LASS 專案 - Flood Monitoring（淹水感測）

專案聯繫人

緣起

• 這件事 參考 ，夥伴 Jhih-Cyuan Shen 給出了幫助，並讓我知道 LASS 可在 Flood Monitoring （淹水感測） 上給出幫助。LASS 夥伴有能力能在場域上佈建，初期可能在一個小的流域中測試與驗證。
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為何而戰

• 當颱風來襲時，河川水位的偵測與公開資訊，對於住在河川旁邊的民眾相當的重要，LASS 的感測相當即時，架構相對強健，也已經能在地圖上讓大家查詢。加個感測器就能有這樣的幫助，何樂而不為。目前要在小的流域上建構這個，實務上有困難。所以自己來
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• 台灣目前在主要河川上有299個水位計， 主要區排上也設置了約386個測站。但監測點位的數量對應河川與區排的空間分布上仍有很多區域對於水位的變化無法有效監控。同時政府監測站設置過程中需要花費較長時間進行評估在有限資源下進行測站設置，導致有些區域屬於經常淹水範圍但監測數量不足，無法有效了解水位及淹水發生的過程與變化。

一般需求

• 公益，開源，關鍵零件買得到
• 讓大家都能做，想裝的自己能裝（LASS 共同精神）
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應用情境

• 水位感測可以在感測河川水位，水庫水位，農業灌溉引水及蓄水等

1. 河川水位監測：一般會架設在橋梁旁或橋板或墩柱上 （進行河川水位觀測）
2. 淹水範圍監測 : 颱風天前後 針對 特定區可能域淹水範圍與水位監測 （監測網概念） 
3. 灌溉排水系統監測 :  農田水路 與 排水 水位監測 
4. 蓄水池水位 : 埤塘水位 水塔水位   
5. 雨水下水道水位監測 : 目前都市區域淹水 需要監測的資料 
6. 生態基流量 :環境生態調查時 特定時間段水位觀測

系統設計

• 初步的系統設計偏向情境1,2, 因為沒有其他的情境專家給予建議。農業專家尋覓中 ...
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• 一般
  • 感測與資料頻率：預設每分鐘一筆(  可行方案 :  10分鐘 ,5分鐘,  1 分鐘)
  • 資料記錄時間，當無法即時傳出時，資料需能記錄 14 天
  • 網路斷線與重連須能自動

• 主板
  • 由於 GPRS, GPS 內建 以及 LASS 的成熟度 ，目前選用 LinkItONE
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• 水位感測 - 超音波 
  • 精度：5cm - 10 cm
  • 感測距離範圍： < 10 m
    • 兩種觀測距離度  5m(區排 小河川 )    10m~ (大河川 )
  • 不同的感測方法，架構上需能儘量支援，以滿足未來擴充與客製化的需求。但在第一步驟，以只支援一種方式來作為開始
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• 其他感測
  • 溫度感測
    • 因為超音波的量測結果會被溫度影響，需要發展修正邏輯
    • 感測溫度範圍 -20 ~ 60
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  • 水質感測 ( 選配 )
    • 溶氧量 
    • pH 
    • 電導度
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  • [ TBD ] 
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• 通訊 - 可選 GPRS（主要/預設） 和 Wifi
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• 機構設計
  • 須注意防濕；附帶連超音波距離感測器也許要防水！因為超音波的TRIG發射訊號的部分對於水分子十分敏感
• 電源考慮
1. 用電瓶，一個月去充一次電即可
2. 計算整個系統的耗電量，使用太陽能板加上控制板和深循還電瓶應該是夠用
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• 外殼設計
  • 初步建議外殼至少能達到IPX5等級(需防雨水但防不了洪水)，需設計易於固定結構
  • 電瓶比較重可能會用到金屬件，需要提早瞭解電瓶規格
  • 可考慮電路板跟sensor放在一個保護比較好的外殼內，電瓶跟太陽能板另外成一或二組件，再用線材連接

• 後端系統要求
  • 走 LASS 系統架構，超過目前 LASS 的要求可以列出
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佈建考量

• LASS 夥伴有能力能在場域上佈建，初期可能在一個小的流域中測試與驗證。

• 可上架，讓有需要的夥伴，自行安裝

水位感測器的選擇

• 水位感測器，因應不同場域，可能需要不同的方案，架構上支援感測器可以被替換，至於要使用哪一種感測器，以社群能給出貢獻的，優先考慮。
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• [ 請建議 ]
• 目前建議：
• iCShop 超聲波測距儀-XL-Maxsonar WR1
  • Datasheet
  • Choose the Proper Ultrasonic Sensor for your Application
    • 可能建議 XL-MaxSonar-WR1, 購買前確認
    • 規格（7.6m > 5m, 10m 規格要用另外一個），詳細參考 sensor selection
    • 跟主板 Interface (PWM or analog), 用 PWM 須能 58us/cm 的 PWM measurement 訊號
    • 電壓 （3V-5.5V）
    • 環境要求
    • 機構安裝？另外讓 3dp 想辦法
    • 防水要求（後面應可另外處理）

• 其他水位感測器
  • Ultra Sonic range measurement module
    • 3cm-4m 
  • Maxbotix HRXL-MaxSonar-WRMT Weather Resistant Ultrasonic 
  •  http://goods.ruten.com.tw/item/qa?21209019543084#qna ˙MB7760  (5k)
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  • A86 JSN-SR04T 防水型汽車超音波(25cm~450cm)
  • http://goods.ruten.com.tw/item/show?21447789804587
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  • Liquid Level Sensor
  • http://www.icshop.com.tw/product_info.php/products_id/10319
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• 浮標水位計 : 考量到超音波sensor是擴散發射音波，且水面波動不易反射回接收端，是否可以利用連通管原理，將一直管插入水面，在管子內放置浮標，浮標會隨水位上下，讓超音波sensor量測浮標高度 ( 穩定度高 但維護較麻煩 ,易受雜物阻塞干擾影響水位 目前 台灣水利單位或許還有一兩處還有這樣的水位計有保留下來   )

• 英國的專案用這款 sensor, 說不定有您說的配套，再研究一下

•  參考英國專案，超音波sensor是使用單發單收加上遮罩，使訊號有指向性，是值得試做看看，考量成本問題，使用防水型汽車倒車超音波(4.5M~25cm)

• 電極棒液位計: 另一種水位感測器是利用電位值，讓不同水位高度的探針放置於靠近水面，當水位淹過探針時，電位就改變，即知目前水位高度 (目前 公寓大廈的水塔水位抽排水監測經常使用 )
• TDR 水位計: 時域反射技術 Time Domain Reflectometry

      沉水式液位計(壓力式)  :配合套管安裝 在區排或小流域使用的水位感測器  

• 雷達波水位計 : 國內政府部門 如水利署 或縣市政府 在中央管河川或區排上主要使用的水位計感測器 ( 費用20k~40k)
  •  Doppler X band 雷達探測傳感器http://www.icshop.com.tw/product_info.php/products_id/18751 
• 攝影測量: 利用影像辨識技術判斷水位資訊 

不同水位感測器的測量範圍與誤差值？

 如果不考量水面變化問題（湍急狀況） 目前儀器設備的精度都可以到公分等級的精度

 但在湍急水位狀況  目前誤差  浮球＝<壓力式<雷達波<超音波  5cm ~ 30cm

溫度感測器的選擇

• 可以用DS18B20一類的溫度感測器，附帶防水設計的
• https://tw.bid.yahoo.com/item/%E2%96%BA87%E2%97%842%E7%B1%B3-%E4%B8%8D%E9%8F%BD%E9%8B%BC%E5%B0%81%E8%A3%9D%E9%98%B2%E6%B0%B4%E5%9E%8B-DS18B20-%E6%BA%AB%E5%BA%A6%E6%84%9F%E6%B8%AC%E5%99%A8-%E6%B0%B4%E6%BA%AB-100088735340

其他感測

演算法設計

• 由於水流湍急的時候，瞬間量測到的水位變化大，需一個能穩定找出真實水位的演算法。情境請參考 美國USGS 水位流量監測影片
• [ 請建議 ] 濾波式 或平均移動法之概念 

距離感測與水位/水深等轉換公式

• 基本上感測器所感測到的物理值需經過轉換才能得到比較有意義的值，這個部分說明這個轉換公式
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• [ 請補充 ] 

Triangulation methods for height profile measurements on instationary water surfaces 論文1     論文2

有興趣協助者挖坑區

設備

• 哈爸 - 規格，韌體
• 賴桑 - 電路，基礎構型

機構

佈建

資料分析

系統帶起

LASS - Flood Monitoring（淹水感測）- 系統帶起步驟與過程

系統雛型的帶起，以精簡土砲為原則，以最快的速度確認整體系統設計的淺在性問題。

• 感測器與系統架構確認
  • 初步社群規格討論
• 零件購買
• 主板
• GPRS SIM
• 水位感測器
• 溫度感測器
• 基礎驗證，驗證 LASS 尚未支援的感測器等
• GPRS
• 水位感測器
• 初步簡單整合
• 上傳 LASS 初體驗
• 家裡附近場域測試
• 系統修整與強化
• 實際到目標場域 Field try

第一次實驗場域規劃

進行實驗場域的目的

• 收集現場相關資料，提供後續系統最佳化參考
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進行實驗場域的要求

• 資料需可上傳 LASS
• 水位需可感測（是否精準暫不要求）
• 最精簡的電子方面系統雛型（不含外殼設計）
  • 因為外殼設計可能需要電子方面確定所有元件

[ 請建議 ]

第二次實驗場域規劃

進行實驗場域的目的

• 看上了殼的設備含土砲場域安裝，是否可以在戶外活三天

進行實驗場域的要求

• 有土砲的類似外殼的保護裝置
• 資料上傳三天，不需人為處理
• 建議與正式測站 PK，作為後續資料正確性調教的參考
• 理想是束線帶磁鐵一類就能解決，場地也需要方便安裝，電瓶等附件也需要簡易保護

第三次實驗場域規劃

進行實驗場域的目的

• 嘗試建立一個小流域的試點

進行實驗場域的要求

• 需 >= 3 點，以有效的實驗目的來規劃
• 系統須能活三天
• 已經有建議可行的外殼保護裝置與安裝
• 需有預設想觀測與分析的主題性

時程相關

梅雨季五月開始，預計是六月中

颱風時期

Event - 規格討論 - 第一次

時間：2016/3/31 20:30-21:30

地點：臉書線上討論，報名者會加入討論串

Agenda:

• 0-30 min 研究筆記 Q&A
  • (為增加線上效率，請先閱讀本文，會議中不說明)
  • 專案基本資訊
  • 目前規格草案
  • 目前的基本感測器選擇與帶起方法g

• 30-55 min 規格與感測器討論與選擇
  • (為增加線上效率，有建議感測器，請事先自行寫入共筆 )
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• 55-60 min 結語與散會

第一次規格討論 - 結論區

• 水位精度規格改成 5cm-10cm
• 注意超音波感測器在下雨時，感測器容易被干擾。如果建置在下水道可能比較沒有這個問題
• 水位感測器，因應不同場域，可能需要不同的方案，架構上支援感測器可以被替換，至於要使用哪一種感測器，以社群能給出貢獻的，優先考慮。
• 請社群提供實際建構案例與相關感測器資訊
• 本次已經列出相關的規格資料，沒有提出反對的，視同已經被討論，雖無法當成結論，但於適當時候，可以做出結論
• 挖坑區歡迎大家自入

第一次規格討論 - 提問區

• 想請教感測器是否會因為表面有冷凝現象而被影響性能, 若會的話需要靠板子的廢熱做除濕(這問題比較枝節了可遇到再處理)

• 請問是指哪個感測器

參考

硬體技術相關

• An Overview of Arduino-Based Flood Monitoring Systems
• 颱洪中心水位站採購需求書文件
• 水利署氣候變遷河川量測技術評估報告 （非電子電機產業角度）
• 2013年第二次研發季報-新興雷達感測技術與產業應用 (電子電機產業角度)
•  LED 光源影像應用於水位量測之研究 交大碩士論文 
•  日本 TDR水位觀測技術
•  TDR液面偵測與沖刷面偵測專利文件交大林志平老師 
• Using a MaxSonar with a Raspberry Pi
• 超音波與雷達波水位計差異介紹影片
• 雷射流速儀 產品  非接觸式流量觀測介紹 
• 10GHz 微波感測器之研究  超音波與雷達感測器的應用比對
• Design of X-Band FMCW Short Range Radar
• 24Ghz 雷達 http://www.beyd.com.cn/product.php?cid=8
• 瑞士RFbeam 感測器可量取距離https://world.taobao.com/item/36668998088.htm
• Real-Time Tide Gauge to Tweet Tidal Alerts (ThingSpeak sample case)

水利水位流量相關

• 水利署即時水位監測資料
• 農業灌溉與排水系統介紹  
• 美國USGS 水位流量監測影片
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環境水質相關

• 水質監測
• 環保署-測站資料
• 環保署水質監測設站標準
• 虎尾科大Maker 水質監測

其他參考專案

• 英國民眾參與之水位監測專案
• a.專案網址 http://flood.network/  圖形展示
• b.twitter  https://twitter.com/flood_network  相關最新訊息
• c.軟硬體架構https://github.com/oxfloodnet 軟硬體內容

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•  英國專案 設備

LoRaWAN data network 應用

• 如果需要 LoRa 的情境，等待 LASS - LoRa extension 有點東西再說

a.架設案例

http://www.rs-online.com/designspark/electronics/eng/blog/the-things-network-calderdale

b.Building a Raspberry Pi PoweredLoRaWAN Gateway (提供網路連線技術改善的方案)

http://www.rs-online.com/designspark/electronics/eng/blog/building-a-raspberry-pi-powered-lorawan-gateway

傳統水位站設立所需設備與傳輸方式列表

水位計（超音波,雷達波 ,壓力式,浮筒） 紀錄器 , 傳輸系統,  電力供應系統

表格資料來源： 經濟部水利署 因應氣候變遷河川流量觀測技術研發及建置先期計畫

http://v5.feitsui.gov.tw/ ˋ這一個是翡翠水庫水位即時影像

https://www.youtube.com/watch?v=rH8x2E_lbng 水位

https://www.youtube.com/watch?v=YDMMjn9nBQ0 浮球

CoffeeCan Radar 咖啡罐雷達雷達 距離偵測

*

•  Doppler X band 雷達探測傳感器http://www.icshop.com.tw/product_info.php/products_id/18751  距離測試影片
  • 文件規格感測距離最遠20m 是否有機會改為水位偵測用 ??  

*

實際案例參考

水位感測Demo Box PLC版(參考自來水資源環境建制)

永宏官網圖示

http://www.fatek.com/en/technical.php?act=app_view&no=8

• 設備:
• 永宏(Fatek) PLC B10MR2-AC
• 永宏AI模組 B1-L4AD
• 永宏DIO模組 B1-8YR
• 永宏TCP/485/232通訊模組 B1-CM55E

• LD圖程式：Demo_Gen2.pdw
• 原始作者: SS Lin Hero 雄哥

• ModbusTCP 位置  
• (資料收集Gateway/SCADA才需使用, 可使用RS232或TCP接B1-CM55E的通訊模組讀取)
• Modbus簡介.pdf
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• Device ID1, 預設值...如果你沒更動的話
• Modbus Function 03(讀取), 若要更改數據為04
• 資料位置: Modbus Address 6001/6003/6005/6007
• 警報address 6009
• AI0 hi  4x6009.0  AI0 low  4x6009.1 
• AI1 hi  4x6009.2  AI1 low  4x6009.3 
• AI2 hi  4x6009.4  AI2 low  4x6009.5 
• AI3 hi  4x6009.6  AI3 low  4x6009.7 
• 喇叭 4x6009.8
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LD圖解說:

• AI0 水壓
• AI1 水流速
• AI2 PH值
• AI3 水位閘門高度
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• Y0水壓Hi 警報
• Y1 水壓Low 警報
• Y2水流速Hi 警報
• Y3水流速Low 警報
• Y4PH Hi警報
• Y5PH Low警報
• Y6閘門Hi警報
• Y7閘門Low警報
• Y8喇叭

範例圖: Y0-Y3 A>B 80%時,輸出警報

PLC工作影片, (58MB)

https://drive.google.com/file/d/0B8CYuAISaLU9MWlMMVY5eDhabFE/view?usp=sharing

其他Water Tank PLC LD寫法

https://www.youtube.com/watch?v=1pRv-p_HbRk