周曉浩

(新疆白楊河流域管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

瑪納斯河流域位于我國新疆維吾爾自治區(qū)天山北麓，準噶爾盆地南緣，是我國西北內(nèi)陸盆地中的一個典型流域。由于大規(guī)模進行水土資源開發(fā)，引發(fā)了包括地下水位下降、泉流量減小等一系列的生態(tài)災(zāi)害[1]，在每年的7-8月瑪河汛期，洪災(zāi)更是頻發(fā)[2]。對于流域洪水預(yù)警的研究可以有效降低災(zāi)害造成的影響，并為工程建成前后安全問題及防洪調(diào)度提供強有力的數(shù)據(jù)與技術(shù)支撐。國外在20世紀早期便開始以經(jīng)驗為基礎(chǔ)探索洪水的預(yù)警工作，國內(nèi)洪水預(yù)警系統(tǒng)研究起步雖晚于國外，但也取得了系列較好成果。黃國新等[3]選取吉安南車水庫流域，通過編程得到地貌單位線并嵌入江西省吉安市水庫防汛調(diào)度預(yù)報系統(tǒng)，并成功運用于洪水預(yù)報；劉云[4]研究了一種洪水預(yù)警系統(tǒng)的原型,該裝置由兩個超聲波傳感器(作為水位探測器)和一個流量傳感器(作為流量傳感器)組成,采用無線技術(shù)和GSM作為信息媒介；寇嘉瑋等[5]構(gòu)建了一維洪澤湖地區(qū)河道、二維洪澤湖湖面及周邊滯洪區(qū)相耦合的洪水演進模型,在此基礎(chǔ)上開發(fā)了基于WebGIS的洪澤湖地區(qū)洪水預(yù)報預(yù)警系統(tǒng),實現(xiàn)了對降雨、洪水進行實時監(jiān)控；徐琦良等[6]基于SSH框架,采用My SQL數(shù)據(jù)庫,綜合應(yīng)用Arc GIS API for Javascript、Java Script(JS)、HTML5、CSS等技術(shù),設(shè)計并開發(fā)了實時洪水預(yù)報與預(yù)警Web GIS系統(tǒng)。此外還有部分學(xué)者基于GSM/CDMA網(wǎng)絡(luò)和采用AWARE-FMS預(yù)報系統(tǒng)進行了研究[7-8]。本文則基于LoRa技術(shù)和Arduino自治系統(tǒng)，開發(fā)了一種新型洪水預(yù)警，加快了數(shù)據(jù)處理速度，足以進行實時洪水警報，為瑪納斯河流域居民提供保障。

1 流域概況

瑪納斯河流域地理位置東經(jīng)85°01′～86°32′，北緯43°27′～45°21′，流域面積19 800 km2。

瑪納斯河發(fā)源于天山北麓依連哈比爾尕山，流向由南向北，是準噶爾盆地南緣最大的一條融雪型山溪河流，干流全長324 km，多年平均徑流量12.31億 m3，主要支流有清水河和呼斯臺郭勒河。流域地勢南高北低，依此為中高山區(qū)、低山丘陵區(qū)、平原區(qū)及風(fēng)積沙漠區(qū)。中高山區(qū)：海拔高程3 500～5 000 m，山體陡峭、峽谷深邃、巖石裸露，終年積雪。冰川面積1 085 km2，年降水量500～1 000 mm，60%以上降水量集中于夏季，是河川徑流主要補給源。中山區(qū)海拔高程1 500～3 500 m，山巒疊嶂、溝谷縱橫，降雨充沛，植被發(fā)育。森林多為云杉灌木，年平均氣溫2℃左右，冬季最低月平均氣溫-10℃，夏季最高月平均氣溫15℃，年降水量300～500 mm，6-8月占年降水量的60%。低山丘陵區(qū)：海拔高程500～1 500 m，其間橫臥瑪納斯山、霍爾果斯山及吐谷魯山，植被以三葉草、野麥、佛子茅等禾本科為主，覆蓋率50%，水土流失嚴重。平原區(qū)：上部為沖積洪積扇區(qū)，海拔高程380～600 m，以礫石為主，上覆薄層壤土。下部為平原區(qū)，由南到北。年平均氣溫為6℃～6.6℃，夏季極端最高氣溫43.1℃，冬季極端最低氣溫-43.2℃。平原區(qū)內(nèi)良田萬頃、條田成行、渠路縱橫，一派綠洲景觀，是自治區(qū)最重要的糧、棉生產(chǎn)基地之一。風(fēng)積沙漠區(qū)：流域北部靠近古爾班通古特大沙漠，形成馬蹄形、拋物線型等沙丘景觀。自然植被主要為白梭梭、三蕓草、沙拐棗等沙生植物。

2 設(shè)計部分模塊及參數(shù)

2.1 水位與雨量傳感器

水位傳感器用以測量水量，從而確定水位。水位的變化是防洪預(yù)警的一個簡單指標。該傳感器可以通過ADC進行解讀，同樣可以直接關(guān)聯(lián)Arduino進行使用，如圖1所示。水位深度檢測傳感器模塊的工作電壓3～5 V，工作電流小于20 mA，檢測面積為40 mm×16 mm，尺寸：65 mm×20 mm×8 mm，濕度10%～90%。

圖1 水位與雨量傳感器

雨量傳感器是一種用于探測降水的儀器。它由兩個模塊組成，一個為區(qū)分降雨強度級別的大雨板和一個簡單測量降雨量的控制模塊，并將其轉(zhuǎn)換為一個計算機化的系統(tǒng)。雨量傳感器可用于汽車部件，以控制擋風(fēng)玻璃雨刮器。

2.2 太陽能系統(tǒng)

圖2給出了太陽能充電控制器和硅板。充電控制器工作電壓為12 V。最大光伏充電電流5 A；最大負載電流=5 A，電池電壓=14.4 V；電池電量低切斷10.8 V。太陽能硅板尺寸是29cm×18.5cm×1.7cm，在較好的光照條件下，可以在12 V的電壓下產(chǎn)生5 w的強度。

2.3 ESP-12E 模塊

ESP8266芯片的ESP-12E模塊是用來搭載開發(fā)信息傳輸?shù)?，該芯片具有TensilicaXtensa 32片LX106 RISC微芯片，可在80～160 MHz頻率下工作，可定制時鐘重復(fù)，并支持RTOS。同樣還有128 KB的RAM和4 MB的閃存(用于信息儲存)適應(yīng)巨大字符串。ESP8266集成了802.11 b/g/n HT40 Wi-Fi，允許用戶建立自己的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，允許不同的小工具關(guān)聯(lián)，使得ESP8266 MCU適應(yīng)性越來越強。由于ESP8266的工作電壓范圍為3～3.6 V，因此電路板配有LDO電壓控制器，以保持3.3 V的電壓，如圖3所示。

圖3 ESP-12E模塊與LDO電壓控制器

3 ESP8266 NodeMCU 引腳

ESP8266 NodeMCU有30個引腳，可將其與外部設(shè)備連接。如圖4所示。I2C引腳用于連接廣泛使用的I2C傳感器和外圍設(shè)備。I2C主設(shè)備和I2C從設(shè)備都得到了增強。I2C接口可以自動確認設(shè)備，并且時鐘重復(fù)頻率最高為100 kHz。應(yīng)該注意的是，I2C時鐘周期應(yīng)該高于從設(shè)備的最慢時鐘周期。GPIO引腳ESP8266 NodeMCU有17個GPIO引腳，可以分配到不同的容量，例如I2C、I2S、UART、PWM、紅外遙控、LED燈和自動按鈕。每個計算機化的授權(quán)GPIO可以安排在內(nèi)部上拉或下拉，或設(shè)置為高阻抗。ESP8266 MCU有兩個UART接口，例如UART0和UART1，它們提供非電流通信(RS232和RS485)，并可以達到4.5 Mbps的速度傳輸。UART0(TXD0、RXD0、RST0和CTS0引腳)可用于通信。SPI引腳ESP8266突出顯示從模式和ace模式下的兩個SPI(SPI和HSPI)。這些SPI同樣支持附帶功能，如SPI格式傳輸?shù)亩〞r模式、80兆赫的分頻時鐘以及最多64字節(jié)FIFO。SDIO引腳ESP8266是用于直接連接SD卡的安全數(shù)字輸入/輸出接口(SDIO)。此外，控制引腳用于控制ESP8266。這些引腳包括芯片啟用引腳(EN)、復(fù)位引腳(RST)和喚醒引腳。

圖4 ESP8266 NodeMCU 引腳

4 洪水預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

本次設(shè)計的預(yù)警系統(tǒng)第一部分包括雨量計傳感器與水位傳感器，兩種傳感器可實時讀取數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以發(fā)送到服務(wù)器。每個傳感器的參考值將事先固定，一旦傳感器測量值超過參考水平，將通過各種預(yù)定程序發(fā)出警報。另一方面，測量水位的組件包括數(shù)據(jù)采集模塊、客戶端系統(tǒng)和服務(wù)器系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)采集模塊中，第一步是使用能夠提供水位信息的傳感裝置，之后將客戶端系統(tǒng)嵌入洪水警報系統(tǒng)，同時請求與服務(wù)器連接，并開始向服務(wù)器發(fā)送傳感器讀數(shù)?？蛻舳讼到y(tǒng)中使用的組件包括一個微控制器單元(MCU)，傳感器收集的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器系統(tǒng)從客戶端讀取數(shù)據(jù)，然后將其存儲在數(shù)據(jù)庫中，以供將來參考。

此外，保存在河岸沿線的現(xiàn)場裝置能實時感知數(shù)據(jù)，現(xiàn)場實時獲取的所有數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換為一種字符串格式，包含了現(xiàn)場裝置ID、IP地址、端口號、水位傳感器值、雨量計傳感器值，這種格式的值從客戶端發(fā)送到服務(wù)器。本文基于LoRa設(shè)備配置不同的無線電通信參數(shù)，從而允許根據(jù)特定應(yīng)用要求選擇多個數(shù)據(jù)速率和靈敏度級別。另一方面，汽笛用于向當?shù)匕l(fā)出警報，也用于許多警報場所。閃光燈用于向人們發(fā)出視覺警報。一旦傳感器液位達到臨界值，警報器和閃光燈將亮起。當傳感器值低于參考水平時，則現(xiàn)場的綠色閃光燈將發(fā)光；如果傳感器值高于或接近中等水平，黃色閃光燈將發(fā)光，表明洪水即將到來，處于中等水平。當洪水水位達到最大值時，紅色閃光燈將發(fā)光，警報器將發(fā)出聲音，表示洪水水位較高。本文除了采用水位傳感器和雨量計傳感器外，還使用了超聲波傳感器測量目標物體的距離。 在自動洪水警報系統(tǒng)中，傳感器持續(xù)感知數(shù)據(jù)并存儲在數(shù)據(jù)庫中，為了檢測洪水水情，我們主要考慮水位傳感器和雨量計傳感器。每個現(xiàn)場單元都會不斷感知數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器。將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器后，將通過各種方法提供警報。圖5給出了發(fā)射器和收集器的框架圖。設(shè)計的基礎(chǔ)是LoRa裝置。它是一個遠程、低功率的遠程工作臺，通過arduinonano從傳感器收集信息，然后將信息發(fā)送到MCU接口，之后MCU中獲取的信息將會被發(fā)送到云端，并通過社交媒體向個人發(fā)出警報，以此來達到自動預(yù)警目的。

圖5 發(fā)射器和收集器設(shè)計圖

5 結(jié)語

本文的自動洪水預(yù)警系統(tǒng)根據(jù)水流、水位和降雨強度等參數(shù)對洪水進行預(yù)警，與現(xiàn)有系統(tǒng)相比提高了效率。它為瑪納斯河流域管理人員提供各種通訊手段，如聲音警報、視覺警報、基于網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)網(wǎng)警報、手機短信警報等。即便是偏遠地區(qū)無法使用Wi-Fi技術(shù)，本系統(tǒng)也可使用LoRa技術(shù)發(fā)出警報。同時本系統(tǒng)還利用Arduino和LoRa設(shè)備的自治系統(tǒng)，加快了數(shù)據(jù)處理速度，足以進行實時洪水警報，為瑪納斯河流域洪水預(yù)警管理提供保障。