降雨自动监测报警机系统设计

降雨自动监测报警机系统设计

山洪灾害往往造成较大的生命财产损失，特别是在偏远山区、通讯盲区和比较分散的农村村落，由于缺乏必要的雨水情监测预报设施和预警手段，再加上人们缺少相关的防御常识，使得该类地区的山洪灾害尤为严重。因此，适时现场提醒可能受到山洪灾害威胁的山区群众警惕山洪暴发，以便随时准备转移到安全地带，显得尤为重要。降雨自动监测报警机的研究就是针对这一问题而设计的一个适用性较好、制造成本较低、无需安装，无需操作，无人值守的现场监测预警装置。文章简述了系统结构、工作原理和推广应用价值及前景。

标签：监测预警；山洪灾害；雨量计；报警机；单片机

1 概述

降雨自动监测报警机是一种在山洪灾害频繁发生的地区能够实现监测降雨量的同时又能实时自动给当地群众发出转移预警的报警设备。该警报器将降雨监测与降雨强度分析及预警警报三个部分有机地联在一起，采用翻斗方式量雨，用单片机对降雨数据进行储存、分析和判断，当某一时段累计降雨达到报警门限值时，利用警报器的喇叭发出警报，警告当地群众警惕可能爆发的山洪，并准备开始组织转移。

本设备利用太阳能供电，无需外接市电，具有易安装、易维护，造价低，可长期无费用正常运行等特点。设备适用范围广，易大面积部署，特别适合为山区散居人群、驻军、水库和交通、林业等部门提供暴雨监测预警服务。

2 系统结构

系统结构主要描述：雨量计，雨量计与雨量采集模块的输入端连接，雨量采集模块的输入端与监控主机连接；监控主机与报警输出模块连接，报警输出模块与报警器连接。

其中主机由单片机系统、存储器、报警输出模块、报警设置模块、电源模块和雨量采集模块组成，监控主机原理结构框图如图1所示：

降雨自动监测报警机设备采用微功耗设计，具有休眠功能，即无降雨时休眠，降雨时自动激活。电源采用蓄电池和太阳能充电相结合的方式，在非阴雨天气情况下，通过太阳能板对蓄电池充电，蓄电池可保证在阴雨天气下30天持续供电，并可警报长鸣。

3 工作原理

降雨自动监测报警机采用翻斗式量雨器收集雨量，采用铁电存储器储存、采用单片机分析和判断降雨数据，当某一时段累计降雨达到临界雨量值时就会触发

喇叭报警，警告当地群众警惕可能爆发的山洪并开始组织转移。

首先是雨量数据的输入和采集并存储到存储器中（最多可存储500条雨量信息），以每5毫米雨量间隔对雨量进行1小时、3小时、6小时、12小时、24小时5项报警阀值判断（报警阀值可预先设定），当达到报警门限时通过报警喇叭发出报警声音以警告附近的居民做出相应的判断和反应。工作流程如图2所示：

降雨自动监测报警机的详细技术原理由图3电路原理图可知。当雨量数据通过接口J2输入，经光电耦合器IC1 输入到单片机（CPU）电路IC2。每输入5毫米降雨量信息，进行一次时间判断。

其判断依据如下：①1小时降雨量≥X1（默认值为30毫米，可按5毫米整数倍调整设置）；②3小时降雨量≥X2（默认值为40毫米，可按5毫米整数倍调整设置）；③6小时降雨量≥X3（默认值为60毫米，可按5毫米整数倍调整设置）；

④12小时降雨量≥X4（默认值为80毫米，可按5毫米整数倍调整设置）；⑤24小时降雨量≥X5（默认值为100毫米，可按5毫米整数倍调整设置）

降雨量未达到上述5种门限值中的任何一种时，雨量信息存入存储电路IC3内。IC3可存入雨量信息500条，超出存储容量后，最早的信息溢出，保存最新信息。内置固态存贮器可记录暴雨过程，存储的雨量信息可通过接口J3，采用便携电脑调取，以便发生灾害后对降雨过程进行分析。

降雨量达到上述5种门限值之一时，CPU（IC2）指令三极管Q1导通，继电器吸合。驱动警笛鸣响，提示本地降雨量已达山洪灾害可能发生的门限值。警告附近干部群众执行山洪灾害防御预案，采取防御山洪灾害和避灾躲灾措施。报警机声响采用双频率快速交替鸣响的警笛方式，具有良好的传播特性和穿透力。每次报警时长默认值为两分钟（可在1至10分钟内设置）。报警间隔由于降雨量/时段判决设计而具有自适应特点，通过报警声响的疏密情况传递降雨强度信息，即：降雨强度越大，报警间隔越密。报警后如没有雨量信息进入，则一分钟后自动关闭报警器。根据报警次数可判断降雨强度，第一次报警为黄色预警，第二次为橙色预警，第三次及以上为红色预警。

4 技术特点

（1）监测预警信息传递实时性强。本技术将把降雨监测、降雨强度分析、现场报警及供电有机的结成一个整体，根据实时收集到的监测数据及时报警，地处偏远山区和通讯盲区的村民可通过报警器发出的警鸣，采取及时有效措施防灾减灾，有助于解决监测预警空白区的防灾减灾问题。（2）制造成本低。目前市面上多采用不锈钢材料制作雨量计，而本项目采用特殊的工程塑料替代不锈钢材料制作雨量计，因此该技术产品设计制造和生产成本大大低于市场同类产品，为大面积地推广应用创造了有利条件。（3）安装使用方便。该技术产品只需固定在便于闻声之处，一般放置于村、组防汛责任人的山坡屋顶、房前屋后，只要放平、固定即可，安装简单，所占空间小。报警阀值的确定易于操作，不需要更多的专业知识，也不需要经过太多的操作程序，便可达到报警的目的。（4）具有数据存

储功能，可外接计算机提取雨情数据。这便于在强降雨发生后，通过对数据的提取和整理来分析，准确地掌握第一手资料，作出对暴雨山洪降雨强度的正确分析和评价，如暴雨强度的量级，暴雨发生的频率等等。（5）维护简单。该技术产品易于拆卸，无需人值守；太陽能供电，在连续阴天的情况能持续供电工作。

5 结束语

降雨自动监测报警机为较偏僻山区提供了一种简易暴雨监测预警手段，解决了该类地区山洪预警警报难的问题，使以村为单位或以居住群落、村寨为单位进行布点或设置变得可行，从而充分发挥村组自防自救的作用，以达到群防群测的目的。该设备的使用对于保障山丘区群众免遭山洪灾害伤害，避免群死群伤保障人的生命安全具有重大的社会意义。该报警机还曾在2009年湖南省洪江市“7.25”特大洪水灾害中发挥了重要作用，且投放布设方便，适合大面积、高密度部署，适用于气候环境恶劣的各重要部门和散居人群，亦可广泛用于在建工程工地、山丘区大型矿山、大型企业、机关学校进行降雨观测和预警警报。此研究成果经有关专家审查鉴定，在山洪灾害本地自动预警方面已经达到国际先进水平，在保障国家和人民生命财产方面，凸显出社会效益和强大的市场竞争力，具有很大的推广拓展应用价值。

作者简介：王新奎，男，长沙市长郡中学1102班，2012年11月发明的《一种瞬时单位线电子模型洪灾预警机》获得国家实用新型专利。（专利号：ZL 2012 2 0167662.4）