远程的灾害报警系统的设计 3.docx
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远程的灾害报警系统的设计3
远程的灾害报警系统的设计
摘要：
时代在不断的向前发展，科学技术同时也在不断创新，人类同时也增加对社会的改造，随之而来的是频发的自然灾害。
当前的预防和防测的方法比较原始，通过天气预报等来获取天气信息。
气候信息是很看重它的时效性的，气候信息会随着时间的流逝变得没有价值。
所以需要研究出一套更实用的预测系统，能在灾害发生前及时的通知当地群众，使人们能够及时避险，尽量避免或减少人员伤亡和财产损失。
本次设计是一种采用51单片机技术的远程的灾害报警系统。
环境信息的采集模块使用DS18B20温度传感器、HS1101湿度传感器、JL-FS2风向、JL-FX2风速、翻斗式雨量、压力式水位传感器。
将采集到的环境信息发送给单片机处理，当实际测量的数据大于预设的数值时，单片机将通过远程通讯GSM模块（TC35）把报警信号发送给接收端。
关键词：
AT89S51；GSM；传感器；灾害报警；
DesignofRemoteDisasterAlarmSystem
Abstract：
Withthedevelopmentofthetimesandtheinnovationofscienceandtechnology,humanbeingsarealsoincreasingthetransformationofsociety,whichisaccompaniedbyfrequentnaturaldisasters.Currentmethodsofpreventionanddetectionarerelativelyprimitive,andweatherinformationcanbeobtainedthroughweatherforecasting.Climateinformationattachesgreatimportancetoitstimeliness.Climateinformationwillbecomeworthlessovertime.Therefore,itisnecessarytodevelopamorepracticalforecastingsystem,whichcaninformthelocalpeopleintimebeforethedisasterhappens,sothatpeoplecanavoiddangerintimeandavoidorreducecasualtiesandpropertylossesasfaraspossible.Thisdesignisaremotedisasteralarmsystemusing51single-chiptechnology.TheacquisitionmoduleofenvironmentalinformationusesDS18B20temperaturesensor,HS1101humiditysensor,JL-FS2winddirection,JL-FX2windspeed,dumprainfall,pressurewaterlevelsensor.ThecollectedenvironmentalinformationissenttotheMCUforprocessing.Whentheactualmeasureddataislargerthanthepresetvalue,theMCUwillsendthealarmsignaltothereceiverthroughtheremotecommunicationGSMmodule（TC35）.
Keywords:
AT89S51;GSM;sensor;disasteralarm;
第一章 绪论
1.1引言
远程的灾害报警系统非常符合现代市场的需求，以前的人们通过观察天气的变化来做出相应的判断以及采取相应的防范措施，因为是经验的积累并不是准确的信息，准确性可想而知并不准确，对人们的生活带来很多麻烦。
因此以前的人们在自然灾害面前显得弱小而无力，时代在发展，科技也在不断的进步，电子元器件的体积从而得到减小，很多电路都集成在一起，远程的灾害报警系统越来越先进。
1.2研究背景
因此远程的灾害报警系统可以被做的很小，体积变小了，集成的量就多了，处理速度变快，功耗也贬低了。
这里采用AT89S51单片机为控制核心，使用温度、湿度、风速、风向、水位、雨量传感器这六要素环境采集传感器来获取周边环境的变化。
当天气环境异常变化时，会通过远程通讯模块发送报警信息给终端，以达到预期的目的。
1.3研究意义
远程的灾害报警系统也广泛应用在农业、畜牧业等方面，我国是名副其实的农业大国，农业的发展对国家的经济有很大的意义。
现在的农业呈现集中化、机械化，自然环境因素对农业生产的影响得到了广泛的重视。
农作物的生产产量和天气气候有着分不开的关系。
报警系统检测农作物周边的温湿度等气候信息，当出现恶劣的天气环境，会通过无线通信给终端发送报警信息。
1.4研究内容
（1）采集温度湿度信号，测量范围：
-20℃±0.5～+60,0～100%±0.5；
（2）采集风向风速：
45m/s±1；360°±3°；
（3）采集雨量：
误差1mm；
（4）采集水位：
误差1mm；
（5）能设定上限和下限；
（6）具有远程报警功能。
本次设计的远程灾害报警这套系统相比于传统的灾害报警系统，采用了远程无线通信的方案，取代了之前的有线通信。
无线通信的优势在于成本低廉，无线的安装相比于有线安装，而且设备维护起来方便、故障诊断也变得简单。
无线通信更加适用现在市场的需求。
有线电缆在长时间使用过程中难免会遇到线路老化导致的一系类问题。
产品的安全性也很重要，新型的加密方法和隐蔽的数据传送预示着无线的安全级别将远远超过有线系统。
1.5国内外发展现状
预警工作的前苏联，美国，日本等国家已经开展了几十年。
在70年代中期，前苏联提出的时间预测，空间预测，规模和泥石流的特征值预测的概念。
在70年代末，前苏联哈萨克斯坦学院顺利通过Chemoren手动实验研制出了世界上第一个报警。
在日本，实际观测和降雨模型的实验探索不同条件下的预警方法。
在20世纪90年代，五套由美国设立了监测菲律宾皮纳图博火山泥石流报警仪器已成功发送回来，促成避免人员伤亡。
随着GIS的发展，降雨预报和灾害模型更紧密地在空间和时间有关。
自20世纪80年代中国学者对预警进行了全面的研究，并讨论了造成区域泥石流作为预报和预警方法的临界雨量。
在泥石流预警仪器的开发，显著结果也已经实现了，并且接触泥石流警报已经制定出来。
地面声音报警L1，超声波泥位报警。
这些预警结果已在大幅防灾铁路系统中得到应用，在长江上游在长江流域，四川，云南，北京，陕西，严重的泥石流等领域的三峡库区，一组监测网络已建成，还有一些重大灾害点都经过专门监控。
预警起到了泥石流预防和减少了重要的作用。
此外，新技术和方法，例如遥感技术L2，地理信息系统，灰色系统理论，专家系统判别技术，信息处理技术，计算机仿真和人工神经网络的方法中泥石流警告越来越多地使用。
近年来，泥石流灾害已变得更加严重，威胁到人的生命，财产和生产活动的主要威胁。
此，预警和防灾的非工程措施进一步吸引了政府部门的注意。
认识到灾害预警必须实行双轨运行机制，即科技专业预警研究应与地方各级政府部门组织的群体监测和预防预警工作相结合，共同建立地质灾害预警工程的技术工作体系和组织工作体系。
国土资源部提出建立全国汛期地质灾害预警系统的构想，并对地质灾害预防预警系统的规划和工程体系进行了深入探讨。
自2003年6月1日起，中国气象局和国土资源部联合推出地质灾害天气预报预警服务。
自服务运行以来，效果一直很好。
仅在6月份，中央电视台天气预报节目就发布了27条预警信息，13条预警信息。
根据各种来源的反馈，6月份发生了30次预警，334起地质灾害，它们在预测和预警范围内。
目前，地质环境监测部门、气象部门和防汛部门已经初步实现了包括泥石流灾害和监测数据在线传输在内的全国性灾害计算机联网，并启动了相应的应急救援系统。
第二章远程的灾害报警系统的设计思路
2.1系统整体需求
用户使用层
✓支持在android手机、pad电脑、PC电脑等移动终端上的使用
应用服务层
✓系统基于业内主流WEB框架LAMP进行应用的开发系统WEB前端使用主流的模块加载框架SeaJS，轻量级的js库JQuery，XX开源图表组件ECharts以及引入来自Twitter的CSS框架bootstrap
数据存储层
本系统的是基于phpthink框架开发的。
Phpthink是一个轻量级的国内PHP开发框架，可以解决应用程序开发中的大部分需求。
它包含基础架构、兼容性处理、BCL、数据库访问层、模板引擎、缓存机制、插件机制、角色认证、表单处理等常见组件。
，便于跨版本、跨平台、跨数据库迁移
✓关系型数据存放在：
MySQL数据库
✓非关系型数据存放在：
文件
2.2系统功能需求
1）android客户端或pc浏览器发起http请求
2）apache处理来自客户端、管理端、外部系统的http请求
3）apache根据请求内容返回响应请求，如是PHP对象，调用PHP应用进行处理
4）PHP应用根据请求内容按需调用mysql或memcache进行数据处理，并将结果返回给apache
5）Apache将结果返回给andorid、pc浏览器
2.3系统性能需求
性能指标
✓整体用户量20000
✓并发数>=1500
Web服务器要求指标见下表
序号
参数
指标
备注
01
平均每秒响应次数
<4S
02
成功的请求
>85%
03
失败的请求
<4%
04
成功点击次数
>95%
05
失败点击次数
<5%
06
每秒成功的点击次数
>96%
07
每秒失败的点击次数
<5%
第三章灾害报警系统监控模块硬件设计
3.1传感器的选择
方案一压电传感器
压电传感器是典型的有源传感器传感器，也称为自生传感器。
它的工作原理是基于压电效应，即一些材料在受压后在其相应的特定表面上产生电荷。
压电传感器体积小、重量轻、结构简单、工作性能好，适合测量动态力学量，不适合测量频率过低的物体，也不适合测量静态量。
目前，它主要用于测量加速度和动态力或压力。
压电器件的弱点:
高内阻和低功率。
低功耗、弱输出能量、电缆分布电容和噪声干扰会影响输出特性，这需要高外部电路。
方案二电容式传感器
电容式传感器是一种将测量的非电量变化转化为电容变化的传感器。
它具有结构简单、灵敏度高、动态响应好、非接触测量、平均效果好的优点。
电容传感器可用于检测振动科学中的压力、力、位移和非电气参数。
电容传感器的基本工作原理可以用最常见的平行板电容器来解释。
两块平行金属板的电容为
（2.1式（2.1）中
——两极板间的距离；
b——两平行极板相互覆盖的有效面积；
——介质的相对介电常数；
——真空中介电常数。
若被测量的变化使式中
、A、
三个参量中任一个发生变化，都会引起电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。
虽然电容式传感器有结构简单和良好动态特性等诸多优点，但也有不利因素：
（1）小功率、高阻抗。
受几何尺寸限制，电容传感器的电容量都很小，一般仅几皮法至几十皮法。
因C太小，故容抗
=1/
C很大，为高阻抗元件，负载能力差；又因其视在功率P=
C，C很小，则P也很小。
故易受外界干扰，信号需经放大，并采取抗干扰措施。
（2）初始电容小，电缆电容、线路的杂散电路所构成的寄生电容影响很大。
方案三电阻应变式传感器
电阻应变式传感器是一种利用电阻响应将各种机械量转换成电信号的结构传感器。
电阻应变仪电阻应变式传感器核心元件的工作原理基于材料的电阻响应。
电阻应变计可以单独用作传感器，也可以用作与弹性元件结合的传感元件，以形成机械量传感器。
导体电阻随机械变形而变化的现象称为电阻响应。
电阻应变片将机械应变信号转换成△R/R后，应变和相应的电阻变化通常很小，使得直接准确的测量变得困难和不便。
因此，应使用转换电路将应变计的△R/R变化转换为电压或电流变化。
它的转换电路通常是一个测量桥。
直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。
下图为一直流供电的平衡电阻电桥，
接直流电源E：
图2.6传感器结构原理图
当电桥的输出端与无限负载电阻连接时，可见输出端开路。
此时，DC桥被称为电压桥，即仅电压输出。
应变片测量电桥在测量前平衡电桥，因此测量期间电桥的输出电压仅与应变片感受到的应变引起的电阻变化有关。
若差动工作，即R1=R-△R,R2=R+△R,R3=R-△R，R4=R+△R,按式（2.2），则电桥输出为
应变片式传感器有如下特点：
（1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。
（2）分辨力和灵敏度高，精度较高。
（3）结构轻小，对试件影响小，对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。
（4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量。
通过以上对传感器的比较分析，最终选择了第三种方案。
题目要求称重范围0～9.999Kg，重量误差不大于
0.005Kg，考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，所以传感器量程必须大于额定称重——9.999Kg。
我们选择的是L-PSIII型传感器，量程20Kg，精度为0.01%，满量程时误差
0.002Kg，完全满足本系统的精度要求。
系统中使用的压电传感器是典型的有源传感器传感器，也称为自生传感器。
它的工作原理是基于压电效应，即一些材料在受压后在其相应的特定表面上产生电荷。
压电传感器体积小、重量轻、结构简单、运行可靠，适合测量动态机械量，不适合在太低的频率下测量，更不适合测量静态量。
目前，它主要用于测量加速度和动态力或压力。
压电器件的弱点:
高内阻和低功率。
低功耗、输出能量弱、电缆分布电容和噪声干扰会影响输出特性，这就需要更高的外部电路。
电阻应变式传感器是一种利用电阻响应将各种机械量转换成电信号的结构传感器。
电阻应变仪电阻应变式传感器核心元件的工作原理基于材料的电阻响应。
电阻应变计可以单独用作传感器，也可以用作与弹性元件结合的传感元件，以形成机械量传感器。
导体电阻随机械变形而变化的现象称为电阻响应。
电阻应变片将机械应变信号转换成△R/R后，应变和相应的电阻变化通常很小，使得直接准确的测量变得困难和不便。
因此，应使用转换电路将应变计的△R/R变化转换为电压或电流变化。
它的转换电路通常是一个测量桥。
直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益以及高稳定性的放大器放大。
图2-2为一直流供电的平衡电阻电桥，
接直流电源E：
图2-2传感器内部连接图
当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。
当忽略电源的内阻时，由分压原理有：
=（2.1）
当满足条件R1R3=R2R4时，即
（2.2）
=0，即电桥平衡。
相当于（2.2）称平衡条件。
应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。
若差动工作，即R1=R-△R,R2=R+△R,R3=R-△R，R4=R+△R,按式（2.1），则电桥输出为
（2.3）
应变片式传感器有如下特点：
（1）应用和测量范围广，应变片可制成各种机械量传感器。
（2）分辨力和灵敏度高，精度较高。
（3）结构轻小，对试件影响小，对复杂环境适应性强，可在高温、高压、强磁场等特殊环境中使用，频率响应好。
（4）商品化，使用方便，便于实现远距离、自动化测量[5]。
通过对压力传感器与电阻应变式传感器比较分析，最终选择了第二种方案。
题目要求称重范围0～5Kg,满量程量误差不大于
0.005Kg，考虑到秤台自重、振动和冲击分量，还要避免超重损坏传感器，所以传感器量程必须大于额定称重5Kg。
我们选择的是电阻应变片压力传感器，量程为5Kg，精度为0.01%，满足本系统的精度要求。
采用应变片称重的基本原理
电阻应变式传感器是一种利用电阻应变仪将应变转换成电阻变化的传感器。
传感器由粘贴在弹性元件上的电阻应变敏感元件组成。
当测量的物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形导致应变敏感元件的电阻值改变，该电阻值被转换电路转换为输出的电量，并且电量的改变反映了测量的物理量的大小。
应变片是最常用的力传感元件。
使用应变片进行测试时，应变片必须牢固地粘在测试体表面，测试片的应力会随之变形，应变片的敏感网格也会随之变形，应变片的电阻值也会随之变化。
通过测量电路，它被转换成电信号输出和显示。
当初始电阻值为R的应变片粘在试件表面时，试件应力引起的表面应变会传递到应变片的敏感网格，引起相对电阻变化δR/R/R，δR/R与ε在一定应变范围内的关系满足以下公式:
式中，ε为应变片的轴向应变。
用ε作为应变仪定义K=（δR/R）/灵敏度系数。
它表示当受试件在其轴向上受到单向应力时，由安装在受试件上的应变引起的相对电阻变化δR/R与受试件表面上由单向应力引起的轴向应变ε之比。
电阻应变片将机械应变转换成δR/R后，应变电阻的变化一般很小，因此很难准确、直接测量微小的电阻变化，也不便于直接处理。
因此，必须使用转换电路将应变片的δR/R变化转换成电压或电流变化。
惠斯通电桥电路通常用于实现这种转换。
在接入四片应变片时，需满足以下条件：
相邻桥臂应变片应变状态应相反，相对桥臂应变片应变状态应相同。
可简称为：
“相邻相反，相对相同”。
此时
、全桥差分电路不仅没有非线性误差，而且具有电压灵敏度
是单片机操作的4倍，同时具有温度补偿功能。
除了上述全桥电路，还有单冲程和半桥电路。
单臂、半桥和全桥电路的灵敏度依次增加。
当电流和电阻的相对变化不变时，电桥的输出电压及其电压灵敏度与每个电桥臂的电阻值无关。
本培训使用全桥电路。
桥式电源为5V。
3.1.1温湿度传感器的介绍
温度和湿度传感器只是传感器之一。
空气中的温度和湿度由一定的检测装置测量，然后根据一定的规则转换成电信号或其他所需形式的信息输出，以满足用户的需要。
由于温度和湿度在物理量和人们的生活中是密切相关的，因此将相应地生产温度和湿度集成传感器。
温度和湿度传感器是指能够将温度和湿度量转换成易于测量和处理的电信号的装置。
市场上的温度和湿度传感器通常测量温度和相对湿度。
3.1.2光照度传感器的介绍
照度变送器采用对弱光具有高灵敏度的硅蓝色光伏探测器作为传感器。
本发明具有测量范围广、线性好、防水性能好、使用方便、安装方便、传输距离长等特点，适用于各种场所，尤其是农业大棚、城市照明等场所。
根据不同的测量地点和不同的测量范围，线性度好，防水性能好，可靠性高，结构美观，安装使用方便，抗干扰能力强。
3.1.3显示模块的选择
方案一：
使用LED数码管动态扫描，LED数码管的价格适中，如果不显示更多数字，数码管的使用将不可避免地增加。
连接会非常麻烦，编程也会相应地复杂。
使用LED数码管动态扫描，LED数码管的价格适中，如果不显示更多数字，数码管的使用将不可避免地增加。
连接会非常麻烦，编程也会相应地复杂。
考虑到效率因素，不采用数字显示。
方案二：
使用点阵数码管显示器，点阵数码管由八行八列发光二极管组成。
这种显示模式在很多场合都可以看到，但在电子设备中显示时间是不合适的。
因为点阵显示在文本上有优势，但是在显示数字上有一定的劣势，这不够直观并且有点浪费。
方案三：
配有发光二极管液晶显示屏，液晶显示屏功能强大，可以显示大量字符、图形，显示多样，清晰可见。
与数码管显示器相比，在视觉度和亮度清晰度方面有很多优势，现在液晶显示器已经成为主流，被人们普遍接受，符合大众口味。
虽然不知道很喜欢液晶，但我应该通过查看相关数据来连接硬件电路。
3.2传感器接口电路设计
经过调查分析，温度传感器DS18B20作为检测元件，其温度测量范围为-55℃~128℃，分辨率可达0.0625℃，DS18B20可以直接读取测量的温度值，并使用三线系统（引脚1接地，引脚2连接电源，引脚3作为信号线）连接到单片机，从而减少了外部硬件电路，具有成本低、使用方便的特点。
根据系统设计的功能要求，确定系统由三个模块组成:
主控制器、测量电路和显示电路。
数字温度计的整体电路框图如下图所示
当DS18B20接收到温度转换命令时，它启动启动转换。
转换后的温度值以16位二进制有符号扩展补码的形式存储在一两个字节的暂存存储器中，单片机可以通过单线接口读取数据。
读取数据时，低位在前，高位在后。
数据格式以0.0625℃/LSB的形式表示，其中第二字节的高四位是符号位。
当符号位为0时，测量的温度值为正值，二进制数可以直接转换为十进制数。
符号位为1时，表示测量温度为负。
首先，补码应改为原码，并计算相应的小数。
数字温度计电路设计原理图如上图所示，控制器使用单片机ST89C52RC，温度传感器使用DS18B20，用4位共阴LED数码管以动态扫描法实现温度显示。
列驱动用NOT，段码信号由74HC595译码器驱动，P2.1口输出八位信号，须外接上拉电阻。
3.3电源设计
方案一：
简单的并联型稳压电源
并联型稳压电源的调整元件与负载并联，因而具有极低的输出电阻，动态特性好，电路简单，并具有自动保护功能；负载短路时调整管截止，可靠性高，但效率低，尤其是在小电流时调整管需承受很大的电流，损耗过大。
方案二：
输出可调的开关电源；
开关电源的功能元件工作在开关状态，效率高，输出功率大；易于实现短路保护和过流保护，但电路相对复杂，设计复杂，输出电压低时开关频率低，纹波大，稳定性极差。
方案三：
由固定式三端稳压器组成
它由固定三端稳压器（7812）的输出引脚V0、输入引脚Vi和接地引脚GND组成。
其稳压值为+12V。
属于CW7800系列稳压器。
输入端电容可以进一步滤波。
输出端电容可以改善负载的瞬时影响。
这个电路相对稳定。
第四章灾害报警系统监控模块软件设计
4.1气象数据采集
气象数据采集处理系统是指自动气象站。
通常，以微型计算机为核心的特定数据采集器（datacollector）被用作中心，具有各种输出信号的气象要素传感器以有线或无线方式连接到数据采集器。
数据采集器执行数据采集、转换处理和气象信息传输。
自动气象站通常可以分为两部分:
硬件和软件。
硬件部分包括计算机、数据通信接口、气象要素传感器、气象数据采集接口模块、电源转换模块等。
软件部分包括数据采集处理软件和数据网络传输软件等。
自动气象站有以下特点：
（1）可应用于人工气象站，用来获取普通观测时间以外的气象数据，保证了气象数据在时间上的完整性；
（2）可应用于人工气象站无法进入的监测区域，保证了气象数据在地域上的完整性；
（3）利用计算机及嵌入式技术进行气象数据的采集、处理和存储，保证了气象数据的高效性和可靠性；
（4）利用智能电子通信技术进行气象数据的传输，保证了气象数据的实时性。
气象数据采集与处理系统遵循RTOS（实时操作系统）的设
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