應(yīng)用超聲與物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算技術(shù)的用水安全研究

摘" 要： 面對(duì)日益嚴(yán)峻的用水安全挑戰(zhàn)，尋求高效、精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)與管理手段尤為重要。針對(duì)非正常用水情況不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)而造成損失的問題，開發(fā)了融合應(yīng)用超聲測(cè)流量與物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算技術(shù)的用水安全系統(tǒng)。進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，通過對(duì)比分析，選擇U型超聲測(cè)流量方法；然后建立用水模型，開展正常用水與非正常用水的對(duì)比研究，得到爆管、滲漏和異常用水等情況的水流量特點(diǎn)，并根據(jù)三種非正常用水情況的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套按照用水統(tǒng)計(jì)情況設(shè)定參數(shù)的判定算法；最后，搭建測(cè)試環(huán)境并開發(fā)測(cè)試程序，進(jìn)行系統(tǒng)各功能測(cè)試。結(jié)果表明：按照設(shè)定的參數(shù)，所提系統(tǒng)可準(zhǔn)確判定爆管、滲漏和異常用水等情況，并能及時(shí)關(guān)閥。經(jīng)過適應(yīng)性開發(fā)后，該系統(tǒng)可進(jìn)一步推廣至工廠、商場(chǎng)和寫字樓等場(chǎng)景。

關(guān)鍵詞： 超聲技術(shù)； 物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算； 用水安全； U型法； 水流量； 功能測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN929.5?34； TP273" " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " 文章編號(hào)： 1004?373X（2024）20?0020?07

Research on water security using ultrasound and Internet of

Things cloud computing technology

LIANG Tao1， CAO Ping1， KANG Sanhai2， JING Yanwei2

（1. School of Artificial Intelligence， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China;

2. Hebei Construction amp; Investment Group New Energy Co.， Ltd.， Shijiazhuang 050051， China）

Abstract： In the face of increasingly serious water security challenges， it is particularly important to find efficient and accurate monitoring and management tools. In allusion to the problem that abnormal water usage is not easy to be detected in time and cause losses， a water security system integrating the ultrasonic flow measurement and Internet of Things （IoT） cloud computing technology is developed. The system scheme is designed， and the U?shaped ultrasonic flow measurement method is selected by the comparative analysis. A water usage model is established， and a comparative study is carried out between normal water usage and abnormal water usage to obtain the characteristics of water flow under the conditions of pipe burst， leakage and abnormal water usage. According to the characteristics of three kinds of abnormal water usage， a set of determination algorithm based on water usage statistics is designed. The testing environment is set and the testing program is developed to test the system functions. The results show that the proposed system can accurately determine the situation of pipe burst， leakage and abnormal water usage according to the set parameters， and can close the valve in time. After adaptive development， the system can be further extended to scenarios such as factories， shopping malls and office buildings.

Keywords： ultrasonic technology; Internet of Things cloud computing; water security; U?shaped method; water flow rate; function testing

0" 引" 言

管道老化、腐蝕、凍裂以及用水設(shè)備閥門故障、人為遺忘等原因均會(huì)導(dǎo)致水泄漏問題，造成水資源浪費(fèi)和家具、電子設(shè)備、建筑結(jié)構(gòu)的損壞，因此，需要開發(fā)更好的泄漏檢測(cè)技術(shù)來適應(yīng)智能建筑的發(fā)展[1]。目前，針對(duì)漏水問題的研究主要集中在漏水檢測(cè)、判定算法和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[2]。

超聲技術(shù)用于水表計(jì)量已經(jīng)趨于成熟，解決了傳統(tǒng)機(jī)械水表始動(dòng)流速大、易磨損、量程比窄等諸多問題，超聲水表已得到大范圍的推廣[3]。超聲水表與物聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)結(jié)合應(yīng)用是目前研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]利用超聲技術(shù)獲得用水量，并通過物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算來分析水的使用情況，在水浪費(fèi)的情況下發(fā)出警告，并向用戶提供建議。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能水管理系統(tǒng)，該項(xiàng)目可將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)，在檢測(cè)到漏水時(shí)，通過智能手機(jī)向用戶發(fā)出警報(bào)；并設(shè)計(jì)了由用戶控制的電磁閥，以便于緊急情況控制水路。文獻(xiàn)[6]提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的智能水表的開發(fā)和實(shí)施方法，實(shí)現(xiàn)了水力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和可視化，并在發(fā)生漏水時(shí)，云平臺(tái)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)。劉恒等設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的水流速流量測(cè)量?jī)x，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水流速、流量的測(cè)量；并通過物聯(lián)網(wǎng)將測(cè)量結(jié)果同步到云端服務(wù)器，通過網(wǎng)頁端還可查看節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)和歷史流速、流量、液位數(shù)據(jù)，提高了流量測(cè)量的自動(dòng)化程度并實(shí)現(xiàn)了信息的遠(yuǎn)程共享[7]。但已有研究無法根據(jù)實(shí)際用水情況對(duì)非正常用水情況進(jìn)行判定，為此，本文結(jié)合家庭用水實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一種融合應(yīng)用超聲與物聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)的用水安全系統(tǒng)，并開展了測(cè)試研究。

1" 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體由超聲測(cè)流量模塊、物聯(lián)網(wǎng)通信模塊、云端處理模塊和手機(jī)端模塊組成。各模塊相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了流量的精準(zhǔn)測(cè)量、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、云端的高效處理以及用戶的便捷操作。

超聲測(cè)量設(shè)備通過監(jiān)測(cè)水路中的水流產(chǎn)生流量數(shù)據(jù)，再將流量數(shù)據(jù)通過WiFi路由器，使用MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）協(xié)議上傳。MQTT協(xié)議是一種輕量級(jí)的消息傳輸協(xié)議，通常用于物聯(lián)網(wǎng)和傳感器網(wǎng)絡(luò)通信。MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)上報(bào)到云端IoT系統(tǒng)后，云端IoT系統(tǒng)對(duì)上報(bào)的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，判斷是否發(fā)生爆管、滲漏、異常用水等非正常用水情況，當(dāng)發(fā)生上述三種情況時(shí)，將報(bào)警信息發(fā)送到用戶手機(jī)端，用戶可以通過手機(jī)端接收?qǐng)?bào)警信息和設(shè)置參數(shù)。系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.1" 超聲測(cè)流量模塊

超聲測(cè)流量模塊的核心是超聲測(cè)量設(shè)備，它利用超聲波技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的精確測(cè)量。超聲測(cè)量設(shè)備內(nèi)置物聯(lián)網(wǎng)通信模組，使其能夠?qū)y(cè)量到的流量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆贫颂幚砟K。該模塊中集成了閥門，可由云端下發(fā)指令控制閥門開閉。

1.2" 物聯(lián)網(wǎng)通信模塊

物聯(lián)網(wǎng)通信模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)超聲測(cè)流量模塊與云端處理模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸，確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、安全性和穩(wěn)定性。該模塊還具備自動(dòng)重連和錯(cuò)誤恢復(fù)功能，能夠在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定或中斷的情況下自動(dòng)恢復(fù)連接，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸。

1.3" 云端處理模塊

云端處理模塊作為系統(tǒng)的核心處理單元，能實(shí)時(shí)接收和計(jì)算流量數(shù)據(jù)。該模塊還集成了多種判定算法，用以準(zhǔn)確識(shí)別滲漏、異常用水和爆管等異常情況。

1.4" 手機(jī)端模塊

手機(jī)端模塊是一個(gè)小程序，它為用戶提供了一個(gè)友好的交互界面，用戶可以通過該程序查看實(shí)時(shí)流量數(shù)據(jù)、設(shè)定參數(shù)、控制閥門開關(guān)等。當(dāng)云端處理模塊發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，手機(jī)端程序會(huì)及時(shí)顯示報(bào)警信息，提醒用戶進(jìn)行處理。

2" 時(shí)差法測(cè)流量的原理

時(shí)差法是一種常用的超聲波測(cè)量方法，是通過換能器發(fā)射和接收的超聲波在管道內(nèi)的傳輸時(shí)間不同來計(jì)算管道內(nèi)水的流量。設(shè)計(jì)不同的超聲波傳輸和反射路徑，可形成U、V、W、X、Z型等多種方法，各種方法對(duì)比如圖2所示，其中P1～P4為換能器。

由圖2對(duì)比可知，U型法中超聲波的傳輸方向與水的流動(dòng)方向平行，無其他速度分量，且雙反射片增加了超聲波傳播的時(shí)間，提高了測(cè)量精度。本文采用U型法，其工作原理如圖3所示。

如圖3所示，假定水向右流動(dòng)，流速為[VS]，換能器P1、P2分別安裝在水路的上、下游，超聲波速度為[VC]，換能器到反射片的距離為[LC]，反射片之間的距離為L(zhǎng)，管道內(nèi)徑為D，超聲波收發(fā)電路控制換能器P1、P2的收發(fā)轉(zhuǎn)換。當(dāng)P1發(fā)射、P2接收時(shí)，超聲波在水中的傳遞時(shí)間為t12，公式如下：

[t12=2LCVC+LVC+VS]" " " " " " " "（1）

當(dāng)P2發(fā)射、P1接收時(shí)，超聲波在水中的傳遞時(shí)間為t21，公式如下：

[t21=2LCVC+LVC-VS] （2）

兩種發(fā)射與接收的時(shí)間差為Δt，公式如下：

[Δt=t21-t12=2LVSV2C-V2S] （3）

因超聲波的速度遠(yuǎn)大于水流速，故：

[Δt≈2LVSV2C]" "（4）

由式（4）可得水流速[VS]，公式如下：

[VS=ΔtV2C2L] （5）

可得瞬時(shí)流量q為：

[q=KπVSD24=KπΔtV2CD28L]" " " " "（6）

累積流量Q公式如下：

[Q=0tKπΔtV2CD28Ldt] （7）

式中，K為與流體狀態(tài)有關(guān)的修正系數(shù)。

3" 用水模型

家庭中不同用水行為會(huì)有不同瞬時(shí)流量，本文統(tǒng)計(jì)某家庭正常用水情況，包括直飲、廚房、洗漱、沐浴、洗衣機(jī)、浴缸等的瞬時(shí)流量，間隔時(shí)間為6 s，從打開到關(guān)閉用時(shí)90 s，正常用水情況如表1、圖4所示。

非正常用水一般包括滲漏、異常用水、爆管等情況。滲漏是管道有微小漏點(diǎn)或者出水口滴水，水路長(zhǎng)時(shí)間處于較小流量狀態(tài)；異常用水是水路處于累積流量較大的狀態(tài)；爆管是管道破裂，水路突然變?yōu)闃O大瞬時(shí)流量的狀態(tài)。本文通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M各情況，間隔時(shí)間為6 s，統(tǒng)計(jì)時(shí)間為90 s，用水情況如表2、圖5所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與正常用水相比，爆管具有流量瞬間突變的特點(diǎn)，滲漏具有流量小的特點(diǎn)，異常用水具有累積流量大的特點(diǎn)。

4" 算法設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)及非正常用水與正常用水的對(duì)比，本文設(shè)計(jì)了一套智能算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)用水情況的精準(zhǔn)判定。該算法包括對(duì)爆管、進(jìn)入和退出平穩(wěn)用水階段、滲漏、異常用水等的判定。

算法的運(yùn)行取決于用水統(tǒng)計(jì)情況設(shè)定的參數(shù)，并可通過云端下發(fā)進(jìn)行修改。參數(shù)如下：Δq為相鄰兩次瞬時(shí)流量的差值；Δq1為設(shè)定的瞬時(shí)流量波動(dòng)閾值；T1為采集的用水累加時(shí)長(zhǎng)；T2為設(shè)定的滲漏判定時(shí)長(zhǎng)閾值；q2為采集的用水瞬時(shí)流量；q3為設(shè)定的滲漏分界流量設(shè)定閾值；Q1為采集的連續(xù)用水累積流量；Q2為設(shè)定的單次用水累積流量閾值；Δq4為設(shè)定的爆管流量差閾值。

4.1" 爆管判定算法設(shè)計(jì)

爆管的特點(diǎn)是水路流量瞬間突變，故判定算法表示為：

[Δqgt;Δq4] （8）

4.2" 進(jìn)入和退出平穩(wěn)用水階段判定算法設(shè)計(jì)

除爆管外，大幅度波動(dòng)的數(shù)據(jù)不具備判定特征的價(jià)值，故需要先判定用水是否在波動(dòng)較小的狀態(tài)，即是否進(jìn)入了平穩(wěn)用水階段。

進(jìn)入平穩(wěn)用水階段的判定算法表示為：

[Δqlt;Δq1]" "（9）

退出平穩(wěn)用水階段的判定算法表示為：

[Δq≥Δq1]" " （10）

4.3" 滲漏判定算法設(shè)計(jì)

滲漏的特點(diǎn)是流量小、時(shí)間長(zhǎng)，故判定算法表示為：

[Δqlt;Δq1T1≥T2 q2lt;q3] （11）

4.4" 異常用水判定算法設(shè)計(jì)

異常用水的特點(diǎn)是水路處于累積流量較大的狀態(tài)，故判定算法表示為：

[q2gt;q3Q1≥Q2] （12）

4.5" 算法流程圖

按照上述算法開發(fā)程序，流程如圖6所示。超聲測(cè)量設(shè)備監(jiān)測(cè)到流量數(shù)據(jù)q2并上傳到遠(yuǎn)端后臺(tái)，云端接收q2數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，使用式（8）判斷是否為爆管，如果是爆管則關(guān)閥并遠(yuǎn)程通知；如果不為爆管則使用式（9）判斷是否進(jìn)入平穩(wěn)用水階段。

平穩(wěn)用水階段指的是在指定波動(dòng)范圍內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定的用水?dāng)?shù)據(jù)，只有滿足平穩(wěn)用水階段的數(shù)據(jù)才能夠進(jìn)行滲漏和異常用水的判定，如果不滿足則退出平穩(wěn)用水階段。如果滿足條件進(jìn)入平穩(wěn)用水階段，則判斷q2lt;q3是否成立，如果成立則使用式（11）判斷是否滲漏，若滿足式（11）條件，則關(guān)閥并遠(yuǎn)程通知滲漏；如果不成立則使用式（12）判斷是否異常用水，如果滿足式（12）條件，則關(guān)閥并遠(yuǎn)程通知異常用水，如果不滿足則完成q2數(shù)據(jù)判定，準(zhǔn)備接收下一個(gè)q2數(shù)據(jù)，完成流程。

本文還開發(fā)了手機(jī)端交互界面，可設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，界面顯示如圖7所示。

5" 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，需對(duì)各功能進(jìn)行測(cè)試，重點(diǎn)測(cè)試滲漏、異常用水、爆管等非正常用水的關(guān)鍵功能。

5.1" 測(cè)試環(huán)境搭建

測(cè)試系統(tǒng)組成與連接如圖8所示，各組成部分由水路管道連接。

測(cè)試環(huán)境搭建圖如圖9所示，其中，水龍頭模擬用水動(dòng)作，通過開關(guān)水龍頭實(shí)現(xiàn)放水和停止放水；排水盆用于接收水龍頭流出的水，并供給儲(chǔ)水箱，也作為注水用；儲(chǔ)水箱作為水的存儲(chǔ)容器，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的水源；超聲測(cè)量設(shè)備利用超聲波原理測(cè)量水路管道中的流量，其內(nèi)部集成了閥門；增壓循環(huán)泵為水路提供穩(wěn)定的壓力，確保水流暢通，同時(shí)模擬實(shí)際用水場(chǎng)景中的壓力變化。

測(cè)試前需要設(shè)置增壓循環(huán)泵的工作壓力，校準(zhǔn)超聲測(cè)量設(shè)備的測(cè)量精度等。

本文開發(fā)了用于測(cè)試的手機(jī)小程序，包括滲漏、異常用水、爆管等測(cè)試功能，界面如圖10所示，測(cè)試流程如圖11～圖13所示。

5.2" 滲漏測(cè)試

本文模擬滲漏場(chǎng)景，調(diào)整流量至1 L/min，設(shè)定瞬時(shí)流量波動(dòng)閾值為0.53 L/min，設(shè)定分界流量閾值為2 L/min，滲漏判定時(shí)長(zhǎng)為60 s（實(shí)際使用中時(shí)間應(yīng)長(zhǎng)）。

滲漏測(cè)試的瞬時(shí)流量如圖14所示。

5.3" 異常用水測(cè)試

模擬異常用水場(chǎng)景，將流量調(diào)整至20 L/min，設(shè)定瞬時(shí)流量波動(dòng)閾值為0.53 L/min，設(shè)定分界流量閾值為2 L/min，設(shè)定單次用水累積流量閾值為240 L/min。測(cè)試的瞬時(shí)流量如圖15所示。

5.4" 爆管測(cè)試

模擬爆管場(chǎng)景，流量調(diào)整最大，設(shè)定爆管流量差閾值為30 L/min，系統(tǒng)通過這些參數(shù)判定是否發(fā)生爆管事件。爆管測(cè)試的瞬時(shí)流量如圖16所示。

由圖14～圖16測(cè)試結(jié)果可知：滲漏、異常用水、爆管等功能正常，當(dāng)系統(tǒng)判定為非正常用水時(shí)，能夠及時(shí)關(guān)閥。

6" 結(jié)" 論

本文設(shè)計(jì)一種應(yīng)用超聲與物聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)的用水安全系統(tǒng)，該系統(tǒng)在預(yù)定的測(cè)試參數(shù)下，能夠準(zhǔn)確地判定爆管、滲漏、異常用水等關(guān)鍵事件，且能自動(dòng)關(guān)閥，避免損失。此外，還搭建了測(cè)試環(huán)境，針對(duì)非正常用水情況進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能準(zhǔn)確、及時(shí)地判定非正常用水情況，并自動(dòng)關(guān)閥。

所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠保障家庭用水安全，但尚需根據(jù)工廠、商場(chǎng)和寫字樓等場(chǎng)景的用水實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，獲取大量數(shù)據(jù)，并開發(fā)適用于不同場(chǎng)景的算法，從而將該技術(shù)進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

注：本文通訊作者為康三海。

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作者簡(jiǎn)介：梁" 濤（1975—），男，河北石家莊人，博士研究生，教授，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)挖掘、新能源、人工智能。

康三海（1971—），男，河北石家莊人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)挖掘、新能源、人工智能。

DOI：10.16652/j.issn.1004?373x.2024.20.004

引用格式：梁濤，曹平，康三海，等.應(yīng)用超聲與物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算技術(shù)的用水安全研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2024，47（20）：20?26.

收稿日期：2024?04?15" " " " " "修回日期：2024?05?17