基于物聯網的用戶內部水量平衡實時監測系統

桂 軼，陳祖平，喻聆雯，苗 雨，周亞光

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

管網漏損是造成城市供水損失的主要原因之一,以全國城市年售水量222.49億m3（產銷差[1]25%）計,一天損失的水量就達1 524萬m3，相當于每秒176.4 m3，這其中大部分都是漏損水量[2]。

上海市自來水行業向全市2 000多萬人口提供用水，目前在裝水表以及用戶內部自裝水表已達上千萬只規模，并以每年10%的速度遞增。其中企事業用戶內部管網、表具計量屬于企業內部自管。企業自來水管道錯綜復雜，一般都埋在地下，管道破裂漏水很難被發現，即使發現有漏水狀況，也很難查出漏水點,再加上各個部門用水浪費，給企業帶來不小的損失。通過對用水信息的收集、傳輸、分析、整理，可以了解用戶用水情況及整體情況以便于指導用水調度、節水工作、控制用戶內部漏失、降低生產運營成本等。

1 用水情況概述

以上海市兒童醫院為例。上海市兒童醫院共有冷水表54只，安裝環境十分復雜，許多水表甚至安裝在天花板吊頂內，抄讀水表數據十分不方便，因此需要兩個后勤人員連續工作5個工作日才能抄讀完成。用戶內部用水數據量大，情況復雜，用水量數據最多每月匯總一次，對使用情況的信息反饋滯后，因此在制定部門用水指標、用水考核等方面時效性、針對性、準確性不強。而發生漏水問題時又出現反應滯后，造成大量浪費。據項目組現場調研和對相關的用水歷史資料進行分析，出現配置大口徑水表而實際小流量的用表相當普遍。

如何利用信息化技術、通信技術實現快速準確了解管網運行狀況，減少水表計量誤差，提高水表抄見率，解決這些問題將有助于自來水用水行業特別是各企事業用戶內部管理時有效降低漏失率，提升企業管理水平，降低水資源不必要的消耗，節約運營成本。

針對用戶管線復雜，主管道下各個支管道的水表多等特點，為每個水表安裝一個數據采集器，根據用戶的需求，每個水表都能夠實時、準確的上報用水數據，不但能夠除去人工抄表帶來的問題，而且使用戶、自來水公司以及政府計劃用水管理部門都能清楚地知道用水情況。通過對物聯網信息化用水系統的研究，能夠更好的督促個人和企業節約用水，能夠根據上級水表的用水量和下級水表用水量平衡關系排查漏水現象，大型企業可將用水指標細分到各個樓層、各個科室，為每月節約用水考核提供可靠數據。各個水表的實時上報，使用水賬單細致化、透明化，減少自來水公司和企業用戶因為水費問題所產生的糾紛。

2 智能抄表技術

2.1 整體架構

水表智能抄表技術分為三個層級：內置傳感器基表或其他傳感設備、通信模塊（內置或外置）和主站。

智能抄表系統的末端傳感設備與采集模塊相連，實現對水表數據的自動抄讀、傳輸，提供準確可靠的抄讀數據和水表運行狀態信息。

通信網絡由有線網絡或無線網絡組成，保證主站與采集終端的穩定通信，將監控主站的控制命令下發到采集終端，并將采集的抄表數據上報。

監控主站接收、保存水表數據，持續監控水表運行情況，并對存儲的數據進行統計、分析、匯總，管理傳感與通信設備[3]。

2.2 多節點無線自組織網絡通信技術

自組網是一組帶有無線收發裝置的移動終端組成的多跳的臨時性自治系統。在這種環境中，由于終端無線通信覆蓋范圍的有限性，兩個無法直接通信的用戶終端可以借助其他終端的分組轉發進行數據通信。它可以在沒有或不便利用現有的網絡基礎設施的情況下提供一種通信支撐環境，從而拓寬了移動通信網絡的應用環境[4]。

自組織網絡能夠利用終端的路由轉發功能，在無基礎設施的情況下進行通信，從而彌補了無網絡通信基礎設施可使用的缺陷。自組網技術為計算機支持的協同工作系統提供了一種解決途徑。

（1）多跳網絡

由于移動終端的發射功率和覆蓋范圍有限，當終端要與覆蓋范圍之外的終端進行通信時，需要利用中間節點進行轉發，如圖1所示。

圖1 節點通過多跳傳遞數據Fig.1 Multi-Hop Data Transmission

（2）網絡拓撲結構動態變化

在自組織網絡中，由于用戶終端的隨機移動、終端設備的故障、節點的隨時開機和關機、無線發信裝置發送功率的變化、無線信道間的相互干擾以及地形等綜合因素的影響，移動終端間通過無線信道形成的網絡拓撲結構隨時可能發生變化，而且變化的方式和速度都是不可預測的，如圖2所示。

圖2 拓撲更新Fig.2 Topology Updating

（3）自組織無中心網絡

自組織網絡沒有嚴格的控制中心，所有節點的地位是平等的，是一種對等式網絡。節點能夠隨時加入和離開網絡，任何節點的故障都不會影響整個網絡的運行，具有很強的抗毀性。

（4）實時采集數據

當中心節點下發采集命令時，各個節點或者將數據直接發送給集中器，或者通過中繼節點發送給集中器，總之能夠快速準確地將數據通過自組網發送給中心節點。

3 物聯網用戶內部用水水量平衡實時監控系統

3.1 系統內容

對用戶內部各管道用水數據的收集分析，能夠對自來水管道的維護、合理分配用水指標，減少用水浪費提供有效的支持。針對用戶企業自來水管道錯綜復雜、各部門用水量不均、用水數據量大的特點，經過對自組網的研究與開發，研發出一套以自組網為基礎的無線水表抄表系統，該系統由采集器、集中器和后臺軟件3部分組成，如圖3所示。采集器通過RS485接口與水表表頭連接，將采集信息通過自組網傳送給集中器，集中器通過以太網、GPRS或自組網將信息上傳給服務器，用戶、自來水公司和政府計劃用水管理部門都可登陸服務器查看用水量，如圖4所示。

圖3 系統框圖Fig.3 Diagram of System

圖4 物聯網自動抄表框圖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RS485接口與水表表頭連接，簡單方便。定時上報采集數據，具有路由中繼功能，當節點信號不好時，可以自動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，內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

集中器安裝在用戶內水表監控室內，通過USB與電腦直接相連。由USB供電，與采集器組網通訊采用公用網段的470～510 MHz無線頻段，主要功能包括接受通信范圍內的采集器入網、接收主站抄表命令并下發到采集器、接收采集器上報數據并傳給主站。

3.1.3 后臺軟件

后臺軟件完成主控中心與集中器通信，下達抄表命令，管理抄表數據并利用抄表數據監控用水狀況的工作，主要功能如下。

水表管理：添加、刪除水表，設置水表ID、級別、口徑、位置、初始值等信息。

抄表功能：抄個別表、一次性抄全部表和定期抄表功能。可設置抄表周期，對有問題的水表可單獨抄表。

數據查詢：查詢某日或某個時間段內（可按時、日、月、年查詢）的水表歷史數據，可查詢單個表或特定水表與其下級水表的抄表數據。

數據分析：統計各級水表用水量、水量異常報警。

數據顯示：包括抄表數據的實時顯示、水表信息顯示、各水表抄表歷史數據顯示、用水量統計和查詢結果的顯示。

輸出與打印：可輸出各水表用水量數據、同比、環比等。支持水表信息、查詢數據打印。

3.2 路由算法

針對用戶內部水表檢測點分散，安裝隱蔽的特點，采集器與集中器之間采用自組網方式通信。集中器作為根節點負責接收采集器節點傳來的數據，并向各節點發送數據，對不能與集中器直接通信的采集器，由其他采集器節點擔負中繼任務。

路由的建立：節點準備入網時，首先監聽信道一段時間，根據收到的其它節點的廣播包，選擇自己的父節點并向其發送入網請求。父節點收到入網請求，將自己的地址加到入網請求包的后面，并傳遞給自己的父節點，這樣傳遞下去直到消息到達集中器節點，這個入網請求包就包含了該節點到集中器的完整路徑。集中器節點依此路由發送入網應答消息給目標節點，這樣目的節點就知道了到達集中器的路由，而中繼節點和入網節點也可以根據回復信息中的路由信息更新自己的路由表。

路由更新：集中器集中時隙分配的原則，對每個采集器都要監聽自己的子節點及父節點的鄰居信息。當子節點由于掉電或者故障未發送廣播包時，父節點監聽一段時間子節點的能量無反饋時，則判定該子節點離網，并通過發送拓撲更新消息給集中器，來進行路由的拆除和相關時隙資源的收回。

3.3 系統特點

自組網結合時分同步與通道跳頻多址通信技術，具有較高的頻率利用效率和網絡健壯性。該系統可保證端到端低傳輸時延。同時，在大規模、高密度節點布置場景下具備高可靠通信能力。系統采用通道跳頻通信技術，巧妙地利用不同的跳頻序列及信道/網絡識別技術，具備很強的避免網內、外射頻干擾的能力。

4 系統實施情況

2012 年在兒童醫院管區范圍內裝入一套水表水量數據采集系統（1個集中器，60個采集器），每1 h上報一次水表數據，每天上報率98%以上。兒童醫院的水表結構如圖6所示。

圖6 兒童醫院水表結構圖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。兒童醫院的網絡拓撲圖如圖7所示。

圖7 水表節點拓撲圖Fig.7 Network Topology of Meter Nodes

經過對兒童醫院3個月的用水量數據分析，發現第一級水表用水量大于下級所有用水量之和，每小時相差2 m3，每個月相差近1 500 m3。

經過對第一級水表管道的排查后發現有一漏水處。經維修后，各級用水量都正常。實踐證明用水水量平衡實時監控系統可以十分有效地監控用戶內部用水管網漏損，及時判斷漏損點并進行相應的維修維護，從而減少水資源的浪費。此外，按照3.5元/m3水價計算，每個月還可為兒童醫院減少5 250元的水費開支。

5 總結

通過對物聯網信息化用水系統項目的實施，能夠更好地督促個人和企業節約用水，實現了根據上級水表的用水量和下級水表用水量排查漏水、偷水現象，為每月節約用水考核提供可靠數據。

［1］龔佩敏.供水水量產銷差和漏損率分析與控制對策[J].凈水技術,2012,31(4):148-151.

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

［3］陳博,徐建政,劉霄.新型微功率無線抄表系統[J].電力自動化設備,2011,39(5):134-136,144.

［4］劉云浩.物聯網導論[M].北京:科學出版社,2010.