基于Arduino和GSM信息发送模块远程的灾害报警系统设计
摘要：狂风暴雨等极端天气一直是现代化的社会还是古代社会都不可避免而且非常常见的灾害。人们也十分渴望对灾难性后果的提前感知，中国古代就有了地动仪，放眼望去，更多的却停留在迷信的方式来预测灾难，国外就有占星术、我们国家古时候有占卜等一系列说法。古往今来，所有的人们都想准确的预测灾难，在造成破坏的后果之前就预测或者采用某些行动能让灾难能提前就被规避或者减少灾难性后果的发生。而且这些灾难也是十分可怕的，一旦发生将会对人们的生命、财产安全带来特别大的损失，因此远程灾害报警装置的开发对与实际应用具有非常重大的意义和影响。本课题主要讲述了一种远程的灾害报警系统，根据规划和设计，我们根据现有的一些案例，设计出来功能更加完善，可靠性更高的远程灾害报警装置，该装置主要讲述了一种可以实时的分析当地的现场条件，可以快速的将当地的气象信息与人们设定的阈值进行对比，当超过阈值后将会主动发送报警信息，从而可以减少大量的人员伤亡与财产损失
关键字：Arduino；气象；GSM
Remote disaster alarm system
Abstract: Extreme weather, such as storms, has always been a modern society or an unavoidable and very common disaster in ancient societies. People are also eager to sense the catastrophic consequences in advance. In ancient China, there were seismographs, looking ahead, and more in a superstitious way to predict disasters. There is astrology in foreign countries and divination in ancient times in our country. Series statement. Throughout the ages, all people want to accurately predict disasters, and to predict or adopt certain actions before the consequences of the damage can enable disasters to be circumvented in advance or reduce the occurrence of catastrophic consequences. Moreover, these disasters are also very frightening. Once it happens, it will bring great losses to people's lives and property security. Therefore, the development and application of remote disaster warning devices have very important significance and impact. This topic mainly describes a remote disaster alarm system. According to the planning and design, we designed a remote disaster alarm device with better functions and higher reliability based on existing cases. The device mainly describes a Real-time analysis of local site conditions can quickly compare local weather information with thresholds set by people. When the threshold value is exceeded, it will automatically send alarm information, which can reduce a large number of casualties and property losses.
Keywords: Arduino; Weather; GSM
目录
第一章 前言 3
1.1本课题研究的目的及意义 3
1.2本课题研究的内容 3
1.3远程灾害报警系统的发展现状 4
第二章 远程灾害报警系统简介 4
2.1高温警报 4
2.2大风警报 5
2.3暴雨警报 5
2.4临界水位警报 5
第三章 系统选型设计 6
3.1单片机选型 6
3.2 无线发送模块选型 7
3.2.1 WIFI模块 7
3.2.2 Lora模块 7
3.2.3 GSM模块 8
3.3风速风向传感器选型 9
3.4温湿度传感器选型 9
3.5雨量计选型 10
3.6液位计选型 11
第四章 系统硬件设计 12
4.1系统整体设计 12
4.2单片机电路设计 13
4.2.1 主控系统电路 13
4.2.2 串口下载电路 14
4.2.3 系统电源电路 14
4.3 GSM模块 15
4.4 WX-2气象模块 16
4.5液位计 16
第五章 系统软件设计 17
5.1系统流程图 17
5.2 GSM模块初始化 18
5.3气象模块参数读取 19
5.4液位计数据读取 24
5.5 阈值设置 24
5.6 警报处理部分 28
第六章 总结、致谢 30
参考文献 31
第一章 前言
1.1本课题研究的目的及意义
狂风暴雨等极端天气一直是现代化的社会还是古代社会都不可避免而且非常常见的灾害。人们也十分渴望对灾难性后果的提前感知，中国古代就有了地动仪，放眼望去，更多的却停留在迷信的方式来预测灾难，国外就有占星术、我们国家古时候有占卜等一系列说法。古往今来，所有的人们都想准确的预测灾难，在造成破坏的后果之前就预测或者采用某些行动能让灾难能提前就被规避或者减少灾难性后果的发生。而且这些灾难也是十分可怕的，一旦发生将会对人们的生命、财产安全带来特别大的损失，因此远程灾害报警装置的开发对与实际应用具有非常重大的意义和影响。
1.2本课题研究的内容
本课题主要正对上面所提到的极端天气所引起的天气变化所造成的高温，水位测试，降雨量，风力风向检测，并且预警的一个装置，而且里面的预警值的上下限可以自己设置。
为了满足上面提到的那些功能，需要硬件执行才能满足上面所说的要求，在本设计中研究的内容是通过单片机来具体的实现，需要采用多种传感器，并且对温度、水位、风力这些传感器的参数进行融合处理，并且再根据提前设置好的警报阈值自动发送警报信息。
所以本设计将会涉及到对单片机、温湿度传感器、水位传感器、降雨量传感器、GSM信息发送模块的选型和使用。由于使用了很多的外部模块，所以对多个模块的融合需要做很多的工作。
1.3远程灾害报警系统的发展现状
现在常见的灾难主要包括了强对流天气造成的狂风，暴雨，并且由暴雨产生的一系列次生灾害，包括江河湖泊超过临界水位等情况。目前对这些方式由需求的客户大多数为科研机构或者是一些当地的监管单位，但是由于他们业务特别复杂，所以现在正对这种情况，现在市面上特别需要一种简单的可以实现简单应用也可以通过更多复杂的传奇器实现组网运行的传感器网络。
第二章 远程灾害报警系统简介
本远程灾害报警系统分了四大类报警、分别为高温警报、大风警报、暴雨警报、临界水位警报，本系统不止用在小规模的灾害警报，并且可以通过手动设置，更改警报参数的上下限值，这样就可以很方便的运用在其他的领域。并且通过短信的方式发给指定的用户，这个用户不仅可以是个人，而且可以发送给制定的终端，再通过终端将警报信息转发到更多需要得到这些信息的人手中。接下来的几点来详细的说明每个警报装置的基本原理。
2.1高温警报
高温警报会在气温达到一定程度的时候被触发，国内的高温预警分了三个级别，按照严重等级排序分为黄橙红三个等级。在气象学中，一般将35℃以上的天气称之为高温天气，要是这种天气持续多日，就称之为“高温热浪”，持续时间越长，对人和动物，植物将会持续的产生一系列的不良影响，人、动物容易中暑，植物则容易干枯。
要实现高温警报首先是需要对当前的温度进行检测，并且再对比当初设定的报警阈值，从而实现高温预警。
2.2大风警报
大风警报会在风力超过一定指的时候被触发，一般大风是指除了台风意外的预警信号，按照严重等级分为蓝黄橙红四个级别。一般在平均风力超过6级就会触发大风预警信号。按照不同等级的预警也会有不同的应对措施。
狂风天气要检测的不止有风力强弱变化，还需要检测风向、即风是从哪个地方吹过来的，当风的强度达到设定的强度的时候就会触发警报信息，发送相应的警报信息到指定的地方。
2.3暴雨警报
暴雨预警是指在持续的时间内降雨量达到一定的级别，按照分级可以分为蓝黄橙红四种级别，通常暴雨预警信号是由国家的气象主管部门负责对全国的气象预警信号进行管理，包括了警报信号的发布解除，与传播相关的一系列操作，然后各个地方的监管机构将会根据上面机构发布的预警信息发布自己辖区的预警信息。
要实现暴雨的警报将会知道现在的降雨量，所以会使用到降雨量传感器，通关过降雨量传感器得到降雨量数据后再与当初设定的报警阈值进行对比后，若果超过了设定的值后将会发送暴雨警报给指定的地方。
2.4临界水位警报
对水位预警需要用到的地方大多数为江河湖泊等地方。一旦水位超过临界值将很有可能发生很多的次生灾害，所有要想实现对水量的检测需要用到水位传感器，检测当前的水位，通过检测出来的水位与设定的报警阈值进行对比，超过报警阈值后触发条件将会发送报警信息。
第三章 系统选型设计
3.1单片机选型
Arduino是一个开源计算机以及软件公司，用户可以通过Arduino单片机以及相应的微控制器工具包构建数字设备以及能与外界交换的设备。可以通过传感器和控制器感知和控制物理世界中的对象，Arduino符合GNU或者GPL，允许任意一方制造和销售Arduino，可以以商业的形式封装与商品中，也可以共客户自行DIY使用。
Arduino使用了各种微处理器和控制器，这些电路板配有数字和模拟量输入输出（I/O）引脚，可以被连接到各种扩展板或者其他电路中，因为由Arduino 电路板的存在，从而使得这些电路有了串口通信功能，可以通过各类的串行总线，电脑中常用USB连接的方式连接这个电路，也可以通过自己设定程序以别的方式让Arduino电路板与电脑进行通讯。Ardino所使用的语言具有C和C++的语言特征，除了自身的Arduino自身的Arduino编译器，还提供了Processing语言项目的开发环境。
大多数的Arduino 板包含了一枚Atmel 公司生产的8位AVR微处理器，后来又于2012年推出了一款基于Atmel SAM3X8E的32位Arduino Due，这些电路板通常都具有单排或者双排排插，可以通过排插方便的与外界的电路板进行连接，可以使用IIC串行总线单独寻址的方式访问多个外部设备。Arduino电路板大多数都包含了5V稳压芯片和16MHz的晶体或者陶瓷晶振，Arduino预先存储了一个引导加载程序，简化了程序上传到片上闪存的过程。Arduino板暴露了大多数微控制器的I / O引脚供其他电路使用。Arduino Uno提供了14个数字I / O引脚，其中6个可以产生脉冲宽度调制信号，还有6个模拟输入，也可以用作6个数字I / O引脚。 这些引脚位于电路板的顶部，通过0.1英寸（2.54毫米）的插座。 几个简单的插件也可以在市场上买到。 Arduino Nano和Arduino兼容的扩展版板可以在板的下面提供插头插头，用于插入无焊面包板，可以方便快速的进行测试。
由于Arduino单片机使用广，引脚很多，功能很丰富，而且由于使用的得多，所以现在市面上有很多相应的资料，给开发带来了很多便利性。因此综合考虑，本系统采用Arduino单片机作为计算核心。
参考文献
[印]Mohit Arora；李海东 著 [译者]李海东 译. 硬件架构的艺术:数字电路的设计方法与技术[M]. 机械工业出版社. 2014.3(1)
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