基于物聯(lián)網(wǎng)的用戶(hù)內(nèi)部水量平衡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

桂 軼，陳祖平，喻聆雯，苗 雨，周亞光

（1.上海市供水管理處節(jié)約用水管理科，上海 200081；2.上海市兒童醫(yī)院，上海 200040；3.中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050）

管網(wǎng)漏損是造成城市供水損失的主要原因之一,以全國(guó)城市年售水量222.49億m3（產(chǎn)銷(xiāo)差[1]25%）計(jì),一天損失的水量就達(dá)1 524萬(wàn)m3，相當(dāng)于每秒176.4 m3，這其中大部分都是漏損水量[2]。

上海市自來(lái)水行業(yè)向全市2 000多萬(wàn)人口提供用水，目前在裝水表以及用戶(hù)內(nèi)部自裝水表已達(dá)上千萬(wàn)只規(guī)模，并以每年10%的速度遞增。其中企事業(yè)用戶(hù)內(nèi)部管網(wǎng)、表具計(jì)量屬于企業(yè)內(nèi)部自管。企業(yè)自來(lái)水管道錯(cuò)綜復(fù)雜，一般都埋在地下，管道破裂漏水很難被發(fā)現(xiàn)，即使發(fā)現(xiàn)有漏水狀況，也很難查出漏水點(diǎn),再加上各個(gè)部門(mén)用水浪費(fèi)，給企業(yè)帶來(lái)不小的損失。通過(guò)對(duì)用水信息的收集、傳輸、分析、整理，可以了解用戶(hù)用水情況及整體情況以便于指導(dǎo)用水調(diào)度、節(jié)水工作、控制用戶(hù)內(nèi)部漏失、降低生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本等。

1 用水情況概述

以上海市兒童醫(yī)院為例。上海市兒童醫(yī)院共有冷水表54只，安裝環(huán)境十分復(fù)雜，許多水表甚至安裝在天花板吊頂內(nèi)，抄讀水表數(shù)據(jù)十分不方便，因此需要兩個(gè)后勤人員連續(xù)工作5個(gè)工作日才能抄讀完成。用戶(hù)內(nèi)部用水?dāng)?shù)據(jù)量大，情況復(fù)雜，用水量數(shù)據(jù)最多每月匯總一次，對(duì)使用情況的信息反饋滯后，因此在制定部門(mén)用水指標(biāo)、用水考核等方面時(shí)效性、針對(duì)性、準(zhǔn)確性不強(qiáng)。而發(fā)生漏水問(wèn)題時(shí)又出現(xiàn)反應(yīng)滯后，造成大量浪費(fèi)。據(jù)項(xiàng)目組現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和對(duì)相關(guān)的用水歷史資料進(jìn)行分析，出現(xiàn)配置大口徑水表而實(shí)際小流量的用表相當(dāng)普遍。

如何利用信息化技術(shù)、通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確了解管網(wǎng)運(yùn)行狀況，減少水表計(jì)量誤差，提高水表抄見(jiàn)率，解決這些問(wèn)題將有助于自來(lái)水用水行業(yè)特別是各企事業(yè)用戶(hù)內(nèi)部管理時(shí)有效降低漏失率，提升企業(yè)管理水平，降低水資源不必要的消耗，節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本。

針對(duì)用戶(hù)管線(xiàn)復(fù)雜，主管道下各個(gè)支管道的水表多等特點(diǎn)，為每個(gè)水表安裝一個(gè)數(shù)據(jù)采集器，根據(jù)用戶(hù)的需求，每個(gè)水表都能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確的上報(bào)用水?dāng)?shù)據(jù)，不但能夠除去人工抄表帶來(lái)的問(wèn)題，而且使用戶(hù)、自來(lái)水公司以及政府計(jì)劃用水管理部門(mén)都能清楚地知道用水情況。通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)信息化用水系統(tǒng)的研究，能夠更好的督促個(gè)人和企業(yè)節(jié)約用水，能夠根據(jù)上級(jí)水表的用水量和下級(jí)水表用水量平衡關(guān)系排查漏水現(xiàn)象，大型企業(yè)可將用水指標(biāo)細(xì)分到各個(gè)樓層、各個(gè)科室，為每月節(jié)約用水考核提供可靠數(shù)據(jù)。各個(gè)水表的實(shí)時(shí)上報(bào)，使用水賬單細(xì)致化、透明化，減少自來(lái)水公司和企業(yè)用戶(hù)因?yàn)樗M(fèi)問(wèn)題所產(chǎn)生的糾紛。

2 智能抄表技術(shù)

2.1 整體架構(gòu)

水表智能抄表技術(shù)分為三個(gè)層級(jí)：內(nèi)置傳感器基表或其他傳感設(shè)備、通信模塊（內(nèi)置或外置）和主站。

智能抄表系統(tǒng)的末端傳感設(shè)備與采集模塊相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)水表數(shù)據(jù)的自動(dòng)抄讀、傳輸，提供準(zhǔn)確可靠的抄讀數(shù)據(jù)和水表運(yùn)行狀態(tài)信息。

通信網(wǎng)絡(luò)由有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)組成，保證主站與采集終端的穩(wěn)定通信，將監(jiān)控主站的控制命令下發(fā)到采集終端，并將采集的抄表數(shù)據(jù)上報(bào)。

監(jiān)控主站接收、保存水表數(shù)據(jù)，持續(xù)監(jiān)控水表運(yùn)行情況，并對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、匯總，管理傳感與通信設(shè)備[3]。

2.2 多節(jié)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

自組網(wǎng)是一組帶有無(wú)線(xiàn)收發(fā)裝置的移動(dòng)終端組成的多跳的臨時(shí)性自治系統(tǒng)。在這種環(huán)境中，由于終端無(wú)線(xiàn)通信覆蓋范圍的有限性，兩個(gè)無(wú)法直接通信的用戶(hù)終端可以借助其他終端的分組轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。它可以在沒(méi)有或不便利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下提供一種通信支撐環(huán)境，從而拓寬了移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境[4]。

自組織網(wǎng)絡(luò)能夠利用終端的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，在無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下進(jìn)行通信，從而彌補(bǔ)了無(wú)網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施可使用的缺陷。自組網(wǎng)技術(shù)為計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作系統(tǒng)提供了一種解決途徑。

（1）多跳網(wǎng)絡(luò)

由于移動(dòng)終端的發(fā)射功率和覆蓋范圍有限，當(dāng)終端要與覆蓋范圍之外的終端進(jìn)行通信時(shí)，需要利用中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)通過(guò)多跳傳遞數(shù)據(jù)Fig.1 Multi-Hop Data Transmission

（2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化

在自組織網(wǎng)絡(luò)中，由于用戶(hù)終端的隨機(jī)移動(dòng)、終端設(shè)備的故障、節(jié)點(diǎn)的隨時(shí)開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)、無(wú)線(xiàn)發(fā)信裝置發(fā)送功率的變化、無(wú)線(xiàn)信道間的相互干擾以及地形等綜合因素的影響，移動(dòng)終端間通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)可能發(fā)生變化，而且變化的方式和速度都是不可預(yù)測(cè)的，如圖2所示。

圖2 拓?fù)涓翭ig.2 Topology Updating

（3）自組織無(wú)中心網(wǎng)絡(luò)

自組織網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有嚴(yán)格的控制中心，所有節(jié)點(diǎn)的地位是平等的，是一種對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)能夠隨時(shí)加入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點(diǎn)的故障都不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗毀性。

（4）實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)

當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)下發(fā)采集命令時(shí)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)或者將數(shù)據(jù)直接發(fā)送給集中器，或者通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送給集中器，總之能夠快速準(zhǔn)確地將數(shù)據(jù)通過(guò)自組網(wǎng)發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)。

3 物聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)內(nèi)部用水水量平衡實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)內(nèi)容

對(duì)用戶(hù)內(nèi)部各管道用水?dāng)?shù)據(jù)的收集分析，能夠?qū)ψ詠?lái)水管道的維護(hù)、合理分配用水指標(biāo)，減少用水浪費(fèi)提供有效的支持。針對(duì)用戶(hù)企業(yè)自來(lái)水管道錯(cuò)綜復(fù)雜、各部門(mén)用水量不均、用水?dāng)?shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)對(duì)自組網(wǎng)的研究與開(kāi)發(fā)，研發(fā)出一套以自組網(wǎng)為基礎(chǔ)的無(wú)線(xiàn)水表抄表系統(tǒng)，該系統(tǒng)由采集器、集中器和后臺(tái)軟件3部分組成，如圖3所示。采集器通過(guò)RS485接口與水表表頭連接，將采集信息通過(guò)自組網(wǎng)傳送給集中器，集中器通過(guò)以太網(wǎng)、GPRS或自組網(wǎng)將信息上傳給服務(wù)器，用戶(hù)、自來(lái)水公司和政府計(jì)劃用水管理部門(mén)都可登陸服務(wù)器查看用水量，如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)框圖Fig.3 Diagram of System

圖4 物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)抄表框圖Fig.4 Automatic Meter Reading System Solution based on Internet of Things

3.1.1 采集器

采集器如圖5所示。

采集器通過(guò)RS485接口與水表表頭連接，簡(jiǎn)單方便。定時(shí)上報(bào)采集數(shù)據(jù)，具有路由中繼功能，當(dāng)節(jié)點(diǎn)信號(hào)不好時(shí)，可以自動(dòng)變換頻率與集中器通訊。采用外接電源方式供電或電池供電方式供電。采用電池供電方式供電時(shí)，內(nèi)置電池使用壽命不低于6年。

3.1.2 集中器

圖5 采集器Fig.5 Collector

集中器安裝在用戶(hù)內(nèi)水表監(jiān)控室內(nèi)，通過(guò)USB與電腦直接相連。由USB供電，與采集器組網(wǎng)通訊采用公用網(wǎng)段的470～510 MHz無(wú)線(xiàn)頻段，主要功能包括接受通信范圍內(nèi)的采集器入網(wǎng)、接收主站抄表命令并下發(fā)到采集器、接收采集器上報(bào)數(shù)據(jù)并傳給主站。

3.1.3 后臺(tái)軟件

后臺(tái)軟件完成主控中心與集中器通信，下達(dá)抄表命令，管理抄表數(shù)據(jù)并利用抄表數(shù)據(jù)監(jiān)控用水狀況的工作，主要功能如下。

水表管理：添加、刪除水表，設(shè)置水表ID、級(jí)別、口徑、位置、初始值等信息。

抄表功能：抄個(gè)別表、一次性抄全部表和定期抄表功能?？稍O(shè)置抄表周期，對(duì)有問(wèn)題的水表可單獨(dú)抄表。

數(shù)據(jù)查詢(xún)：查詢(xún)某日或某個(gè)時(shí)間段內(nèi)（可按時(shí)、日、月、年查詢(xún)）的水表歷史數(shù)據(jù)，可查詢(xún)單個(gè)表或特定水表與其下級(jí)水表的抄表數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)分析：統(tǒng)計(jì)各級(jí)水表用水量、水量異常報(bào)警。

數(shù)據(jù)顯示：包括抄表數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、水表信息顯示、各水表抄表歷史數(shù)據(jù)顯示、用水量統(tǒng)計(jì)和查詢(xún)結(jié)果的顯示。

輸出與打?。嚎奢敵龈魉碛盟繑?shù)據(jù)、同比、環(huán)比等。支持水表信息、查詢(xún)數(shù)據(jù)打印。

3.2 路由算法

針對(duì)用戶(hù)內(nèi)部水表檢測(cè)點(diǎn)分散，安裝隱蔽的特點(diǎn)，采集器與集中器之間采用自組網(wǎng)方式通信。集中器作為根節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收采集器節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并向各節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，對(duì)不能與集中器直接通信的采集器，由其他采集器節(jié)點(diǎn)擔(dān)負(fù)中繼任務(wù)。

路由的建立：節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備入網(wǎng)時(shí)，首先監(jiān)聽(tīng)信道一段時(shí)間，根據(jù)收到的其它節(jié)點(diǎn)的廣播包，選擇自己的父節(jié)點(diǎn)并向其發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求。父節(jié)點(diǎn)收到入網(wǎng)請(qǐng)求，將自己的地址加到入網(wǎng)請(qǐng)求包的后面，并傳遞給自己的父節(jié)點(diǎn)，這樣傳遞下去直到消息到達(dá)集中器節(jié)點(diǎn)，這個(gè)入網(wǎng)請(qǐng)求包就包含了該節(jié)點(diǎn)到集中器的完整路徑。集中器節(jié)點(diǎn)依此路由發(fā)送入網(wǎng)應(yīng)答消息給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，這樣目的節(jié)點(diǎn)就知道了到達(dá)集中器的路由，而中繼節(jié)點(diǎn)和入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)也可以根據(jù)回復(fù)信息中的路由信息更新自己的路由表。

路由更新：集中器集中時(shí)隙分配的原則，對(duì)每個(gè)采集器都要監(jiān)聽(tīng)自己的子節(jié)點(diǎn)及父節(jié)點(diǎn)的鄰居信息。當(dāng)子節(jié)點(diǎn)由于掉電或者故障未發(fā)送廣播包時(shí)，父節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)一段時(shí)間子節(jié)點(diǎn)的能量無(wú)反饋時(shí)，則判定該子節(jié)點(diǎn)離網(wǎng)，并通過(guò)發(fā)送拓?fù)涓孪⒔o集中器，來(lái)進(jìn)行路由的拆除和相關(guān)時(shí)隙資源的收回。

3.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

自組網(wǎng)結(jié)合時(shí)分同步與通道跳頻多址通信技術(shù)，具有較高的頻率利用效率和網(wǎng)絡(luò)健壯性。該系統(tǒng)可保證端到端低傳輸時(shí)延。同時(shí)，在大規(guī)模、高密度節(jié)點(diǎn)布置場(chǎng)景下具備高可靠通信能力。系統(tǒng)采用通道跳頻通信技術(shù)，巧妙地利用不同的跳頻序列及信道/網(wǎng)絡(luò)識(shí)別技術(shù)，具備很強(qiáng)的避免網(wǎng)內(nèi)、外射頻干擾的能力。

4 系統(tǒng)實(shí)施情況

2012 年在兒童醫(yī)院管區(qū)范圍內(nèi)裝入一套水表水量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（1個(gè)集中器，60個(gè)采集器），每1 h上報(bào)一次水表數(shù)據(jù)，每天上報(bào)率98%以上。兒童醫(yī)院的水表結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 兒童醫(yī)院水表結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Hierarchical Structure of Water Meter Installed in Children's Hospital

采集器連接水表，以多跳的方式與集中器通信。兒童醫(yī)院的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖7所示。

圖7 水表節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋱DFig.7 Network Topology of Meter Nodes

經(jīng)過(guò)對(duì)兒童醫(yī)院3個(gè)月的用水量數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)第一級(jí)水表用水量大于下級(jí)所有用水量之和，每小時(shí)相差2 m3，每個(gè)月相差近1 500 m3。

經(jīng)過(guò)對(duì)第一級(jí)水表管道的排查后發(fā)現(xiàn)有一漏水處。經(jīng)維修后，各級(jí)用水量都正常。實(shí)踐證明用水水量平衡實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)可以十分有效地監(jiān)控用戶(hù)內(nèi)部用水管網(wǎng)漏損，及時(shí)判斷漏損點(diǎn)并進(jìn)行相應(yīng)的維修維護(hù)，從而減少水資源的浪費(fèi)。此外，按照3.5元/m3水價(jià)計(jì)算，每個(gè)月還可為兒童醫(yī)院減少5 250元的水費(fèi)開(kāi)支。

5 總結(jié)

通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)信息化用水系統(tǒng)項(xiàng)目的實(shí)施，能夠更好地督促個(gè)人和企業(yè)節(jié)約用水，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)上級(jí)水表的用水量和下級(jí)水表用水量排查漏水、偷水現(xiàn)象，為每月節(jié)約用水考核提供可靠數(shù)據(jù)。

［1］龔佩敏.供水水量產(chǎn)銷(xiāo)差和漏損率分析與控制對(duì)策[J].凈水技術(shù),2012,31(4):148-151.

［2］周有德.供水企業(yè)減少無(wú)收益水量的研討與實(shí)踐[J].凈水技術(shù),2012,31(3):1-4,9.

［3］陳博,徐建政,劉霄.新型微功率無(wú)線(xiàn)抄表系統(tǒng)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2011,39(5):134-136,144.

［4］劉云浩.物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論[M].北京:科學(xué)出版社,2010.