Atmosphere：野外溪流 / 漂流点山洪与泥石流智能监测预警

Arduino Python Sensor Model Web License

Atmosphere 是一套面向民间自发漂流活动与野外游泳区域（野泳池）的低成本、高实效智能监测预警系统。它通过部署在溪流/漂流点的传感器单元，实时采集土壤湿度、水流速、风速、温湿度等环境数据，用多因子数学模型判定山洪与泥石流风险等级（0~3 级），并通过网页监控 + 现场 LCD 双端呈现，在危险来临前为现场人员争取撤离时间。

⚠️ 本系统是辅助决策工具，不替代救生员与现场安全管理。山洪预警的黄金法则是上游预警——请结合上游雨量/水位遥测站构成完整预警链。 ⚠️ This is a decision-support tool, not a substitute for lifeguards or on-site safety management. The golden rule of flash-flood warning is upstream early warning — integrate with upstream rainfall/water-level stations for a complete chain.

目录 / Contents

主要功能 / Features

运行效果 / Preview

综合监控网页（http://localhost:8080，0.5 秒刷新）：

现场 LCD（每秒刷新）：

W12.3 S45% F0.50     ← 风速 km/h · 土湿度 % · 水流速 L/min
ALARM:3 L3           ← 预警等级 0~3（0=正常，3=三级最严重）

串口数据（115200，每秒一行 JSON，供网页/上位机解析）：

{"pump":1,"speed":242,"soil_raw":679,"soil_percent":34,"soil_dry":true,"soil_connected":true,"temp":23.5,"hum":56,"dht_ok":true,"flow_pulses":8,"flow":0.14,"total":1.465,"wind_raw":29,"wind_kmh":14.2,"wind_ms":3.93}

项目背景 / Background

民间自发漂流、野泳等亲水活动在山区溪流（天然河道）十分常见，但普遍缺乏有效监管，险情响应滞后。夏季短历时强降雨引发的山洪，可在数分钟内将涓涓细流变成汹涌洪流——据水利部副部长叶建春在国新办发布会介绍（2020年6月），多年统计下山洪灾害伤亡人数约占洪涝灾害伤亡人数的 70%，其中涉水游泳、溯溪属于高风险行为。

核心目标：以单点 300-400 元的低成本硬件，为漂流点 / 野泳区提供「采集 → 判断 → 预警 → 撤离」的完整闭环，同时保护周边平民安全。

团队分工 / Team

模块 / Module 职责 / Responsibility 负责人 / Lead
硬件 / Hardware 检测（收集数据） 王立辉（Wang Li Hui）
软件 / Software Web APP（监控、警报、水泵控制） 梁振宇（Austin Liang）
预测 / Prediction AI（分析数据、判断风险） 待定 / TBD

硬件方案 / Hardware

传感器单元（单点成本 300-400 元）

部件 / Part 型号 / Spec 接线 / Wiring
主控 / MCU Arduino Nano（ATmega328P，Optiboot，115200） FQBN arduino:avr:nano:cpu=atmega328
土壤湿度 / Soil 电容式，AO→A2，DO→D2 VCC→5V，GND→GND，断线检测（raw=1023 或抖动>200）
水流速 / Flow YF-S401 霍尔流量计 红→5V，黄→D8（信号），黑→GND；系数 3433.8
风速 / Wind 三杯式风速计（0~5V 模拟输出） 红→A0，黑→GND；V=ADC×5/1024，km/h=100×V
温湿度 / DHT11 数字单总线 s→D4，v→5V，g→GND
水泵 / Pump 直流抽水泵，D9 PWM 调速 软启动步长 10/20ms；独立供电 + 共地
现场显示 / LCD 1602 I2C（地址 0x27） SCL→A5，SDA→A4
联网 / Network NB-IoT 主 + LoRa 备（规划） 低功耗、小数据量

⚠️ 供电铁律：水泵必须独立供电（单独 5V 电源，只共地）。从 Arduino 5V 取电会拉垮 5V → CH340 掉电 → 板子复位断联。

软件环境

预警模型 / Warning Model

等级体系（数字越大越严重）：0 = 正常 / 1 = 一级 / 2 = 二级 / 3 = 三级（最高）

最终等级 = max(泥石流 D, 山洪 F, 风速, 流量尖峰, 突变, 土壤饱和)   ← 0~3
路径 / Path 公式 / Formula 说明 / Note
泥石流 D D = 0.30·S̄ + 0.35·Q̄ + 0.20·dQ̄ + 0.15·ΔS̄ 土壤 <60% 时跳过本路径
山洪 F F = 0.60·Q̄ + 0.40·dQ̄ 独立于土壤门槛，流量暴涨即触发
风速 ≥25 / ≥40 / ≥60 km/h 分别触发一级 / 二级 / 三级
流量尖峰 秒级变化率超当地 P95 二级；归一化 ≥0.8 → 一级
突变 土壤 5s 涨 ≥20% / 风速 60s 涨 ≥12 km/h 立即一级
土壤饱和 ≥85% 或超当地 P90 至少一级（不依赖流量）

快速开始 / Quick Start

# 1. 烧录固件（Arduino IDE，板卡 Nano + 新 Bootloader，115200）
#    demo1/zh-CN/第二版算法部分/beta5/FlowSensor.ino
#    或 arduino-cli：
#    arduino-cli compile --fqbn arduino:avr:nano:cpu=atmega328 <ino路径>
#    arduino-cli upload -p /dev/cu.usbserial-xxxx --fqbn arduino:avr:nano:cpu=atmega328 <ino路径>

# 2. 启动服务端（串口 /dev/cu.usbserial-14120）
cd demo1/zh-CN/第二版算法部分/beta5/
python3 -u server.py

# 3. 打开网页
http://localhost:8080

项目结构 / Structure

Atmosphere/
├── README.md                  # 本文件（新版导航）/ this file
├── README_CLASSIC.md          # 旧版 README 存档 / classic README archive
├── demo1/                     # Demo 1：算法归档 + 文档（zh-CN / en-US / weather / media）
│   ├── README.md              # demo1 详细导航（徽章 + 结构 + 快速开始）
│   ├── zh-CN/                 # 中文版：第一版算法部分(beta1-4) + 第二版算法部分(beta5)
│   ├── en-US/                 # 英文版（同结构）
│   ├── algorithm-iterations/  # 数学预警模型技术文档（v1/v2，中英）
│   ├── weather/               # 风速 + 温湿度模块（王立辉）
│   └── media/                 # 演示图片与视频
├── AustinLiang/               # 梁振宇工作区（土壤湿度）
├── wanglihui/                 # 王立辉工作区（风速）
└── GJJ/                       # 团队成员工作区

📂 结构约定：demo1 内中间层 = 算法版本（第一版算法部分 = beta1-4，第二版算法部分 = beta5 起），最内层 = 实现迭代（beta）。

版本历史 / Version History

版本 / Version 算法 / Algorithm 核心改动 / Key changes
beta1 v1 原始算法 D<0.30 无门槛；水泵 D7 数字开关
beta2 v1 加门槛（土壤<60%）+ 三级阈值 0.30→0.45
beta3 v1 水泵 D9 PWM 调速 + 网页滑块 + 功率显示
beta4 v1 尖峰滑动基准（自适应 P95）+ 整机功率（Demo 1 最终版）
beta5 v2 LCD 显示（风速/土湿/流速/预警 0-3）+ 算法 v2（标定对齐、山洪 F、滞回、土壤饱和）+ 温湿度本地

🏁 规划 / Plan：Demo 1 完结于 beta4；beta5 起进入算法迭代阶段（数学预警模型 v2）。超声波水位方案已砍（与流速重叠，不做曼宁 70%）。

文档索引 / Docs

位置 / Path 说明 / Description
demo1/README.md Demo 1 详细导航（目录结构、快速开始、版本历史）
demo1/algorithm-iterations/ 数学预警模型技术文档（v1/v2，中英双语，含优势/缺陷/迭代记录）
demo1/weather/ 风速 + 温湿度模块（王立辉，网络服务 + Arduino 代码）
demo1/media/ 演示图片与视频

已知限制 / Known Limitations

  1. 流量计量程窄 / Flow sensor range：YF-S401 实测 0.05~3 L/min，真实洪水流量超量程——v2 标定参数面向当前测试环境，换环境需重新标定。
  2. 突变阈值为经验值 / Empirical surge thresholds：土壤 5s+20%、风速 60s+12km/h 未做统计标定。
  3. LCD 仅 ASCII / ASCII-only LCD：1602 无中文字库，现场人员需熟悉 0~3 数字含义。
  4. 硬阈值分级 / Hard thresholds：0.45/0.55/0.75 阶梯跳变，无置信度/持续性判定（滞回已缓解闪断）。

常见问题 / FAQ

Q1：水泵一开 Arduino 就重启/断连？ 水泵不能从 Arduino 5V 取电（会拉垮 5V → CH340 掉电 → 板子复位）。必须独立 5V 电源，GND 与 Arduino 共地，D9 只发 PWM 信号。

Q2：LCD 不亮 / 花屏？ ① 检查 I2C 地址（默认 0x27，部分模块是 0x3F，改固件 lcd(0x27, 16, 2)）；② 确认 SCL→A5、SDA→A4 没接反；③ 旋转背光电位器调对比度。

Q3：流速一直为 0？ YF-S401 最小启动流量 0.3 L/min，低于此值转子不转（吹气测不了，必须通水）。接线：红→5V，黄→D8（信号），黑→GND。

Q4：风速数值异常 / 静止也有读数？ 三杯式风速计部分型号存在零点偏移（静止时输出 ~0.1-0.2V ≈ 10-20 km/h）。可在固件里读静止 ADC 值做零点校准（读数减去零点再换算）。

Q5：网页风速显示 0 / 离线？ 风速默认来自外部电脑 HTTP 服务（192.168.1.200:8001/wind），该服务离线时风速路径失效。风速传感器接入本机 A0 后自动切换本地模式（wind_source: local）。

Q6：串口连不上 / 找不到端口？ 拔插 USB 后端口号会变，用 ls /dev/cu.* | grep usbserial 确认，改 server.py 里的 SERIAL_PORT。烧录时波特率选 115200（Optiboot 新 Bootloader）。

Q7：预警一直不触发？ ① 土壤 <60% 时泥石流路径跳过（正常）；② 滑动基准冷启动需 15 分钟；③ 检查网页预警卡里的 D/F 数值是否在阈值附近（0.45/0.55/0.75）。

二次开发 / Development

贡献 / Contributing

欢迎提交 Issue 与 PR。涉及硬件接线、标定参数、算法阈值的改动，请在提交前更新对应文档（demo1/algorithm-iterations/）。本项目为教学 / 竞赛 / 公益性质，文档一律不署名。