Arduinoベースの早期洪水検知システム - ソースコードと回路設計

早期洪水監視システム - 回路図とプロジェクトソースコード

発展途上国・先進国を問わず、洪水は人命と動物の命、財産を奪う大規模な自然災害です。海底地震、ハリケーン、降雨、その他の自然災害による洪水が、毎年世界中の多くの地域で発生しています。

降雨時、さまざまな地理的地域での排水システムの不備が洪水を引き起こし、多くの命が失われています。水位上昇を検知して事前に警告するシステムがあれば、多くの人々を避難させ、命を救うことができます。テクノロジーを活用して水位上昇を検知し、人々に事前に警告するシステムが必要です。

このプロジェクトでは、池、ダム、貯水池の水位を検知し、ブザーで警告を発するプロトタイプを紹介します。これは小規模なプロトタイプで、Arduino UNO、超音波センサー、ブザー、LCD、接続ワイヤーを使用します。

早期洪水検知の回路図

Arduinoベースの早期洪水検知システム - ソースコードと回路設計

必要なコンポーネント

Arduino UNO
HC-SR04超音波センサー
ブザー
16×2 LCDディスプレイ
ジャンパーまたは接続ワイヤー

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HC-SR04とArduino UNOのインターフェース

HC-SR04超音波センサーは、Arduino、PIC、Raspberry Piなどすべてのマイクロコントローラーで使用できます。このプロジェクトでは、HC-SR04超音波センサーをArduino UNOとインターフェースします。HC-SR04モジュールには4つのピンがあります：VCC、GND、Trig、Echo。

HC-SR04モジュールに5ボルトとGNDをArduino UNOから供給します。トリガーピンとエコーピンは入力と出力ピンなので、Arduino UNOの入力と出力ピンに接続する必要があります。距離を測定するには、まずトリガーピンを10マイクロ秒間「ハイ」に設定し、その後「ロー」に設定します。

これにより、40kHzの周波数の超音波が生成され、物体に向かって反射し、モジュールの受信機に戻ります。波が何らかの物体を検知すると、すぐにモジュールの受信機部分に戻り、エコーピンがセンサーに戻る期間だけ「ハイ」になります。

この期間に波の速度（330m/s）を掛けることで、HC-SR04モジュールと物体の間の距離が求められます。

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16×2 LCDディスプレイ

16×2 LCDをArduino UNOとインターフェースするのは非常に簡単です。市場にはさまざまなタイプのLCDがありますが、このプロジェクトで使用しているのは16×2で、2行あり、各行に16文字表示できます。

このモジュールには日立のHD44780ドライバーが搭載されており、マイクロコントローラーとのインターフェースと通信を支援します。このLCDは4ビットモードと8ビットモードで動作できます。4ビットモードではLCDとマイクロコントローラーの接続確立に4つのデータピンのみが必要ですが、8ビットモードでは8つのデータピンが必要です。

ここでは、必要なワイヤー数が少なく回路がシンプルになる4ビットモードで使用します。16×2 LCDのピン説明を見てみましょう。

Arduinoベースの早期洪水検知システム - ソースコードと回路設計

16×2 LCDモジュールのピン説明:

LCDピン	説明
VSS	グランドピン
VCC	+5V電源
VEE	LCDコントラスト調整ピン
RS	レジスタ選択: データモードまたはコマンドモード
RW	読み取りまたは書き込みモード
E	LCDイネーブル
DB0-DB7	これらのピンでデータとコマンドを供給
LED+	バックライトLEDのアノード
LED-	バックライトLEDのカソード

このLCDには独自の光源がないため、画面の後ろにLEDがあり、ディスプレイのバックライトとして機能します。Arduino IDEにはLiquidCrystalライブラリが用意されており、初期化と表示出力を容易にする多くの組み込み関数があります。このプロジェクトで主に使用するLCD関数は：

LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7); lcd.begin() lcd.clear() lcd.print()

早期洪水検知システムの動作とソースコード

超音波センサーを、送信機と受信機が水位に向くように基準レベルに配置します。Arduino UNOがセンサーと水位の間の距離を測定します。

LCDにそれらの間の距離を表示します。洪水レベルの基準を設定し、水位が基準に達したらブザーを「ハイ」に設定し、LCDに洪水警告テキストを表示します。

コード説明

#include 
LiquidCrystal lcd(2,3,4,5,6,7);
lcd.begin(16,2);

LCDディスプレイ用の組み込みライブラリがインクルードされています。LiquidCrystal lcd()関数はArduino UNOに接続されたデータのピン番号を取ります。Lcd.begin()で16×2 LCDを初期化します。

pinMode(18,OUTPUT); //トリガーピン
pinMode(19,INPUT); //エコーピン
pinMode(20,OUTPUT); //ブザー

ピン18と20をトリガーとブザー用の出力ピンに、ピン19をエコーピン用の入力ピンに設定します。

t=pulseIn(19,HIGH);
dist=t*340/20000;

時間変数't'がトリガーピンがハイになっている時間を検出し、これをセンチメートル単位の距離を計算するために使用し、変数'dist'に値を格納します。

if(dist<40) {
  digitalWrite(20,HIGH);
  lcd.clear();
  lcd.setCursor(0,1);
  lcd.print("Water level is rising. Kindly evacuate");
  delay(2000);
} else {
  digitalWrite(20,LOW);
  delay(2000);
}

このコードでは、水位と超音波センサーの距離が40cmになったときを洪水条件として設定しています。水位が40cm以下になるとブザーがハイになって警告し、LCDに洪水警告メッセージを表示します。

完全なソースコード:

#include 
LiquidCrystal lcd(2,3,4,5,6,7);
float t = 0;
float dist = 0;
void setup() {
  lcd.begin(16,2);
  pinMode(18,OUTPUT); //トリガーピン
  pinMode(19,INPUT); //エコーピン
  pinMode(20,OUTPUT); //ブザー
  lcd.setCursor(0,1);
  lcd.print(" Water Level Detector");
  delay(2000);
}
void loop() {
  lcd.clear();
  digitalWrite(20,LOW);
  digitalWrite(18,LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(18,HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(18,LOW);
  delayMicroseconds(2);
  t=pulseIn(19,HIGH);
  dist=t*340/20000;
  lcd.clear();
  lcd.setCursor(0,1);
  lcd.print("Distance : ");
  lcd.print(dist/100);
  lcd.print(" m");
  delay(1000);
  if(dist<40) {
    digitalWrite(20,HIGH);
    lcd.clear();
    lcd.setCursor(0,1);
    lcd.print("Water level is rising. Kindly evacuate");
    delay(2000);
  } else {
    digitalWrite(20,LOW);
    delay(2000);
  }
}

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コード説明

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