基于物聯網的雨水收集項目優化問題探析

孫軍 胡美羽 張力 施佳 佟蕊 徐慧娟

(北京化工大學經濟管理學院，北京 100029)

0 引言

近年來，我國對淡水資源的需求不斷增加。每年暴雨季節來臨時，在地勢較低處都會有大量積聚的雨水致使交通阻塞，使人們的出行極為不便。由于對暴雨控制的風險性極高，其惡性結果又難以消除，因此只能降低或削弱其影響力，使損失降到最低。

目前雨水收集系統的主要特征是被動收集雨水，對其過程缺乏控制，因此加入物聯網系統的設計理念將有利于擴大優勢，化被動為主動，從而減輕排水系統的壓力。在物聯網的基礎平臺上，通過各種傳感技術(RFID、傳感器、GPS、激光掃描器等)及各種通信手段(有線、無線、長距、短距等)將物體與互聯網相連，以實現遠程監視、自動報警、診斷和維護等功能，進而實現“管理、控制、運行”一體化的處理系統。在將原始裝置優化之后，再進一步考慮一體化系統推廣的各項限制條件，對物聯網技術推廣所遇到的困難和問題進行分析研究，并提出與之相適應的解決辦法。

本文著眼于雨水收集系統與物聯網的契合之處，使二者協調統一，建立集成化的系統控制裝置，推進雨水收集和處理的一體化進程。

1 物聯網介紹

“物聯網”是在“互聯網”概念的基礎上，通過紅外感應器、射頻識別、激光掃描器、全球定位系統等信息傳感設備將其用戶端拓展到物品與物品之間的直接交流，按照約定，把任意物品與網絡連接，進行信息交換和通信功能，以實現智能化的識別、定位、跟蹤、監控、管理的一種網絡概念［1］。

1.1 物聯網技術

物聯網技術具有多技術融合、跨學科交叉等特點，是當今計算機網絡領域的研究熱點之一，但目前部分關鍵的技術點都需要創新。從硬件技術和軟件技術兩個方面來分析，使用物聯網技術后的范圍得到擴展(圖1)。硬件技術包括智能嵌入式技術(Embedded Intelligence)、無線傳感器網絡技術(WSNs)、射頻識別技術 (RFID)及納米技術(Nanotechnology);軟件技術包括信息處理技術、自組織管理技術、安全技術［1-2］。

1.1.1 硬件技術分析

圖1 物聯網關鍵技術

物聯網最主要的特性之一就是實現物體與物體之間的信息交換，因而物聯網硬件技術也是依附于各個物體而實現的。其中射頻識別技術［3］是利用無線射頻信號對物體某些特性進行識別并進行信息讀取，可以實現對物體的檢測、跟蹤和識別功能，該技術的實現需要有天線、讀取器和感應標簽，目前該技術在門禁管理、物料追蹤等領域都有較為成熟的應用。無線傳感器網絡可以用來感知客觀物理世界，獲取物理世界的信息量，其關鍵技術之一即為傳感器技術。該技術通過許多微型且廉價的傳感器節點來對客觀動態環境進行監測識別，內容涉及地震、溫度、濕度、光強度等多種現象。無線傳感器網絡技術目前在礦井、核電廠等大型工廠的安全監測方面有較大貢獻。另外，智能嵌入技術是運用先進的計算機技術，通過植入微型芯片的方式，實現對物體的數據處理效率進行提高、功能智能化升級等效果。根據嵌入物體種類與特性的不同，嵌入式技術的可達到的功能也不盡相同［4-6］。

1.1.2 軟件技術分析

物聯網硬件技術是物聯網具體實現的基礎，而物聯網軟件技術則可以很好地從底層網絡硬件協助物聯網技術安全有效地加以實施。物聯網軟件程序通過對系統中接口的設計和應用來表達系統想要為用戶提供的服務與需要完成的任務，提高系統實現效率。通過對計算機算法的調整、計算機工作方式的控制，可以更高效、統一、便捷地實現“物物”相聯的主要目的［7］。

2 傳統雨水收集系統缺陷分析

通過對現有雨水收集利用系統的分析，發現當前的雨水收集系統存在以下缺點:

(1)目前的雨水收集系統需要組合使用，這在資源利用上有很大限制。這是一種缺乏系統化和流程化的設計，因此，在資源利用過程中會造成大量人力、物力、財力投入，但收效甚微。

(2)現有雨水收集系統對雨水的處理過程較為粗略，以物理處理方式為主，以微少化學處理流程為輔，且處理后水質監測裝置較少，因此會造成水中總會有微量的化學藥劑的存在，并產生一定的副作用。

(3)當前的雨水收集系統對于水資源缺乏細致的分類，一套流程處理不同的水質，就會造成處理過程嚴謹化缺失，使水質凈化的指標保證體系缺乏制度化的規定，如此一來，對雨水的分類使用就無從談起。

(4)目前的雨水系統缺乏功能檢測裝置。現階段的雨水收集系統只適合小范圍使用，且設備的處理量較大，這會導致裝置加速老化，但鮮有人能夠及時發現系統的老化并更新系統。

(5)現階段的雨水收集系統缺少預警環節，此處所指的預警主要有以下幾個方面:①水質等級預警;②系統老化預警;③水質處理進度預警;④處理后，水質監測及等級分類預警。預警環節主要是為了保證雨水收集處理系統的有效性和合理性，這樣的處理流程能滿足當前的需求。

(6)當前的雨水收集處理系統反應時效性較差，其主要原因在于系統的開放性較低，且需要人員及時維護，缺乏自我修復功能。一旦出現設備堵塞而得不到維護的狀況，就會造成擁堵產生大量積水，導致路面濕滑，對人們日常生活造成很大不便。

(7)雨水無法真正被人們廣范圍利用，其原因在于國家的機制體制建設還不夠完善，對雨水收集處理的重視程度不高。這就會導致雨水收集系統的缺點明顯，且加強改善的力度不夠。

為了彌補現有雨水收集系統的缺點，本文將現階段的雨水收集處理系統與物聯網結合，完善其功能上的缺失，改變其流程上的不合理性。同時加強雨水利用效率，減輕淡水資源嚴重匱乏的壓力，研究雨水收集系統的自動化工作裝置，推進流程化的雨水收集系統的開發與實施。

3 雨水收集方案設計與分析

3.1 設計方案

本文所設計的方案為在原有雨水收集裝置的雨水收集區域加入污染物濃度傳感器裝置和水位壓力傳感器，并鋪設無線傳感器網絡;對降落到收集區域的雨水污染程度和降雨量的水位進行檢測，根據雨水的污染程序及降雨量將其劃分為四個等級;針對雨水的不同情況啟動相應的等級預案，實現對雨水的高效收集處理雨水;針對不同檢測結果，運用不同的處理方式，使雨水得到最大化利用(圖2)。

圖2 雨水裝置構圖

通過傳感器裝置對污染物濃度和降雨量進行的實時監測，并將監測到的數據通過無線傳感器網絡上傳至數據中心，與系統中所設定的標準數據進行比對，可以將所收集到的雨水劃分為以下四種等級:正常情況、輕度污染情況、重度污染情況以及暴雨情況。根據《城市雨水徑流復合介質多級過濾技術研究》中關于雨水所含物質鑒定實驗，水質及其用途的劃分標準如圖3 所示。

如果自然降雨，當其水質各項指標與車輛沖洗用水水質對應指標相比更低時，則其為一級雨水;當雨水水質各項指標在道路清掃與建筑施工用水水質指標之間時，則其為二級雨水;當雨水各項指標高于建筑用水時可視為三級雨水，需要經過多層處理步驟方可正常使用。

圖3 雨水內含物質鑒定［8］

通過傳感器裝置對污染物濃度和水位的測試數據，本文將收集的雨水分為正常情況、輕度污染情況、重度污染情況和暴雨情況，處理及判斷方式具體如下:

(1)正常情況:若為1 級，則無需開動其他閥門開關，讓雨水直接進入普通過濾系統進行過濾，過濾之后進入蓄水區，然后需要用水的時候再進入輸水系統進行使用，用完之后將廢水處理排除。

(2)輕度污染情況:若檢測出為2 級，則過濾裝置閥門開啟二層過濾網，對雨水進行更深一步過濾，二層過濾完之后直接進入一層過濾網進行過濾(一層過濾網無需開關)，兩次過濾之后進入儲蓄區域，之后的步驟同1。

(3)重度污染情況:若檢測為3 級，即超出了裝置所能過濾的最大限度，或者通過本裝置收集到的雨水的使用對人體會產生危害。屬于這種情況的雨水將直接進入最后的排水管道，不進行過濾，也就是視其為廢水直接排入下水管道。

(4)暴雨情況:該雨水收集系統通過水位傳感器對降雨量進行實時監控，將水位傳感器監測到的水位信號通過無線傳感網絡上傳至數據中心，將服務器將接收到的水位信息譯為可用的數據，每經過24h 將檢測到的水位數據與系統中所設定的標準進行對比。參考我國氣象部門天氣預報雨量等級劃分標準，當檢測到的水位數據大于或等于50mm 時即為暴雨情況，需要開啟暴雨緊急預案。因為若還在原裝置中進行雨水收集利用，由于過濾的速度和多個管道橫截面的影響，處理的速度會比較慢，有可能會造成過濾效率低下、裝置失靈或者裝置損壞、使用壽命減少等一系列問題。因此，當檢測出為暴雨情況時，所收集到的雨水會直接進入蓄水區2，先不進行過濾。當檢測到的水位數據持續30min 小于50mm 時，解除暴雨緊急預案，恢復正常雨水處理模式。

與傳統裝置相比，本雨水收集裝置的過濾系統除了感應閥門裝置外，還包括兩層過濾網:一層為普通的過濾網(一般可以去除＞2.5mm 的雜質);二層為深度過濾網，針對2 級雨水而用，該層過濾網可以將超出指標的污染物或渾濁物進行進一步溶解和沉淀，從而起到高效過濾雨水的作用。

3.2 雨水收集方案優化結果分析

與傳統的雨水收集系統相比，引入物聯網技術優化之后的雨水收集系統不僅在雨水收集效率及使用用途和廣度方面大為提高，并且針對雨量及雨水成分的不同分別采取了相應的優化方式，以保證對雨水的最大化利用以及環境的可持續發展。

3.2.1 被動收集變智能化收集

傳統的雨水收集裝置一般為純物理收集方式，采用蓄水池被動收集降落的雨水。優化之后的雨水收集系統在系統中引入了物聯網傳感技術和嵌入式技術，將對雨水的收集過程從被動式收集逐漸轉化為智能式操控。設計的裝置所用到的硬件設施為傳感器裝置，包括污染物濃度傳感器和水位壓力測試傳感器。從引入物聯網技術角度來看，一般定義的物聯網包括三層:網絡層、傳感層和實物層。實物層是具體體現“物”與“物”相連的一層。傳感層的技術核心即為前文所提到的兩個傳感器裝置。網絡層相當于人的大腦和神經中樞，主要由三部分組成:①私有網絡或者互聯網;②有線或者無線通信網;③網絡管理系統和云計算平臺，其主要負責傳遞和處理由傳感層獲取的雨水濃度水位等相關信息。本文所設計的方案在網絡層事先設定了一系列的通過網絡管理員實時更新的處理等級與處理方案。為了實現對物聯網的智能應用，物聯網和雨水收集系統的接口是處理信息與雨水檢測信息結合，這使雨水收集從原來的被動化收集走向智能化操控階段。

3.2.2 收集效率提高

引入物聯網技術的優化雨水收集系統方案，在對雨水進行收集過程中，不僅考慮了雨水含量和雨量的變化，還針對不同的情況采取不同的收集方式，從而提高雨水收集效率和質量，提高雨水凈化強度。傳統的雨水收集系統只是簡單地體現雨水收集這一過程，并未針對雨水含量及雨量的不同采取不同收集方案。優化后的系統將通過傳感器對污染物濃度和水位的數據進行收集，將雨水劃分成正常、輕度污染、重度污染和暴雨四個等級。

正常情況下無需開動閥門開關，過濾后將進入蓄水區;當出現輕度污染情況時，過濾裝置將開啟二層過濾網閥門，兩次過濾后再進入儲蓄區域;如果出現重度污染情況，就將雨水直接排入廢水管道;如果遇到暴雨情況，就需要進行緊急處理，收集到的雨水會直接進入蓄水區2，等水位下降時，再進行上述步驟。

3.2.3 增加數據維護功能

由于傳統雨水收集系統中為未結合智能網絡技術，眾多有關雨量及雨水總雜質含量的數據未能通過技術手段保留下來。優化后方案可以利用物聯網技術的特性，將得到的雨水收集數據上傳至系統數據庫，后續還可以對數據進行進一步的挖掘和研究，如預測未來雨水含量的走勢并通過分析雨水中所含雜質的比例對環境治理提出合理建議。

3.2.4 有利于可持續發展

據國家發展改革委員會環境資源司專業人士預測推算，在“十二五”規劃期間，包括中央政府、地方政府和個人投資在內的幾大部分，在城市的污水處理環節的總投資金額高達4500 億元［9］。北京泰寧科創科技有限公司之前在籌資建造了占地約為10hm2土地的雨水資源節約循環使用示范小區。按照以往北京的年降雨量來估算，該小區每年的預收集雨水可達5000m3，假設將上述條件下收集的雨水100%加以利用，據測算可以節約數萬元購買的自來水的體積。與傳統雨水系統相比，引入技術設備之后，雖然單個系統成本有所提高，但是從社會效益及長期的成本的角度來看，技術革新與設備改進是可持續發展的必要選擇。如果收集到的雨水水質較好，通過過濾即可完成雨水的處理，其處理成本比較低，約為1 元/m3。這就與普通的生活廢水等污水的處理形成了鮮明的對比，后者的處理成本為3/m3～5 元/m3。所以，加入了物聯網智能化的雨水收集裝置將大大減少重復性的人力、物力。

3.2.5 提高雨水使用便利性

基于物聯網的雨水收集系統在收集雨水過程中充分考慮了雨量變化和雨水所含雜質的差異性，旨在提高雨水收集效率和雨水凈化強度。與傳統雨水收集系統相比，優化后的基于物聯網的雨水收集系統擴大了處理后雨水的使用范圍。通過傳統的物理過濾方法及化學物質的分步反應，雨水中的一些有害物質和雜質以沉淀的形式被分離出去，使得處理后雨水的各項指標在可用水質的指標范圍之內。雨水使用具體可以分為室內用水和戶外用水兩大類。室內用水主要用于沖洗廁所、澆花及洗清潔用具;戶外用水主要用于室外綠化園地灌溉、洗車及夏季街道灑水降溫等。除此之外，將基于物聯網優化之后的雨水收集系統運用于城市雨水收集環節，結合其通用功能(凈化、滲透)，促進路面雨水通過地下管道排入沿途大型蓄水池或通過滲透作用補充地下水，以此來維持自然生態平衡的活水循環，為實現生態小區和生態城市奠定了堅實的基礎［10］。

4 結語

隨著我國現代化進程的不斷推進，物聯網技術已經被人們廣泛關注。同時，物聯網技術也會更多地應用于人們的日常生活。本文所設計的基于物聯網的雨水收集系統在結合物聯網傳感器等技術的基礎上也保留了傳統意義上雨水收集系統裝置的特點，對今后我國的雨水收集利用項目提供了新的思路，具有一定的積極意義。

［1］ 百度百科. 物聯網概念［EB/OL］.http://baike.baidu.com/link?url=uaVvEdbfEZsX-RtvtK6lSzZkeCoqEPmFyeNSSxbEiQhi ZdllG5O1jYDtxjQ0wL1x7F7d6UkIQOkCkFGeQVfkna.

［2］ Liu Q.Key technologies and applications of internet of things ［J］.Computer Science，2010，37 (6):1-4.

［3］ Pasha M A. A novel approach forultra low-power WSN node generation ［C］ . IET Irish:Signals and Systems Conference(ISSC 2010)，2010.

［4］ 王雪，錢志鴻，胡正超，等. 基于二叉樹的RFID 防碰撞算法的研究［J］. 通信學報，2010，31 (6):49-57.

［6］ Li Erping. Impact of nanotechnology on wireless communications［C］. IEEE:Antenna，Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications，2006.

［7］ Robert C.Challenges and opportunities of emerging nanotechnology for VLSI nanoelectronics ［C］ .Maryland:International Semiconductor Dev ice Research Symposium，2007.

［8］ 尚麗民. 城市雨水徑流復合介質多級過濾技術研究［D］.北京:北京建筑大學，2013.

［9］ 百度文庫. “十二五”期間我國污水處理行業現狀分析與前景預測［EB/OL］.http://wenku.baidu.com/view/2fea5a9e9 ec3d5bbfc0a744d.html.

［10］張相忠，劉建華，邱淑硯. 城市雨水利用規劃研究［J］.規劃師.2006 (22):31-33.