒相關區域的人們做出應對措施。

利用水位計實時監測排水系統運行情況，根據降水量自動調整排水管道開合力度。在自動調整無以應對的情況下及時發出紅色警報，提醒人們進一步做出應對措施。

同時，通過手動或自動拍照的功能實時傳輸現場的照片給手機端。

本方案以樹莓派為控制核心，基于樹莓派Gdwrobot在線編程平臺和App Inventor軟件開發編程，實現降水及時測量和報警的應用，避免短時強降水和持續大量降水給人們生產生活生命財產造成損失。

整體功能示意圖

樹莓派端功能示意圖

通過Gdwrobot平臺進行在線編程，設備需連接雨量傳感器測量輸入和電壓電流轉換模塊，從而實現把雨量傳感器的電壓電流信號轉換為樹莓派需要的模擬信號，以便進行編程控制。

利用App? Inventor 軟件進行手機APP端功能開發，需要用到MQTT服務器、地圖定位等核心功能，從而實現報警和查看實景等幾項功能（加入4G模塊可實現撥打電話、發送信息等功能）。利用聲光裝置進行報警，可對實地周邊人員進行提醒，加大安全提示力度，最大限度地降低災害風險。

自動閘門功能示意圖

這是后續開發功能，利用水位監測儀實時監測下水道等排水設備運行情況，通過控制中心及時調整泄水閘門開合度，及時排水，降低災害風險。

安卓端APP使用App Inventor 作為開發平臺，進行界面以及邏輯的設計工作。

數據傳輸服務器使用MQTT服務器。

（1） 頁面設計

使用App Inventor 2的組件設計功能進行APP的頁面設計，總共設計制作了3個頁面，分別為主頁面、實時雨量圖表、照片顯示窗口。

（2） 主頁面

樹莓派通過雨量傳感器反饋回來的雨量信號，經由MQTT服務器將消息傳送到APP中，APP收到文字消息后，會把實時的雨量數值顯示在主頁面中。

主頁面主要包含：當前雨量顯示、實時預警信號顯示、查看圖表/關閉圖表、報警復位、遠程控制（積水區域道閘自動降落和自動泄洪）、遠程發送報警信息、實時水位顯示等功能。

遠程控制功能有待后續調研和開發。

（3） 圖表顯示

點擊“查看圖表”按鈕，就會顯示如下雨量匯總數據，通過中間的“滑條”或直接輸入數字可設置需要顯示雨量數據的數量，從最左邊開始為最近的雨量值，依此類推。

點擊“關閉圖表”按鈕，可以關閉圖表顯示窗口。

（4） 遠程查看現場照片

現場拍照可分為手動拍照和自動拍照兩種功能。手動拍照需要點擊APP上的“手動拍照”按鈕;自動拍照是通過設置時間間隔來控制拍照的頻率，可通過實際情況來設置“時間”參數。

監測端（樹莓派+雨量傳感器）通過Gdwrobot平臺進行在線編程。

雨量傳感器信號、水位計信號通過電壓電流傳感器進行轉換。

雨量傳感器輸出電壓電流信號，連接電壓電流傳感器進行信號轉換。樹莓派的ADS0連接電壓電流傳感器，接收模擬信號，通過編程計算轉換成模擬雨量。

樹莓派使用Gdwrobot在線編程平臺進行編程。首先進入www.gdwrobot.cn網站并輸入賬號密碼登錄賬戶，進入圖形編程界面后，進行樹莓派編程設計操作。雨量傳感器采集信號，通過電壓電流傳感器輸入樹莓派，樹莓派讀取到模擬值，通過公式計算轉換成模擬雨量。

設置瞬時雨量和持續雨量兩個監測控制。如果瞬時雨量超過55，則觸發藍色報警。如果持續雨量繼續變大，超過88，則觸發紅色報警。同時，通過無線通信可以把報警信息短信發送到就近人群的手機里，提醒人們及時撤離。另外，藍色和紅色報警臨界值是可以設置的，可以根據城市管網設施的升級改造進行調整。

報警分為藍色和紅色兩種情況：藍色報警提醒人們注意防范，紅色報警提醒人們必須做出及時應對措施。

通過控制排水系統閘門進行自動泄洪操作和危險區域自動放下道閘，程序參考如圖。

外箱使用激光切割和三維設計等技術，切割符合裝置尺寸的板材，設計相關結構組件，合理安裝，做到必要的密封保護。

對程序進行測試，輸出各個數據的模擬結果。

能通過音箱實時發出報警聲音，并在屏幕上實時顯示雨量數據、網絡和供電情況。

使用手機APP“智能雨量監測系統”查看實時數據和報警信號。“查看圖表”（后續開發）功能可以查看實時數據圖表和歷史數據圖表，這些數據可以接入城市大腦，進行數據分析。

根據實時數據，做出相應聲光報警。若出現藍色報警，會閃爍一個報警燈;若出現紅色報警，會閃爍兩個報警燈。

當雨量正常且現場無積水時，也可以手動進行報警解除。

當出現藍色和紅色任一報警時，APP都可以給指定或者區域內的人群發送短信。

根據雨量和低洼水位及時做出相應動作，控制閘門開合（后續開發）。

控制遠端攝像頭自動拍照返回，也可手動發出指令拍照進行查看。此功能可實現監測地點的實時圖像反饋，為排除安全隱患提供參考。

本案例應用人工智能與物聯網的新技術，通過編程實現了一個能解決生活中實際問題的應用。這個應用能夠實現雨量實時觀測、及時報警，提醒人們及時防范。

后續我們將繼續把這個應用做得更加完善，并期望能夠將此應用推廣和普及，為防范洪澇災害做出貢獻。