基于樹莓派的雨量預警系統(tǒng)

史澤輝　包宸桓　王德貴

本項目的設計理念是通過對數(shù)據(jù)指標的研判，創(chuàng)建城市內(nèi)澇風險指數(shù)，借助樹莓派系統(tǒng)對降水強度和連續(xù)降水量兩個指數(shù)進行監(jiān)測，建立監(jiān)測指數(shù)和風險等級的關(guān)系函數(shù)，通過智能信息推送系統(tǒng)，在地理空間范圍內(nèi)將預警信息推送給相關(guān)人群，給人們的出行安排和生產(chǎn)生活提供決策參考。

利用雨量傳感器實時測量降水數(shù)量，發(fā)送數(shù)據(jù)到樹莓派控制中心。根據(jù)短時強降水超限和持續(xù)降水超限兩項關(guān)鍵要素及時發(fā)出藍色警報，通過多種方式提醒相關(guān)區(qū)域的人們做出應對措施。

利用水位計實時監(jiān)測排水系統(tǒng)運行情況，根據(jù)降水量自動調(diào)整排水管道開合力度。在自動調(diào)整無以應對的情況下及時發(fā)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(xiàn)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(fā)編程，實現(xiàn)降水及時測量和報警的應用，避免短時強降水和持續(xù)大量降水給人們生產(chǎn)生活生命財產(chǎn)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(zhuǎn)換模塊，從而實現(xiàn)把雨量傳感器的電壓電流信號轉(zhuǎn)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(fā)，需要用到MQTT服務器、地圖定位等核心功能，從而實現(xiàn)報警和查看實景等幾項功能（加入4G模塊可實現(xiàn)撥打電話、發(fā)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(xù)開發(fā)功能，利用水位監(jiān)測儀實時監(jiān)測下水道等排水設備運行情況，通過控制中心及時調(diào)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(fā)平臺，進行界面以及邏輯的設計工作。

數(shù)據(jù)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(jīng)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(shù)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(guān)閉圖表、報警復位、遠程控制（積水區(qū)域道閘自動降落和自動泄洪）、遠程發(fā)送報警信息、實時水位顯示等功能。

遠程控制功能有待后續(xù)調(diào)研和開發(fā)。

（3） 圖表顯示

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

點擊“關(guān)閉圖表”按鈕，可以關(guān)閉圖表顯示窗口。

（4） 遠程查看現(xiàn)場照片

現(xiàn)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(shù)。

監(jiān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(wǎng)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(zhuǎn)換成模擬雨量。

設置瞬時雨量和持續(xù)雨量兩個監(jiān)測控制。如果瞬時雨量超過55，則觸發(fā)藍色報警。如果持續(xù)雨量繼續(xù)變大，超過88，則觸發(fā)紅色報警。同時，通過無線通信可以把報警信息短信發(fā)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(jù)城市管網(wǎng)設施的升級改造進行調(diào)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(tǒng)閘門進行自動泄洪操作和危險區(qū)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(shù)，切割符合裝置尺寸的板材，設計相關(guān)結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)的模擬結(jié)果。

能通過音箱實時發(fā)出報警聲音，并在屏幕上實時顯示雨量數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡和供電情況。

使用手機APP“智能雨量監(jiān)測系統(tǒng)”查看實時數(shù)據(jù)和報警信號?！安榭磮D表”（后續(xù)開發(fā)）功能可以查看實時數(shù)據(jù)圖表和歷史數(shù)據(jù)圖表，這些數(shù)據(jù)可以接入城市大腦，進行數(shù)據(jù)分析。

根據(jù)實時數(shù)據(jù)，做出相應聲光報警。若出現(xiàn)藍色報警，會閃爍一個報警燈;若出現(xiàn)紅色報警，會閃爍兩個報警燈。

當雨量正常且現(xiàn)場無積水時，也可以手動進行報警解除。

當出現(xiàn)藍色和紅色任一報警時，APP都可以給指定或者區(qū)域內(nèi)的人群發(fā)送短信。

根據(jù)雨量和低洼水位及時做出相應動作，控制閘門開合（后續(xù)開發(fā)）。

控制遠端攝像頭自動拍照返回，也可手動發(fā)出指令拍照進行查看。此功能可實現(xiàn)監(jiān)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(lián)網(wǎng)的新技術(shù)，通過編程實現(xiàn)了一個能解決生活中實際問題的應用。這個應用能夠?qū)崿F(xiàn)雨量實時觀測、及時報警，提醒人們及時防范。

后續(xù)我們將繼續(xù)把這個應用做得更加完善，并期望能夠?qū)⒋藨猛茝V和普及，為防范洪澇災害做出貢獻。