水地暖管水流量在線監(jiān)控系統(tǒng)設計與研究

陳夢良 吳燁榕 高錚 陸猛 夏喣坤 陳國榮

摘 要： 本文提出了一種水地暖管水流量在線監(jiān)控系統(tǒng)，運用物聯(lián)網(wǎng)技術，設計水流量傳感器網(wǎng)絡，確保采集信息能充分展示所有回水管狀態(tài)。運用GPRS/4G網(wǎng)絡及異常水流量狀態(tài)的預警功能。同時，對歷史采集數(shù)據(jù)進行分析與處理，實現(xiàn)水地暖管漏水現(xiàn)象的預測。實踐結(jié)果表明，本系統(tǒng)對水管水流量值采集和傳輸方面具有較好的實時性和準確性，具有推廣應用的可行性。

關鍵詞： 水地暖； 在線監(jiān)控； 水流量； 安全監(jiān)測

中圖分類號： TH164 文獻標識碼：A 文章編號：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)技術的發(fā)展，傳感器和數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g日益成熟且穩(wěn)定[1-11]，越來越多的監(jiān)控領域利用物聯(lián)網(wǎng)技術來確保其監(jiān)控系統(tǒng)的實時性和可靠性，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稱，是以整個地面為散熱器，通過地板輻射層中的熱媒，均勻加熱整個地面，利用地面自身的蓄熱和熱量向上輻射的規(guī)律由下至上進行傳導，來達到取暖的目的。由于嚴寒在中國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高舒適度生活的追求，原本沒有采暖習慣的南方居民對供暖系統(tǒng)的需求日漸提高，所以地暖在中國南方城市也逐漸流行起來，根據(jù)預測未來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。就水地暖來說，一方面，水地暖是需要管道進行熱水的循環(huán)運輸，在長期使用過程中，常常忽略對管道的管理與維護，會導致一定的滲透現(xiàn)象，其回水量會減少，供暖效果大大減弱。而滲透一旦發(fā)生就會逐漸發(fā)展為出現(xiàn)漏水，并且不斷加重，前期很難發(fā)現(xiàn)。現(xiàn)在常用檢測方法是當水管漏水現(xiàn)象明顯后向水管內(nèi)加壓判斷是否漏水。這種方法對地暖漏水現(xiàn)象的監(jiān)測存在相當大的滯后。另一方面，水地暖通過調(diào)節(jié)水流量來實現(xiàn)房間溫度的調(diào)節(jié)，因此對水地暖的水流量在線監(jiān)測具有重要的社會和經(jīng)濟意義。

本文提出了一種水地暖管水流量在線監(jiān)控系統(tǒng)，運用物聯(lián)網(wǎng)技術，在水地暖管相應位置安裝傳感器，運用GPRS/4G網(wǎng)絡將采集數(shù)據(jù)實時的傳輸至服務器端，設計PC機web顯示系統(tǒng)和移動終端App應用程序，實現(xiàn)管網(wǎng)內(nèi)水流量數(shù)據(jù)的多種方式在線監(jiān)測。當管網(wǎng)內(nèi)缺水時，不僅在PC機端報警，而且將此

信息以短信方式直接推送給相關工作人員。本系統(tǒng)更加完善實現(xiàn)了水地暖管水流量的實時監(jiān)測，保障了水地暖的正常運行，降低了財產(chǎn)損失。

1 系統(tǒng)概述

1.1 硬件設計

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、應用監(jiān)控層（結(jié)構(gòu)圖如圖1）。信息采集層主要通過安裝水流量傳感器獲取回水管的水流量信息。數(shù)據(jù)層將采集信息進行簡單處理，通過GPRS模塊傳輸至服務器端，存儲于數(shù)據(jù)庫中；推送信息臨時存儲與移動終端服務器。應用監(jiān)控層是對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行實時顯示與分析，包括PC機端和移動終端的多種展現(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 軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計主要著重于應用監(jiān)控層的開發(fā)（軟件框架圖如圖2）。PC機端的在線監(jiān)測系統(tǒng)和移動終端的App應用程序的數(shù)據(jù)來源于實時數(shù)據(jù)庫。在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠顯示當前回水管的水流量值和歷史值。當水流量出現(xiàn)異常值時系統(tǒng)報警，提示相關人員進行維護；同時，對歷史數(shù)據(jù)分析挖掘形成相應圖表，預測回水管狀態(tài)，判斷是否有漏水現(xiàn)象。移動終端的App應用程序由于受限于移動終端處理器的配置，僅實現(xiàn)最新監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示。

當采集數(shù)據(jù)極度異常時，移動終端數(shù)據(jù)庫將該值以及該采集點的位置信息以短信方式發(fā)送給手機或者手持機。

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)是一個的物聯(lián)網(wǎng)，它包含了傳感層、數(shù)據(jù)層和應用層。將回水管上各點的水流量數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡方式傳送至服務器，實時更新監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)主要由三個功能模塊構(gòu)成：水流量數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、在線監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1水流量數(shù)據(jù)采集模塊

通過在回水管上安裝水流量傳感器，構(gòu)成一個傳感器網(wǎng)絡，保證最少數(shù)量的傳感器監(jiān)測整個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。當水通過水流轉(zhuǎn)子組件時，磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動并且轉(zhuǎn)速隨著流量變化而變化，霍爾傳感器輸出相應脈沖信號，反饋給控制器，由控制器判斷水流量的大小，進行調(diào)控。

每個傳感器的ID號對應一根回水管，采集數(shù)據(jù)發(fā)送時要將傳感器ID號和采集數(shù)值綁定發(fā)送，以便快速查找到異常回水管。

圖3 水流量傳感器實物圖

2.2數(shù)據(jù)存儲模塊

基于GPRS/4G網(wǎng)絡傳輸實時采集數(shù)據(jù)，前端信息采集模塊中加入GPRS模塊（如圖4所示）。當回水管內(nèi)水流量值過高或過低時，直接以短信的方式將此信息推送給相應的工作人員。數(shù)據(jù)層由兩個數(shù)據(jù)庫組成：實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫。實時數(shù)據(jù)庫僅存放水地暖回水管的每個傳感器最近時刻的采集數(shù)據(jù)，而以往數(shù)據(jù)則存儲于歷史數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)存儲模塊的這種處理，可以大大提高在線傳輸及顯示速率，PC機在線監(jiān)控系統(tǒng)和移動終端的App應用程序只需訪問實時數(shù)據(jù)庫，處理數(shù)據(jù)并顯示。只有數(shù)據(jù)分析及狀態(tài)預測時才需要訪問歷史數(shù)據(jù)庫，進行數(shù)據(jù)分析和處理。

圖4 GPRS模塊實物圖

2.3在線監(jiān)測模塊

開發(fā)PC機應用程序和移動終端App應用程序，實現(xiàn)水流量狀態(tài)的實時多維在線監(jiān)測。為了規(guī)避移動終端傳輸大量數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)滯后或數(shù)據(jù)丟失的問題，移動終端App應用程序僅實現(xiàn)在線水流量數(shù)據(jù)的顯示功能，為不在室內(nèi)工作的人員提供實時的水流量在線監(jiān)控輔助。

PC機在線監(jiān)控系統(tǒng)采用B/S網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，工作人員通過用戶界面進行操作，采集數(shù)據(jù)分析與挖掘及預測功能在系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)。在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)采集數(shù)據(jù)實時表格顯示、歷史數(shù)據(jù)曲線顯示，以及異常數(shù)據(jù)的報警功能。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析推算未來時刻水流量值，實現(xiàn)未來一段時域內(nèi)回水管水流量狀態(tài)的預測.

3系統(tǒng)實現(xiàn)

在實驗調(diào)試和研發(fā)時，選用熱水器水流量傳感器DN15（4分管霍爾流量計）、ATK-SIM900A GSM/GPRS模塊和51單片機。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個脈沖。本系統(tǒng)在本教學樓建立了一個小型的水流量數(shù)據(jù)采集模塊的基本構(gòu)架，設計的傳感器節(jié)點基本上覆蓋了一個房間的管網(wǎng)線路，基本遵照每個回水管接口處安裝一個傳感器。

進行人工實驗測試，將某一節(jié)水管的壓住改變其水流量時，該段安裝的傳感器立即將此異常狀態(tài)和傳感器編號以短信方式推送給實驗員的手機，并同時上傳服務器端。實踐表明，本系統(tǒng)能準確搜集來自整個傳感器網(wǎng)絡的各個數(shù)據(jù)，并實時傳輸。

4系統(tǒng)特色

4.1多維監(jiān)控

為了實現(xiàn)工作人員隨時隨地在線監(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機端實時了解整個管網(wǎng)的水流量值，還能在移動終端查詢此刻回水管的水流量值。

4.2自動報警

在多維監(jiān)控的基礎上，當回水管水流量出現(xiàn)異常值時，GPRS模塊直接將此信息發(fā)送到相關工作人員的手機上，加強工作人員處理進度，避免由于人為原因未實時登錄在線監(jiān)控系統(tǒng)而導致的漏水問題。

4.3輔助維修

每個傳感器的ID號與采集數(shù)據(jù)同時傳輸至服務器，系統(tǒng)能夠自動判斷是哪一根回水管出現(xiàn)異常狀況，更高效地輔助相關人員快速找到問題。

5結(jié)束語

水地暖管水流量在線監(jiān)控系統(tǒng)運用物聯(lián)網(wǎng)技術，在水地暖管回水管定點位置安裝傳感器及數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊，運用GPRS/4G網(wǎng)絡將采集數(shù)據(jù)分級并實時的傳輸至服務器端，設計PC機監(jiān)控系統(tǒng)和移動終端App應用程序，實現(xiàn)管網(wǎng)內(nèi)水流量狀態(tài)的多維在線監(jiān)測，減少水地暖漏水和損壞帶來的人員和財力的損失。

在實踐過程中，水流量傳感器采集數(shù)據(jù)的處理、GPRS模塊與服務器間的數(shù)據(jù)連接都是難點。由于水地暖管水流量監(jiān)測的特點，水流量傳感器采集頻率設置為每天一次，足以保障其管理與運行。GPRS模塊在與服務器連接的過程中需要編寫大量協(xié)議，保障傳輸?shù)膶嵭浴?/p>

參考文獻

[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.基于進化博弈論的水聲傳感器網(wǎng)絡介質(zhì)訪問控制協(xié)議[J].計算機應用，2014，34（11）：3160-3163.

[8]馬丁，白光偉，沈航等.視頻傳感器網(wǎng)絡內(nèi)容相關性感知的通信協(xié)議研究[J]. 計算機應用研究，2014， 31（12）：3762-3765，3769.

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

[10]李亮，張為.多傳感器數(shù)據(jù)采集技術在物聯(lián)網(wǎng)領域的應用研究[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用[J].電網(wǎng)技術：2014，（2）.

[12]李宏奇.物聯(lián)網(wǎng)技術在環(huán)境綜合監(jiān)管方面的應用——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)應用研究[J].煤炭技術，2012，40（9）.

[14]黃躍文，郭亮，王路 .基于物聯(lián)網(wǎng)的灌漿監(jiān)測系統(tǒng)設計和應用[J]. 中國水利學會地基與基礎工程專業(yè)委員會第十一次全國學術技術研討會論文集，2011.

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

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