基于树莓派的雨量预警系统

史泽辉　包宸桓　王德贵

本项目的设计理念是通过对数据指标的研判，创建城市内涝风险指数，借助树莓派系统对降水强度和连续降水量两个指数进行监测，建立监测指数和风险等级的关系函数，通过智能信息推送系统，在地理空间范围内将预警信息推送给相关人群，给人们的出行安排和生产生活提供决策参考。

利用雨量传感器实时测量降水数量，发送数据到树莓派控制中心。根据短时强降水超限和持续降水超限两项关键要素及时发出蓝色警报，通过多种方式提醒相关区域的人们做出应对措施。

利用水位计实时监测排水系统运行情况，根据降水量自动调整排水管道开合力度。在自动调整无以应对的情况下及时发出红色警报，提醒人们进一步做出应对措施。

同时，通过手动或自动拍照的功能实时传输现场的照片给手机端。

本方案以树莓派为控制核心，基于树莓派Gdwrobot在线编程平台和App Inventor软件开发编程，实现降水及时测量和报警的应用，避免短时强降水和持续大量降水给人们生产生活生命财产造成损失。

整体功能示意图

树莓派端功能示意图

通过Gdwrobot平台进行在线编程，设备需连接雨量传感器测量输入和电压电流转换模块，从而实现把雨量传感器的电压电流信号转换为树莓派需要的模拟信号，以便进行编程控制。

利用App  Inventor 软件进行手机APP端功能开发，需要用到MQTT服务器、地图定位等核心功能，从而实现报警和查看实景等几项功能（加入4G模块可实现拨打电话、发送信息等功能）。利用声光装置进行报警，可对实地周边人员进行提醒，加大安全提示力度，最大限度地降低灾害风险。

自动闸门功能示意图

这是后续开发功能，利用水位监测仪实时监测下水道等排水设备运行情况，通过控制中心及时调整泄水闸门开合度，及时排水，降低灾害风险。

安卓端APP使用App Inventor 作为开发平台，进行界面以及逻辑的设计工作。

数据传输服务器使用MQTT服务器。

（1） 页面设计

使用App Inventor 2的组件设计功能进行APP的页面设计，总共设计制作了3个页面，分别为主页面、实时雨量图表、照片显示窗口。

（2） 主页面

树莓派通过雨量传感器反馈回来的雨量信号，经由MQTT服务器将消息传送到APP中，APP收到文字消息后，会把实时的雨量数值显示在主页面中。

主页面主要包含：当前雨量显示、实时预警信号显示、查看图表/关闭图表、报警复位、远程控制（积水区域道闸自动降落和自动泄洪）、远程发送报警信息、实时水位显示等功能。

远程控制功能有待后续调研和开发。

（3） 图表显示

点击“查看图表”按钮，就会显示如下雨量汇总数据，通过中间的“滑条”或直接输入数字可设置需要显示雨量数据的数量，从最左边开始为最近的雨量值，依此类推。

点击“关闭图表”按钮，可以关闭图表显示窗口。

（4） 远程查看现场照片

现场拍照可分为手动拍照和自动拍照两种功能。手动拍照需要点击APP上的“手动拍照”按钮;自动拍照是通过设置时间间隔来控制拍照的频率，可通过实际情况来设置“时间”参数。

监测端（树莓派+雨量传感器）通过Gdwrobot平台进行在线编程。

雨量传感器信号、水位计信号通过电压电流传感器进行转换。

雨量传感器输出电压电流信号，连接电压电流传感器进行信号转换。树莓派的ADS0连接电压电流传感器，接收模拟信号，通过编程计算转换成模拟雨量。

树莓派使用Gdwrobot在线编程平台进行编程。首先进入www.gdwrobot.cn网站并输入账号密码登录账户，进入图形编程界面后，进行树莓派编程设计操作。雨量传感器采集信号，通过电压电流传感器输入树莓派，树莓派读取到模拟值，通过公式计算转换成模拟雨量。

设置瞬时雨量和持续雨量两个监测控制。如果瞬时雨量超过55，则触发蓝色报警。如果持续雨量继续变大，超过88，则触发红色报警。同时，通过无线通信可以把报警信息短信发送到就近人群的手机里，提醒人们及时撤离。另外，蓝色和红色报警临界值是可以设置的，可以根据城市管网设施的升级改造进行调整。

报警分为蓝色和红色两种情况：蓝色报警提醒人们注意防范，红色报警提醒人们必须做出及时应对措施。

通过控制排水系统闸门进行自动泄洪操作和危险区域自动放下道闸，程序参考如图。

外箱使用激光切割和三维设计等技术，切割符合装置尺寸的板材，设计相关结构组件，合理安装，做到必要的密封保护。

对程序进行测试，输出各个数据的模拟结果。

能通过音箱实时发出报警声音，并在屏幕上实时显示雨量数据、网络和供电情况。

使用手机APP“智能雨量监测系统”查看实时数据和报警信号。“查看图表”（后续开发）功能可以查看实时数据图表和历史数据图表，这些数据可以接入城市大脑，进行数据分析。

根据实时数据，做出相应声光报警。若出现蓝色报警，会闪烁一个报警灯;若出现红色报警，会闪烁两个报警灯。

当雨量正常且现场无积水时，也可以手动进行报警解除。

当出现蓝色和红色任一报警时，APP都可以给指定或者区域内的人群发送短信。

根据雨量和低洼水位及时做出相应动作，控制闸门开合（后续开发）。

控制远端摄像头自动拍照返回，也可手动发出指令拍照进行查看。此功能可实现监测地点的实时图像反馈，为排除安全隐患提供参考。

本案例应用人工智能与物联网的新技术，通过编程实现了一个能解决生活中实际问题的应用。这个应用能够实现雨量实时观测、及时报警，提醒人们及时防范。

后续我们将继续把这个应用做得更加完善，并期望能够将此应用推广和普及，为防范洪涝灾害做出贡献。