基于自來水用水事件的家庭安防預警系統的研究與實現

郭陽勇　魏娟　張軒愷　張仁杰

摘要：針對家庭自來水用水存在的長時間過量用水、水龍頭忘記關及長時間無人用水等問題，根據家庭的用水習慣通過遺傳算法建立用水模型，設置用水事件對應的預警閾值，在自來水用水終端實時采集用戶用水量及用水時長等數據，監控家庭用水狀況，對超過閾值的用水事件進行實時預警，有利于降低自來水資源浪費，減少由于監控不到位引起的家庭安全事故，提高家庭及小區安防質量。

關鍵詞：自來水用水事件;家庭安防;實時預警;安防質量

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）25-0039-03

Abstract： In view of the problems of long-term excessive running water use， forgetting to turn off the tap and long-term unused water use in domestic tap water use， a water use model is established by genetic algorithm according to the household water use habits， and an early warning threshold corresponding to water use events is set up to collect users'water consumption and water consumption time in real-time at the tap water terminal. Data such as monitoring household water use status and real-time warning of water use incidents exceeding the threshold are conducive to reducing waste of tap water resources， reducing household safety incidents caused by inadequate monitoring， and improving the quality of household and community security.

Key words： running water use incidents; family security; real-time early warning; security quality

1 背景

按照國際標準，我國是一個遠低于國際公認的人均500立方米的“極度缺水”標準的嚴重缺少國家。而另一方面，家庭自來水浪費又相當嚴重。據統計，目前我國家庭每年約有數百億立方米自來水被用于過度洗漱，同時，由于部分自來水管終端設備嚴重老化導致自來水泄露，以及人為忘記關水龍頭導致自來水浪費等情況。

針對家庭自來水浪費嚴重的問題，通過信息化的手段，采集家庭的用水數據，建立家庭的用水模型，實時監控并分析家庭用水，對過量用水、異常用水等發出預警，減少水資源浪費。同時，對家庭可能的人為活動異常，如獨居老人用水、家庭長時間無人用水等異常提供預警，降低家庭安全事故。

2 關鍵技術與方法

2.1 自來水數據的實時性和準確性

針對不同家庭及家庭成員用水的復雜性，需要建立自來水用水數據與家庭安防之間的關聯。這種關聯的前提是自來水數據的易得性，并保證采集數據的準確性和實時性。

在不改變家庭自來水管道現狀情況下，在水龍頭終端連接自來水監控終端，通過終端水流感應器實時采集水流數據，由終端控制器處理用戶用水數據并上傳至服務器，服務器通過數據分析和處理后自動做出是否預警。

2.2 自來水用水數據與家庭安防間關聯的預警算法

根據實時采集的家庭用戶自來水用水數據，通過分析后發出安防預警，這種預警需要系統對自來水用水數據與家庭安防之間的關聯建立數學模型。系統采用遺傳算法對家庭不同成員的用水和家庭安防間建立預警模型，結合模型的相關特點，通過遺傳算法對預警模型進行求解，獲得最優的預警臨界值，使得預警更加精準。

3 系統功能模塊

3.1 系統結構

根據前期的需求分析，以及系統所要達到的功能需求，設計出系統的總結構圖，如圖1所示，主要的軟硬件組成包括以下幾部分[1]。

主要硬件組成包括，自來水采集終端和通信模塊。自來水采集終端由水流傳感器和控制器組成。水流傳感器采用霍爾流量計水流傳感器，實時采集水流量大小信息。自來水采集終端實時分析單個用戶的用水情況，包括用戶用水的時間、時刻及流量大小。通信采用藍牙+GPRS移動通信模式[2-4]，對于家庭的多個自來水采集終端采用藍牙自組網，采集到的自來水信息通過藍牙發送到主自來水采集終端，自來水流量信息通過主采集終端的GPRS通信模塊上傳到監控服務器。

主要的軟件包括系統應用程序，數據庫及相關的云平臺系統。接收到用戶的自來水用水數據，并將這些數據進行分析處理，記錄用戶的用水習慣等信息，結合內置的遺傳算法推測用戶家庭的狀態并預警。該應用系統作為小區的安防子系統，管理住戶與物業的基于自來水關聯安防的交互，比如顯示全小區用水整體情況，顯示有預警的小區住戶情況，進行相關參數的配置等等。

3.2 系統主要功能模塊

根據前期對小區物業安防子管理的需求分析，結合小區住戶能夠通過該系統了解到自身用水的情況，并能夠根據用水情況做出及時的反饋，以保障家庭安全的功能要求。如圖2為該系統功能模塊圖。