水地暖管水流量在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

陳夢(mèng)良 吳燁榕 高錚 陸猛 夏喣坤 陳國(guó)榮

摘 要： 本文提出了一種水地暖管水流量在線監(jiān)控系統(tǒng)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)水流量傳感器網(wǎng)絡(luò)，確保采集信息能充分展示所有回水管狀態(tài)。運(yùn)用GPRS/4G網(wǎng)絡(luò)及異常水流量狀態(tài)的預(yù)警功能。同時(shí)，對(duì)歷史采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，實(shí)現(xiàn)水地暖管漏水現(xiàn)象的預(yù)測(cè)。實(shí)踐結(jié)果表明，本系統(tǒng)對(duì)水管水流量值采集和傳輸方面具有較好的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，具有推廣應(yīng)用的可行性。

關(guān)鍵詞： 水地暖； 在線監(jiān)控； 水流量； 安全監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)： TH164 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（a）-0000-00

DESIGN AND RESEARCH ON ONLINE WATER FLOW MONNTTORING OF WATER HEATING PIPE

Cheng Meng-liang Wu Ye-rong Gao Zheng Lu Meng Xia Xu-kun Chen Guo-rong

（College of Electrical and Information Engineering， Chongqing University of Science and Technology， Chongqing， 401331，China）

Abstract： This paper proposed a pressure online monitoring system of building fire pipe network. Some technologies of the IoT were utilized. A sensor network for pressures was designed to cover the whole building fire pipe network. Real-time pressure values were precisely transported to servers through GPRS and 4G network， for monitoring the pressure data of pipes and warning for abnormal pressures. To predict the pressure in the next moment， historical dates were analyzed and disposed. The realized system says it plays well on acquisition and transportation of pressure values. It shows feasibility on popularization and application from technology and economic aspects.

Key words： Water supply of fire pipe network； Online monitoring； Pressures of pipe network； Safety monitoring

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，傳感器和數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)日益成熟且穩(wěn)定[1-11]，越來(lái)越多的監(jiān)控領(lǐng)域利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)確保其監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，如作物栽培環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[12]、礦井三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)[13]、灌漿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[14]、鐵路安全監(jiān)控[15]、安防監(jiān)控系統(tǒng) [16]等。

地暖是地板輻射采暖的簡(jiǎn)稱，是以整個(gè)地面為散熱器，通過(guò)地板輻射層中的熱媒，均勻加熱整個(gè)地面，利用地面自身的蓄熱和熱量向上輻射的規(guī)律由下至上進(jìn)行傳導(dǎo)，來(lái)達(dá)到取暖的目的。由于嚴(yán)寒在中國(guó)北方一些城市地暖已成為一種普遍的取暖方式，而隨著氣候的不斷惡化以及人們對(duì)高舒適度生活的追求，原本沒(méi)有采暖習(xí)慣的南方居民對(duì)供暖系統(tǒng)的需求日漸提高，所以地暖在中國(guó)南方城市也逐漸流行起來(lái)，根據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)60%的采暖方式為地暖。地暖以熱介質(zhì)不同分為水地暖和電地暖。就水地暖來(lái)說(shuō)，一方面，水地暖是需要管道進(jìn)行熱水的循環(huán)運(yùn)輸，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，常常忽略對(duì)管道的管理與維護(hù)，會(huì)導(dǎo)致一定的滲透現(xiàn)象，其回水量會(huì)減少，供暖效果大大減弱。而滲透一旦發(fā)生就會(huì)逐漸發(fā)展為出現(xiàn)漏水，并且不斷加重，前期很難發(fā)現(xiàn)。現(xiàn)在常用檢測(cè)方法是當(dāng)水管漏水現(xiàn)象明顯后向水管內(nèi)加壓判斷是否漏水。這種方法對(duì)地暖漏水現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)存在相當(dāng)大的滯后。另一方面，水地暖通過(guò)調(diào)節(jié)水流量來(lái)實(shí)現(xiàn)房間溫度的調(diào)節(jié)，因此對(duì)水地暖的水流量在線監(jiān)測(cè)具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義。

本文提出了一種水地暖管水流量在線監(jiān)控系統(tǒng)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在水地暖管相應(yīng)位置安裝傳感器，運(yùn)用GPRS/4G網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳輸至服務(wù)器端，設(shè)計(jì)PC機(jī)web顯示系統(tǒng)和移動(dòng)終端App應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)內(nèi)水流量數(shù)據(jù)的多種方式在線監(jiān)測(cè)。當(dāng)管網(wǎng)內(nèi)缺水時(shí)，不僅在PC機(jī)端報(bào)警，而且將此

信息以短信方式直接推送給相關(guān)工作人員。本系統(tǒng)更加完善實(shí)現(xiàn)了水地暖管水流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保障了水地暖的正常運(yùn)行，降低了財(cái)產(chǎn)損失。

1 系統(tǒng)概述

1.1 硬件設(shè)計(jì)

水地暖管水流量在線監(jiān)控系統(tǒng)由三層構(gòu)成：信息采集層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用監(jiān)控層（結(jié)構(gòu)圖如圖1）。信息采集層主要通過(guò)安裝水流量傳感器獲取回水管的水流量信息。數(shù)據(jù)層將采集信息進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，通過(guò)GPRS模塊傳輸至服務(wù)器端，存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中；推送信息臨時(shí)存儲(chǔ)與移動(dòng)終端服務(wù)器。應(yīng)用監(jiān)控層是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與分析，包括PC機(jī)端和移動(dòng)終端的多種展現(xiàn)方式。

圖1 水底暖管水流量在線監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要著重于應(yīng)用監(jiān)控層的開(kāi)發(fā)（軟件框架圖如圖2）。PC機(jī)端的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和移動(dòng)終端的App應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)來(lái)源于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠顯示當(dāng)前回水管的水流量值和歷史值。當(dāng)水流量出現(xiàn)異常值時(shí)系統(tǒng)報(bào)警，提示相關(guān)人員進(jìn)行維護(hù)；同時(shí)，對(duì)歷史數(shù)據(jù)分析挖掘形成相應(yīng)圖表，預(yù)測(cè)回水管狀態(tài)，判斷是否有漏水現(xiàn)象。移動(dòng)終端的App應(yīng)用程序由于受限于移動(dòng)終端處理器的配置，僅實(shí)現(xiàn)最新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示。

當(dāng)采集數(shù)據(jù)極度異常時(shí)，移動(dòng)終端數(shù)據(jù)庫(kù)將該值以及該采集點(diǎn)的位置信息以短信方式發(fā)送給手機(jī)或者手持機(jī)。

圖2 水地暖管水流量在線監(jiān)控系統(tǒng)軟件框架圖

2 功能描述

水地暖管水流量在線監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)的物聯(lián)網(wǎng)，它包含了傳感層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層。將回水管上各點(diǎn)的水流量數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方式傳送至服務(wù)器，實(shí)時(shí)更新監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)主要由三個(gè)功能模塊構(gòu)成：水流量數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、在線監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1水流量數(shù)據(jù)采集模塊

通過(guò)在回水管上安裝水流量傳感器，構(gòu)成一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，保證最少數(shù)量的傳感器監(jiān)測(cè)整個(gè)水地暖回水管的管網(wǎng)水流量狀態(tài)。由于水地暖中熱水的溫度不高于60度，并且熱水中無(wú)其它添加物，因此選用水流量傳感器（如圖3所示）。水流量傳感器由塑料閥體、水流轉(zhuǎn)子組件和霍爾傳感器組成。當(dāng)水通過(guò)水流轉(zhuǎn)子組件時(shí)，磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)并且轉(zhuǎn)速隨著流量變化而變化，霍爾傳感器輸出相應(yīng)脈沖信號(hào)，反饋給控制器，由控制器判斷水流量的大小，進(jìn)行調(diào)控。

每個(gè)傳感器的ID號(hào)對(duì)應(yīng)一根回水管，采集數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)要將傳感器ID號(hào)和采集數(shù)值綁定發(fā)送，以便快速查找到異常回水管。

圖3 水流量傳感器實(shí)物圖

2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

基于GPRS/4G網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，前端信息采集模塊中加入GPRS模塊（如圖4所示）。當(dāng)回水管內(nèi)水流量值過(guò)高或過(guò)低時(shí)，直接以短信的方式將此信息推送給相應(yīng)的工作人員。數(shù)據(jù)層由兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)組成：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)僅存放水地暖回水管的每個(gè)傳感器最近時(shí)刻的采集數(shù)據(jù)，而以往數(shù)據(jù)則存儲(chǔ)于歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的這種處理，可以大大提高在線傳輸及顯示速率，PC機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)和移動(dòng)終端的App應(yīng)用程序只需訪問(wèn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，處理數(shù)據(jù)并顯示。只有數(shù)據(jù)分析及狀態(tài)預(yù)測(cè)時(shí)才需要訪問(wèn)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。

圖4 GPRS模塊實(shí)物圖

2.3在線監(jiān)測(cè)模塊

開(kāi)發(fā)PC機(jī)應(yīng)用程序和移動(dòng)終端App應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)水流量狀態(tài)的實(shí)時(shí)多維在線監(jiān)測(cè)。為了規(guī)避移動(dòng)終端傳輸大量數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)滯后或數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題，移動(dòng)終端App應(yīng)用程序僅實(shí)現(xiàn)在線水流量數(shù)據(jù)的顯示功能，為不在室內(nèi)工作的人員提供實(shí)時(shí)的水流量在線監(jiān)控輔助。

PC機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)采用B/S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，工作人員通過(guò)用戶界面進(jìn)行操作，采集數(shù)據(jù)分析與挖掘及預(yù)測(cè)功能在系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)表格顯示、歷史數(shù)據(jù)曲線顯示，以及異常數(shù)據(jù)的報(bào)警功能。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析推算未來(lái)時(shí)刻水流量值，實(shí)現(xiàn)未來(lái)一段時(shí)域內(nèi)回水管水流量狀態(tài)的預(yù)測(cè).

3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在實(shí)驗(yàn)調(diào)試和研發(fā)時(shí)，選用熱水器水流量傳感器DN15（4分管霍爾流量計(jì)）、ATK-SIM900A GSM/GPRS模塊和51單片機(jī)。傳感器流量范圍為1-30L/min，足以滿足水地暖回水管的最大流量，流完1L水輸出450個(gè)脈沖。本系統(tǒng)在本教學(xué)樓建立了一個(gè)小型的水流量數(shù)據(jù)采集模塊的基本構(gòu)架，設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)基本上覆蓋了一個(gè)房間的管網(wǎng)線路，基本遵照每個(gè)回水管接口處安裝一個(gè)傳感器。

進(jìn)行人工實(shí)驗(yàn)測(cè)試，將某一節(jié)水管的壓住改變其水流量時(shí)，該段安裝的傳感器立即將此異常狀態(tài)和傳感器編號(hào)以短信方式推送給實(shí)驗(yàn)員的手機(jī)，并同時(shí)上傳服務(wù)器端。實(shí)踐表明，本系統(tǒng)能準(zhǔn)確搜集來(lái)自整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)傳輸。

4系統(tǒng)特色

4.1多維監(jiān)控

為了實(shí)現(xiàn)工作人員隨時(shí)隨地在線監(jiān)控水地暖的水流量狀態(tài)，提出了多維監(jiān)控模式。不僅能在PC機(jī)端實(shí)時(shí)了解整個(gè)管網(wǎng)的水流量值，還能在移動(dòng)終端查詢此刻回水管的水流量值。

4.2自動(dòng)報(bào)警

在多維監(jiān)控的基礎(chǔ)上，當(dāng)回水管水流量出現(xiàn)異常值時(shí)，GPRS模塊直接將此信息發(fā)送到相關(guān)工作人員的手機(jī)上，加強(qiáng)工作人員處理進(jìn)度，避免由于人為原因未實(shí)時(shí)登錄在線監(jiān)控系統(tǒng)而導(dǎo)致的漏水問(wèn)題。

4.3輔助維修

每個(gè)傳感器的ID號(hào)與采集數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸至服務(wù)器，系統(tǒng)能夠自動(dòng)判斷是哪一根回水管出現(xiàn)異常狀況，更高效地輔助相關(guān)人員快速找到問(wèn)題。

5結(jié)束語(yǔ)

水地暖管水流量在線監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在水地暖管回水管定點(diǎn)位置安裝傳感器及數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊，運(yùn)用GPRS/4G網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)分級(jí)并實(shí)時(shí)的傳輸至服務(wù)器端，設(shè)計(jì)PC機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和移動(dòng)終端App應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)內(nèi)水流量狀態(tài)的多維在線監(jiān)測(cè)，減少水地暖漏水和損壞帶來(lái)的人員和財(cái)力的損失。

在實(shí)踐過(guò)程中，水流量傳感器采集數(shù)據(jù)的處理、GPRS模塊與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)連接都是難點(diǎn)。由于水地暖管水流量監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，水流量傳感器采集頻率設(shè)置為每天一次，足以保障其管理與運(yùn)行。GPRS模塊在與服務(wù)器連接的過(guò)程中需要編寫(xiě)大量協(xié)議，保障傳輸?shù)膶?shí)效性。

參考文獻(xiàn)

[1]Katarzyna B.， Gaetano C.， Simone L.， Ezio M.， Bianca M. V.. ANN-based virtual sensor for on-line prediction of in-cylinder pressure in a diesel engine [J]. Computer Aided Chemical Engineering， 2014， 33：763-768.

[2]Sungwoo C.， Youngjun K.， Hyeongki J.， Eunsuk C.， Seung-Beck L.， Wanjun Park. A graphene force sensor with pressure-amplifying structure [J]. Carbon， 2014， 78：601-608.

[3]Sima M.， Rapinder S.， Hamid F.， Mohammad M. S.. Energy efficient hybrid wired-cum-wireless sensor network design [J]. Journal of Cleaner Production， 2014， 85：408-418.

[4]Emad F.， Adil A. S.， Muhammad A. M.. Improving response time in time critical visual sensor network applications [J]. Ad Hoc Networks， 2014， 23： 65-79.

[5]Jing J.， Song L.， Xiangyu Y.. FBG sensor network for pressure localization of spacecraft structure based on distance discriminant [J] International Journal for Light and Electron Optics， 2014， 125 （1）：404-408.

[6]Sihong W.， Long L.， Zhong L. W.. Triboelectric nanogenerators as self-powered active sensors[J]. Nano Energy， 2015， 11：436-462.

[7]徐明，劉廣鐘，孫偉.基于進(jìn)化博弈論的水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2014，34（11）：3160-3163.

[8]馬丁，白光偉，沈航等.視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容相關(guān)性感知的通信協(xié)議研究[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2014， 31（12）：3762-3765，3769.

[9]葉文宇.光前傳感技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用[J]. 信息安全與技術(shù)：2013， （1）：65-67

[10]李亮，張為.多傳感器數(shù)據(jù)采集技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].

[11]荊孟春，王繼業(yè)，程志華等.電力物聯(lián)網(wǎng)傳感器信息模型研究與應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)：2014，（2）.

[12]李宏奇.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境綜合監(jiān)管方面的應(yīng)用——青海省環(huán)保[J].青海環(huán)境，2013（4）：162-165.

[13]賈少毅.基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].煤炭技術(shù)，2012，40（9）.

[14]黃躍文，郭亮，王路 .基于物聯(lián)網(wǎng)的灌漿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J]. 中國(guó)水利學(xué)會(huì)地基與基礎(chǔ)工程專業(yè)委員會(huì)第十一次全國(guó)學(xué)術(shù)技術(shù)研討會(huì)論文集，2011.

[15]肖維斯.物聯(lián)網(wǎng)在鐵路監(jiān)控安全方面應(yīng)用[D].北京：北京交通大學(xué)，2012.

[16]葉自寧.物聯(lián)網(wǎng)在安防監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 網(wǎng)絡(luò)與信息，2011，（10）：48-49.