基于超声波传感器和无线技术的洪水预警系统

刘云

(1.中国水利水电科学研究院，北京，100038；

2.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，北京，100038)

1 引言

洪水灾害主要指由于大量降水引起的洪水给人类的正常生产生活等带来了灾难与损失，洪水灾害具有复杂性、不确定性、动态性等特点[1]。北京市沿江地区因其地理和地质环境的特殊性，是洪水灾害多发地区。洪水灾害随时可能发生，给社会带来不利影响，特别是对生活在河流周围的人们[2]。因此，有必要设计一个在洪水灾害发生前向人民群众提供预警的系统，洪水预警系统的目的是减少洪灾的影响范围和社会遭受的物质损失。目前，已有许多种类型的洪水预警系统，例如：李丽娜等[3]以连云港市海州区为例，在通过研究建立相应的预警体制和机制基础上，提出对该地区进行合理水雨情及视频监测站点的布设。预警系统需要一个位置作为水位参考，它可以是水闸，也可以是大坝，因为每个水闸或大坝都有不同的蓄水状态。本文介绍了一种利用无线技术和短信作为信息传播媒介的洪水预警系统。该系统采用三个传感器来提高测量精度，其中两个超声波传感器用于测量水位，一个水流传感器用于测量流量。

2 预警状态

通常可以通过对河流的水位站信息的分析，获得洪水预警的不同状态。每个水库都有不同的预警标准，其取决于河流的深度[4]。有四种类型的警告状态：(1)待命-Ⅳ状态，没有明显增加的流量；(2)待命-Ⅲ状态，当降雨导致水闸的水量增加，但情况仍然不危急或危险，但是，如果官方宣布预警待命Ⅲ，公众应该保持警惕，从洪灾的各种可能性出发做好一切准备；(3)待命-Ⅱ状态，降雨导致河道内流量开始增大；(4)待命-Ⅰ状态，水流保持在待命-Ⅱ状态超过6个小时，甚至是更严重的情况。

3 试验方法和内容

试验的原型是由两台HC-SR04型超声波传感器作为水位探测传感器、一台YF-S201型流量传感器测量流量，微控制器作为控制系统，无线发射机和接收机模块、GSM sim900A模块发送洪水信息和蜂鸣器作为水位指示器。

3.1 超声波传感器特性研究

超声波传感器的特性试验，如图1所示，以确定传感器的有效范围，并确定超声波传感器的分辨率[5]。本次测量得到两个传感器的距离范围为14cm～250cm，最大相对误差为4.33%，传感器检测到的最小距离为0.5cm，最大相对误差为1.2%。根据原型尺度对不同待命状态下的水位条件进行了优化，通过优化得到的最佳原型比为1∶5。这个比例将被用来调整传感器和水面的距离。

图1 超声波传感器的特征

3.2 试验设计

依据待命-Ⅰ状态的水位≥40cm，采用1∶5的比值。因此，试验设计了一个尺寸为30cm×40cm×50cm的蓄水池。两个超声波传感器都安装在距最高水面10cm的一根长60cm木棍上。表1列出了每个状态下传感器到水面的距离。

表1 原型的水位

该原型涉及两个系统：作为数据发送器的监测系统和作为接收器的远程警报系统。远程通信使用了一对Xbee系列2模块。因此，在这个原型上使用了两个程序，即监控系统上的发送程序和远程报警系统上的接收程序。

4 试验结果及分析

4.1 超声波传感器测量

超声波传感器系统对水库水面的测量是在3种不同的条件下进行的：条件1使用一个水源；条件2使用两个水源；条件3使用一个水源和一个动态的水面。条件1和条件2的水面趋于稳定，而条件3的水面是波动的、不稳定的，因此更接近实际工况。传感器1和2在所有3种测试条件下的测量结果如图2所示。

(a)超声波传感器1

(b)超声波传感器2

从图2可以看出，两个传感器都可以正常工作，并检测到水库水位的变化，但在条件3时的测量误差大于在其他条件下的测量误差。因为，当物体表面基本上是平整的时候，传感器的读数会更精确，即超声波传感器在硬而光滑的表面能得到最准确的读数。比较粗糙或柔软的表面会降低超声波传感器的工作距离和测量的精度。影响传感器测量的另一个因素是传感器到物体的距离，传感器距目标的距离增大，会延长传感器发送读取结果的响应时间，使传感器接收到的回波信号变得越来越弱；相反，传感器与物体的距离越近，产生的回波信号越强。

待命-Ⅰ状态下，两个传感器在不同测量条件的测量相对误差如表2所示。可以看出，在条件3下，对于移动水面，传感器的测量误差较小，总的来说，使用两个超声波传感器会提高传感器的读取精度，特别是在水面条件不稳定的情况下，水位的读取会更加精确。

表2 传感器读数的相对误差

4.2 测量流量传感器

在样机中，利用流量传感器提供水流稳定性信息，传感器测量结果如图3所示。在图3(a)中，流量随着水位的升高而减小；另一方面，图3(b)显示当前水流是比较稳定的，这意味着传感器的输出在36.3ml～37.8ml范围内趋于稳定，通过传感器的流量的减少或增加取决于水源的流量。YF-S201型流量传感器是基于霍尔效应现象工作的，流过传感器的水流会使传感器中的叶轮旋转，叶轮的旋转会在水流传感器的线圈上产生磁场，磁场将被霍尔效应转化为脉冲信号，然后这些脉冲被转换成流量。传感器读取的流量值的减小或增大对水位变化没有影响，因为水的流量并没有指示报警状态的变化，它只是提供了流量的附加信息。如果水的流量突然急剧上升，并持续为高值，它可以是洪水的警告。

(a)不稳定水流

(b)稳定水流

4.3 Xbee模块测试

试验在室内无屏障和室外有墙屏障两种情况下进行，测试结果体现了无线能力。Xbee模块在屏障条件下工作良好，对于有屏障的情况，Xbee只能接收到远至24.3m的数据。

4.4 GSM sim900A测试

该测试在不同运营商的5个不同手机号码上进行，从系统在显示器上发出“A”字符开始计算接收消息的速度。

表3 短信速度交付测试

基于测试的短信接收最快时间为8.2s，最长时间为33.3s。发送短信的时间并不总是恒定的。当水位监测系统发送该短信时，接收到消息的电话号码将收到一条包含待命-Ⅰ状态的短信以及一份水位高度报告。

4.5 系统总体测试结果

根据所创建的设计软件进行测试，以确定系统的整体性能。根据待命状态指定的每一个距离变化都被认为是按照软件的设计正确运行的。表4显示所进行的测试符合软件的设计。该样机能够在不稳定水位条件下工作，超声传感器1的精度达到97.6%，超声传感器2的精度达到97.2%。多传感器的使用可以提高该原型的精度，特别是在移动的水面条件下。无线技术的结合，采用Xbee和GSM模块，提高了预警信息的传输效率。

表4 系统总体测试结果

5 结论

结合无线技术、Xbee和GSM模块的洪水灾害预警系统测试结果良好，提高了报警信息的传输效率。超声波传感器可以有效地测量动水面的状态。同时，流量传感器的测量可以作为洪水灾害预警系统中流量变化的附加信息。