吳尚喆+張景天+李玲知+趙晏

【摘要】該系統(tǒng)是一款基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的預(yù)付費(fèi)用水管理系統(tǒng)。系統(tǒng)由水量采集模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊、電磁閥控制模塊、zigbee無(wú)線通訊模塊、wifi連網(wǎng)模塊及業(yè)務(wù)管理網(wǎng)站六部分組成，能夠通過(guò)手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備對(duì)城市各類用水進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及網(wǎng)上購(gòu)水；且本系統(tǒng)采用“先繳費(fèi)，后用水”的管理模式，當(dāng)余額不足時(shí)進(jìn)行智能提醒與控制，實(shí)現(xiàn)水資源的智能管理，增強(qiáng)用水戶節(jié)水意識(shí)，提高水資源利用效率。

【關(guān)鍵詞】移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；網(wǎng)上購(gòu)水

【Abstract】The system is a mobile Internet prepaid water management system. System consists of water collection module， buzzer alarm module， solenoid valve control module， zigbee wireless communication module， wifi networking module and business management website composed of six parts， through mobile phones and other mobile devices for real-time monitoring of urban water use and online Purchase water； and the system adopts the management mode of "pay first， use water later". When there is not enough balance， the system will remind and control it intelligently to realize the intelligent management of water resources and enhance the water-saving awareness of water users and improve the utilization efficiency of water resources.

【Key words】Mobile Internet；Real-time monitoring；Online purchase of water

1. 我國(guó)的水資源情況

中國(guó)是一個(gè)水資源嚴(yán)重短缺的國(guó)家。淡水資源總量為28000億m3，人均只有2200m3，僅為世界平均水平的1/4，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增加、社會(huì)的進(jìn)步、工農(nóng)業(yè)和城市用水量的激增，水資源供需矛盾日益突出。

2. 實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理的必要性

傳統(tǒng)水費(fèi)管理面臨著用水觀念陳舊、技術(shù)瓶頸制約等問(wèn)題，“一戶一表，抄表到戶”更是影響著階梯水價(jià)的推行。統(tǒng)一更換智能水表又存在成本高，工作量大，布線困難等諸多問(wèn)題。而采用先付費(fèi)后用水的收費(fèi)方式，分時(shí)段計(jì)費(fèi)，達(dá)到了水資源合理配置的目的，用水戶可網(wǎng)上查詢水量、繳納水費(fèi)，符合互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大趨勢(shì)，極大地方便了管理部門和用水戶，推進(jìn)了國(guó)家階梯水價(jià)的實(shí)行，符合未來(lái)管道用水管理的發(fā)展方向。因此，尋求一款便于用水量統(tǒng)計(jì)和繳費(fèi)的用水管理系統(tǒng)勢(shì)在必行。

3. 系統(tǒng)工作原理

安裝在住戶家中主管道內(nèi)的水量采集裝置與zigbee通訊模塊構(gòu)成節(jié)點(diǎn)，定

時(shí)對(duì)用水量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并與所在單元樓的路由器進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)通過(guò)zigbee網(wǎng)絡(luò)上傳至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再將數(shù)據(jù)匯總通過(guò)wifi連入互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)在服務(wù)器對(duì)所有流量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，按時(shí)段及階梯水價(jià)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算費(fèi)用，用戶可通過(guò)計(jì)算機(jī)或移動(dòng)設(shè)備訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行查詢及繳費(fèi)，當(dāng)某一用戶用水金額下降到一定值時(shí)，報(bào)警裝置會(huì)進(jìn)行相應(yīng)報(bào)警，如超過(guò)用水金額，電磁閥自動(dòng)關(guān)閉，切斷供水，繳費(fèi)后電磁閥自動(dòng)開(kāi)啟進(jìn)行供水。系統(tǒng)傳輸部分流程圖如圖1（系統(tǒng)傳輸流程圖見(jiàn)圖1）。

4. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分由電磁閥、控制裝置、水流量傳感器、協(xié)調(diào)器及網(wǎng)關(guān)組成。每一個(gè)控制裝置為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，理論上組網(wǎng)內(nèi)可同時(shí)擁有65000個(gè)節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集與管理。

4.1電磁閥采用直動(dòng)式常閉電磁閥，平常為通電狀態(tài)，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起，閥門打開(kāi)；當(dāng)斷電時(shí)，電磁力消失，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上，閥門關(guān)閉，達(dá)到通斷水流的作用。

4.2水流量傳感器采用基于霍爾效應(yīng)的渦輪流量傳感器，當(dāng)有水流經(jīng)過(guò)時(shí)，傳感器的磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，在霍爾效應(yīng)下產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過(guò)調(diào)理與微處理器的處理，達(dá)到水量數(shù)據(jù)采集的作用。

4.3控制裝置選擇zigbee作為無(wú)線通訊的核心。zigbee在實(shí)際使用中存在以下五個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）安裝簡(jiǎn)易；（2）維護(hù)簡(jiǎn)單；（3）無(wú)線自動(dòng)組網(wǎng)；（4）雙向通訊；（5）低功耗、低成本。zigbee模塊采用TI公司的CC2530，是一種集成了MCU（單片機(jī)）+射頻收發(fā)模塊的SOC（系統(tǒng)級(jí)芯片），能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水流量傳感器采集的數(shù)據(jù)的處理和無(wú)線通訊、電磁閥的通斷控制以及蜂鳴器的控制。蜂鳴器與zigbee模塊連接內(nèi)置于控制裝置中。

4.4本系統(tǒng)采用wifi這一使用方便且普及度高的通訊方法作為接入互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)。采用ESP8266芯片制作wifi網(wǎng)關(guān)接入可用wifi網(wǎng)絡(luò)，使用TCPClient模式通過(guò)internet實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的無(wú)線通訊。

5. 功能設(shè)計(jì)

功能設(shè)計(jì)整套系統(tǒng)具備以下四個(gè)功能：

（1）水量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：當(dāng)用水戶用水時(shí)，控制裝置接收并處理水流量傳感器采集的流量數(shù)據(jù)，定時(shí)通過(guò)協(xié)調(diào)器及網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)椒?wù)器，管理部門通過(guò)訪問(wèn)網(wǎng)頁(yè)或管理后臺(tái)實(shí)時(shí)查詢用水戶各時(shí)刻用水?dāng)?shù)據(jù)，方便統(tǒng)一監(jiān)測(cè)管理，用水戶也可通過(guò)移動(dòng)設(shè)備上的微信公眾平臺(tái)一鍵查詢用水詳單。

（2）余額不足自動(dòng)提醒：當(dāng)某一用戶余額不足10元（可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置）時(shí)，服務(wù)器會(huì)向控制裝置發(fā)送指令，控制蜂鳴器發(fā)出聲音，提醒用戶注意用水并按時(shí)繳費(fèi)。

（3）智能控制供水?dāng)嗨寒?dāng)某一用戶余額為0時(shí)，服務(wù)器會(huì)向控制裝置發(fā)送指令，控制電磁閥斷電閉合，強(qiáng)迫用戶停止用水。

（4）通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)將水資源、用水戶、管理部門緊密聯(lián)系在一起，用水戶及管理部門均可在任何有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方使用計(jì)算機(jī)或手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行水量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)查詢及網(wǎng)上繳費(fèi)，同時(shí)數(shù)據(jù)長(zhǎng)期存放于服務(wù)器，防止數(shù)據(jù)丟失。

6. 應(yīng)用前景

本基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)預(yù)付費(fèi)用水管理系統(tǒng)響應(yīng)國(guó)家推行階梯水價(jià)與用水智能化管理的方針，符合用水管理的現(xiàn)代化發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)際使用中使用范圍廣，可適用于居民用水、行政事業(yè)用水、工商業(yè)及洗車等高用水行業(yè)的用水管理，整套系統(tǒng)采用無(wú)線設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，在實(shí)際推廣中無(wú)需復(fù)雜改造，解決了國(guó)家實(shí)行階梯水價(jià)政策及“一戶一表”舉措的推行難，成本高的實(shí)際性問(wèn)題，具有良好的應(yīng)用前景。

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