周晓浩

(新疆白杨河流域管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

玛纳斯河流域位于我国新疆维吾尔自治区天山北麓，准噶尔盆地南缘，是我国西北内陆盆地中的一个典型流域。由于大规模进行水土资源开发，引发了包括地下水位下降、泉流量减小等一系列的生态灾害[1]，在每年的7-8月玛河汛期，洪灾更是频发[2]。对于流域洪水预警的研究可以有效降低灾害造成的影响，并为工程建成前后安全问题及防洪调度提供强有力的数据与技术支撑。国外在20世纪早期便开始以经验为基础探索洪水的预警工作，国内洪水预警系统研究起步虽晚于国外，但也取得了系列较好成果。黄国新等[3]选取吉安南车水库流域，通过编程得到地貌单位线并嵌入江西省吉安市水库防汛调度预报系统，并成功运用于洪水预报；刘云[4]研究了一种洪水预警系统的原型,该装置由两个超声波传感器(作为水位探测器)和一个流量传感器(作为流量传感器)组成,采用无线技术和GSM作为信息媒介；寇嘉玮等[5]构建了一维洪泽湖地区河道、二维洪泽湖湖面及周边滞洪区相耦合的洪水演进模型,在此基础上开发了基于WebGIS的洪泽湖地区洪水预报预警系统,实现了对降雨、洪水进行实时监控；徐琦良等[6]基于SSH框架,采用My SQL数据库,综合应用Arc GIS API for Javascript、Java Script(JS)、HTML5、CSS等技术,设计并开发了实时洪水预报与预警Web GIS系统。此外还有部分学者基于GSM/CDMA网络和采用AWARE-FMS预报系统进行了研究[7-8]。本文则基于LoRa技术和Arduino自治系统，开发了一种新型洪水预警，加快了数据处理速度，足以进行实时洪水警报，为玛纳斯河流域居民提供保障。

1 流域概况

玛纳斯河流域地理位置东经85°01′～86°32′，北纬43°27′～45°21′，流域面积19 800 km2。

玛纳斯河发源于天山北麓依连哈比尔尕山，流向由南向北，是准噶尔盆地南缘最大的一条融雪型山溪河流，干流全长324 km，多年平均径流量12.31亿 m3，主要支流有清水河和呼斯台郭勒河。流域地势南高北低，依此为中高山区、低山丘陵区、平原区及风积沙漠区。中高山区：海拔高程3 500～5 000 m，山体陡峭、峡谷深邃、岩石裸露，终年积雪。冰川面积1 085 km2，年降水量500～1 000 mm，60%以上降水量集中于夏季，是河川径流主要补给源。中山区海拔高程1 500～3 500 m，山峦叠嶂、沟谷纵横，降雨充沛，植被发育。森林多为云杉灌木，年平均气温2℃左右，冬季最低月平均气温-10℃，夏季最高月平均气温15℃，年降水量300～500 mm，6-8月占年降水量的60%。低山丘陵区：海拔高程500～1 500 m，其间横卧玛纳斯山、霍尔果斯山及吐谷鲁山，植被以三叶草、野麦、佛子茅等禾本科为主，覆盖率50%，水土流失严重。平原区：上部为冲积洪积扇区，海拔高程380～600 m，以砾石为主，上覆薄层壤土。下部为平原区，由南到北。年平均气温为6℃～6.6℃，夏季极端最高气温43.1℃，冬季极端最低气温-43.2℃。平原区内良田万顷、条田成行、渠路纵横，一派绿洲景观，是自治区最重要的粮、棉生产基地之一。风积沙漠区：流域北部靠近古尔班通古特大沙漠，形成马蹄形、抛物线型等沙丘景观。自然植被主要为白梭梭、三芸草、沙拐枣等沙生植物。

2 设计部分模块及参数

2.1 水位与雨量传感器

水位传感器用以测量水量，从而确定水位。水位的变化是防洪预警的一个简单指标。该传感器可以通过ADC进行解读，同样可以直接关联Arduino进行使用，如图1所示。水位深度检测传感器模块的工作电压3～5 V，工作电流小于20 mA，检测面积为40 mm×16 mm，尺寸：65 mm×20 mm×8 mm，湿度10%～90%。

图1 水位与雨量传感器

雨量传感器是一种用于探测降水的仪器。它由两个模块组成，一个为区分降雨强度级别的大雨板和一个简单测量降雨量的控制模块，并将其转换为一个计算机化的系统。雨量传感器可用于汽车部件，以控制挡风玻璃雨刮器。

2.2 太阳能系统

图2给出了太阳能充电控制器和硅板。充电控制器工作电压为12 V。最大光伏充电电流5 A；最大负载电流=5 A，电池电压=14.4 V；电池电量低切断10.8 V。太阳能硅板尺寸是29cm×18.5cm×1.7cm，在较好的光照条件下，可以在12 V的电压下产生5 w的强度。

2.3 ESP-12E 模块

ESP8266芯片的ESP-12E模块是用来搭载开发信息传输的，该芯片具有TensilicaXtensa 32片LX106 RISC微芯片，可在80～160 MHz频率下工作，可定制时钟重复，并支持RTOS。同样还有128 KB的RAM和4 MB的闪存(用于信息储存)适应巨大字符串。ESP8266集成了802.11 b/g/n HT40 Wi-Fi，允许用户建立自己的网络系统，允许不同的小工具关联，使得ESP8266 MCU适应性越来越强。由于ESP8266的工作电压范围为3～3.6 V，因此电路板配有LDO电压控制器，以保持3.3 V的电压，如图3所示。

图3 ESP-12E模块与LDO电压控制器

3 ESP8266 NodeMCU 引脚

ESP8266 NodeMCU有30个引脚，可将其与外部设备连接。如图4所示。I2C引脚用于连接广泛使用的I2C传感器和外围设备。I2C主设备和I2C从设备都得到了增强。I2C接口可以自动确认设备，并且时钟重复频率最高为100 kHz。应该注意的是，I2C时钟周期应该高于从设备的最慢时钟周期。GPIO引脚ESP8266 NodeMCU有17个GPIO引脚，可以分配到不同的容量，例如I2C、I2S、UART、PWM、红外遥控、LED灯和自动按钮。每个计算机化的授权GPIO可以安排在内部上拉或下拉，或设置为高阻抗。ESP8266 MCU有两个UART接口，例如UART0和UART1，它们提供非电流通信(RS232和RS485)，并可以达到4.5 Mbps的速度传输。UART0(TXD0、RXD0、RST0和CTS0引脚)可用于通信。SPI引脚ESP8266突出显示从模式和ace模式下的两个SPI(SPI和HSPI)。这些SPI同样支持附带功能，如SPI格式传输的定时模式、80兆赫的分频时钟以及最多64字节FIFO。SDIO引脚ESP8266是用于直接连接SD卡的安全数字输入/输出接口(SDIO)。此外，控制引脚用于控制ESP8266。这些引脚包括芯片启用引脚(EN)、复位引脚(RST)和唤醒引脚。

图4 ESP8266 NodeMCU 引脚

4 洪水预警系统设计

本次设计的预警系统第一部分包括雨量计传感器与水位传感器，两种传感器可实时读取数据，这些数据可以发送到服务器。每个传感器的参考值将事先固定，一旦传感器测量值超过参考水平，将通过各种预定程序发出警报。另一方面，测量水位的组件包括数据采集模块、客户端系统和服务器系统。在数据采集模块中，第一步是使用能够提供水位信息的传感装置，之后将客户端系统嵌入洪水警报系统，同时请求与服务器连接，并开始向服务器发送传感器读数。客户端系统中使用的组件包括一个微控制器单元(MCU)，传感器收集的数据通过互联网发送到服务器，服务器系统从客户端读取数据，然后将其存储在数据库中，以供将来参考。

此外，保存在河岸沿线的现场装置能实时感知数据，现场实时获取的所有数据都转换为一种字符串格式，包含了现场装置ID、IP地址、端口号、水位传感器值、雨量计传感器值，这种格式的值从客户端发送到服务器。本文基于LoRa设备配置不同的无线电通信参数，从而允许根据特定应用要求选择多个数据速率和灵敏度级别。另一方面，汽笛用于向当地发出警报，也用于许多警报场所。闪光灯用于向人们发出视觉警报。一旦传感器液位达到临界值，警报器和闪光灯将亮起。当传感器值低于参考水平时，则现场的绿色闪光灯将发光；如果传感器值高于或接近中等水平，黄色闪光灯将发光，表明洪水即将到来，处于中等水平。当洪水水位达到最大值时，红色闪光灯将发光，警报器将发出声音，表示洪水水位较高。本文除了采用水位传感器和雨量计传感器外，还使用了超声波传感器测量目标物体的距离。 在自动洪水警报系统中，传感器持续感知数据并存储在数据库中，为了检测洪水水情，我们主要考虑水位传感器和雨量计传感器。每个现场单元都会不断感知数据，并将数据发送到服务器。将数据发送到服务器后，将通过各种方法提供警报。图5给出了发射器和收集器的框架图。设计的基础是LoRa装置。它是一个远程、低功率的远程工作台，通过arduinonano从传感器收集信息，然后将信息发送到MCU接口，之后MCU中获取的信息将会被发送到云端，并通过社交媒体向个人发出警报，以此来达到自动预警目的。

图5 发射器和收集器设计图

5 结语

本文的自动洪水预警系统根据水流、水位和降雨强度等参数对洪水进行预警，与现有系统相比提高了效率。它为玛纳斯河流域管理人员提供各种通讯手段，如声音警报、视觉警报、基于网络的互联网警报、手机短信警报等。即便是偏远地区无法使用Wi-Fi技术，本系统也可使用LoRa技术发出警报。同时本系统还利用Arduino和LoRa设备的自治系统，加快了数据处理速度，足以进行实时洪水警报，为玛纳斯河流域洪水预警管理提供保障。