摘" 要： 面對日益嚴峻的用水安全挑戰(zhàn)，尋求高效、精準的監(jiān)測與管理手段尤為重要。針對非正常用水情況不易及時發(fā)現而造成損失的問題，開發(fā)了融合應用超聲測流量與物聯網云計算技術的用水安全系統(tǒng)。進行系統(tǒng)方案設計，通過對比分析，選擇U型超聲測流量方法；然后建立用水模型，開展正常用水與非正常用水的對比研究，得到爆管、滲漏和異常用水等情況的水流量特點，并根據三種非正常用水情況的特點，設計一套按照用水統(tǒng)計情況設定參數的判定算法；最后，搭建測試環(huán)境并開發(fā)測試程序，進行系統(tǒng)各功能測試。結果表明：按照設定的參數，所提系統(tǒng)可準確判定爆管、滲漏和異常用水等情況，并能及時關閥。經過適應性開發(fā)后，該系統(tǒng)可進一步推廣至工廠、商場和寫字樓等場景。

關鍵詞： 超聲技術； 物聯網云計算； 用水安全； U型法； 水流量； 功能測試

中圖分類號： TN929.5?34； TP273" " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）20?0020?07

Research on water security using ultrasound and Internet of

Things cloud computing technology

LIANG Tao1， CAO Ping1， KANG Sanhai2， JING Yanwei2

（1. School of Artificial Intelligence， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China;

2. Hebei Construction amp; Investment Group New Energy Co.， Ltd.， Shijiazhuang 050051， China）

Abstract： In the face of increasingly serious water security challenges， it is particularly important to find efficient and accurate monitoring and management tools. In allusion to the problem that abnormal water usage is not easy to be detected in time and cause losses， a water security system integrating the ultrasonic flow measurement and Internet of Things （IoT） cloud computing technology is developed. The system scheme is designed， and the U?shaped ultrasonic flow measurement method is selected by the comparative analysis. A water usage model is established， and a comparative study is carried out between normal water usage and abnormal water usage to obtain the characteristics of water flow under the conditions of pipe burst， leakage and abnormal water usage. According to the characteristics of three kinds of abnormal water usage， a set of determination algorithm based on water usage statistics is designed. The testing environment is set and the testing program is developed to test the system functions. The results show that the proposed system can accurately determine the situation of pipe burst， leakage and abnormal water usage according to the set parameters， and can close the valve in time. After adaptive development， the system can be further extended to scenarios such as factories， shopping malls and office buildings.

Keywords： ultrasonic technology; Internet of Things cloud computing; water security; U?shaped method; water flow rate; function testing

0" 引" 言

管道老化、腐蝕、凍裂以及用水設備閥門故障、人為遺忘等原因均會導致水泄漏問題，造成水資源浪費和家具、電子設備、建筑結構的損壞，因此，需要開發(fā)更好的泄漏檢測技術來適應智能建筑的發(fā)展[1]。目前，針對漏水問題的研究主要集中在漏水檢測、判定算法和物聯網技術[2]。

超聲技術用于水表計量已經趨于成熟，解決了傳統(tǒng)機械水表始動流速大、易磨損、量程比窄等諸多問題，超聲水表已得到大范圍的推廣[3]。超聲水表與物聯網云技術結合應用是目前研究的熱點。文獻[4]利用超聲技術獲得用水量，并通過物聯網和云計算來分析水的使用情況，在水浪費的情況下發(fā)出警告，并向用戶提供建議。文獻[5]設計和實現了基于物聯網的智能水管理系統(tǒng)，該項目可將監(jiān)測的數據傳輸到智能手機，在檢測到漏水時，通過智能手機向用戶發(fā)出警報；并設計了由用戶控制的電磁閥，以便于緊急情況控制水路。文獻[6]提出一種基于物聯網和云計算的智能水表的開發(fā)和實施方法，實現了水力數據的實時監(jiān)控和可視化，并在發(fā)生漏水時，云平臺會自動發(fā)出警報。劉恒等設計了一種基于物聯網的水流速流量測量儀，實現了對水流速、流量的測量；并通過物聯網將測量結果同步到云端服務器，通過網頁端還可查看節(jié)點實時和歷史流速、流量、液位數據，提高了流量測量的自動化程度并實現了信息的遠程共享[7]。但已有研究無法根據實際用水情況對非正常用水情況進行判定，為此，本文結合家庭用水實際情況，設計了一種融合應用超聲與物聯網云技術的用水安全系統(tǒng)，并開展了測試研究。

1" 系統(tǒng)方案設計

系統(tǒng)整體由超聲測流量模塊、物聯網通信模塊、云端處理模塊和手機端模塊組成。各模塊相互協(xié)作，實現了流量的精準測量、數據的實時傳輸、云端的高效處理以及用戶的便捷操作。

超聲測量設備通過監(jiān)測水路中的水流產生流量數據，再將流量數據通過WiFi路由器，使用MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）協(xié)議上傳。MQTT協(xié)議是一種輕量級的消息傳輸協(xié)議，通常用于物聯網和傳感器網絡通信。MQTT協(xié)議將數據上報到云端IoT系統(tǒng)后，云端IoT系統(tǒng)對上報的流量數據進行解析，判斷是否發(fā)生爆管、滲漏、異常用水等非正常用水情況，當發(fā)生上述三種情況時，將報警信息發(fā)送到用戶手機端，用戶可以通過手機端接收報警信息和設置參數。系統(tǒng)方案設計如圖1所示。

1.1" 超聲測流量模塊

超聲測流量模塊的核心是超聲測量設備，它利用超聲波技術實現對流量的精確測量。超聲測量設備內置物聯網通信模組，使其能夠將測量到的流量數據實時傳輸到云端處理模塊。該模塊中集成了閥門，可由云端下發(fā)指令控制閥門開閉。

1.2" 物聯網通信模塊

物聯網通信模塊負責實現超聲測流量模塊與云端處理模塊之間的數據傳輸，確保數據的實時性、安全性和穩(wěn)定性。該模塊還具備自動重連和錯誤恢復功能，能夠在網絡不穩(wěn)定或中斷的情況下自動恢復連接，保證數據的連續(xù)傳輸。

1.3" 云端處理模塊

云端處理模塊作為系統(tǒng)的核心處理單元，能實時接收和計算流量數據。該模塊還集成了多種判定算法，用以準確識別滲漏、異常用水和爆管等異常情況。

1.4" 手機端模塊

手機端模塊是一個小程序，它為用戶提供了一個友好的交互界面，用戶可以通過該程序查看實時流量數據、設定參數、控制閥門開關等。當云端處理模塊發(fā)現異常情況時，手機端程序會及時顯示報警信息，提醒用戶進行處理。

2" 時差法測流量的原理

時差法是一種常用的超聲波測量方法，是通過換能器發(fā)射和接收的超聲波在管道內的傳輸時間不同來計算管道內水的流量。設計不同的超聲波傳輸和反射路徑，可形成U、V、W、X、Z型等多種方法，各種方法對比如圖2所示，其中P1～P4為換能器。

由圖2對比可知，U型法中超聲波的傳輸方向與水的流動方向平行，無其他速度分量，且雙反射片增加了超聲波傳播的時間，提高了測量精度。本文采用U型法，其工作原理如圖3所示。

如圖3所示，假定水向右流動，流速為[VS]，換能器P1、P2分別安裝在水路的上、下游，超聲波速度為[VC]，換能器到反射片的距離為[LC]，反射片之間的距離為L，管道內徑為D，超聲波收發(fā)電路控制換能器P1、P2的收發(fā)轉換。當P1發(fā)射、P2接收時，超聲波在水中的傳遞時間為t12，公式如下：

[t12=2LCVC+LVC+VS]" " " " " " " "（1）

當P2發(fā)射、P1接收時，超聲波在水中的傳遞時間為t21，公式如下：

[t21=2LCVC+LVC-VS] （2）

兩種發(fā)射與接收的時間差為Δt，公式如下：

[Δt=t21-t12=2LVSV2C-V2S] （3）

因超聲波的速度遠大于水流速，故：

[Δt≈2LVSV2C]" "（4）

由式（4）可得水流速[VS]，公式如下：

[VS=ΔtV2C2L] （5）

可得瞬時流量q為：

[q=KπVSD24=KπΔtV2CD28L]" " " " "（6）

累積流量Q公式如下：

[Q=0tKπΔtV2CD28Ldt] （7）

式中，K為與流體狀態(tài)有關的修正系數。

3" 用水模型

家庭中不同用水行為會有不同瞬時流量，本文統(tǒng)計某家庭正常用水情況，包括直飲、廚房、洗漱、沐浴、洗衣機、浴缸等的瞬時流量，間隔時間為6 s，從打開到關閉用時90 s，正常用水情況如表1、圖4所示。

非正常用水一般包括滲漏、異常用水、爆管等情況。滲漏是管道有微小漏點或者出水口滴水，水路長時間處于較小流量狀態(tài)；異常用水是水路處于累積流量較大的狀態(tài)；爆管是管道破裂，水路突然變?yōu)闃O大瞬時流量的狀態(tài)。本文通過實驗模擬各情況，間隔時間為6 s，統(tǒng)計時間為90 s，用水情況如表2、圖5所示。

實驗結果表明：與正常用水相比，爆管具有流量瞬間突變的特點，滲漏具有流量小的特點，異常用水具有累積流量大的特點。

4" 算法設計

根據實驗獲得的數據及非正常用水與正常用水的對比，本文設計了一套智能算法，實現了對用水情況的精準判定。該算法包括對爆管、進入和退出平穩(wěn)用水階段、滲漏、異常用水等的判定。

算法的運行取決于用水統(tǒng)計情況設定的參數，并可通過云端下發(fā)進行修改。參數如下：Δq為相鄰兩次瞬時流量的差值；Δq1為設定的瞬時流量波動閾值；T1為采集的用水累加時長；T2為設定的滲漏判定時長閾值；q2為采集的用水瞬時流量；q3為設定的滲漏分界流量設定閾值；Q1為采集的連續(xù)用水累積流量；Q2為設定的單次用水累積流量閾值；Δq4為設定的爆管流量差閾值。

4.1" 爆管判定算法設計

爆管的特點是水路流量瞬間突變，故判定算法表示為：

[Δqgt;Δq4] （8）

4.2" 進入和退出平穩(wěn)用水階段判定算法設計

除爆管外，大幅度波動的數據不具備判定特征的價值，故需要先判定用水是否在波動較小的狀態(tài)，即是否進入了平穩(wěn)用水階段。

進入平穩(wěn)用水階段的判定算法表示為：

[Δqlt;Δq1]" "（9）

退出平穩(wěn)用水階段的判定算法表示為：

[Δq≥Δq1]" " （10）

4.3" 滲漏判定算法設計

滲漏的特點是流量小、時間長，故判定算法表示為：

[Δqlt;Δq1T1≥T2 q2lt;q3] （11）

4.4" 異常用水判定算法設計

異常用水的特點是水路處于累積流量較大的狀態(tài)，故判定算法表示為：

[q2gt;q3Q1≥Q2] （12）

4.5" 算法流程圖

按照上述算法開發(fā)程序，流程如圖6所示。超聲測量設備監(jiān)測到流量數據q2并上傳到遠端后臺，云端接收q2數據進行判斷，使用式（8）判斷是否為爆管，如果是爆管則關閥并遠程通知；如果不為爆管則使用式（9）判斷是否進入平穩(wěn)用水階段。

平穩(wěn)用水階段指的是在指定波動范圍內相對穩(wěn)定的用水數據，只有滿足平穩(wěn)用水階段的數據才能夠進行滲漏和異常用水的判定，如果不滿足則退出平穩(wěn)用水階段。如果滿足條件進入平穩(wěn)用水階段，則判斷q2lt;q3是否成立，如果成立則使用式（11）判斷是否滲漏，若滿足式（11）條件，則關閥并遠程通知滲漏；如果不成立則使用式（12）判斷是否異常用水，如果滿足式（12）條件，則關閥并遠程通知異常用水，如果不滿足則完成q2數據判定，準備接收下一個q2數據，完成流程。

本文還開發(fā)了手機端交互界面，可設定相應參數，界面顯示如圖7所示。

5" 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)設計完成后，需對各功能進行測試，重點測試滲漏、異常用水、爆管等非正常用水的關鍵功能。

5.1" 測試環(huán)境搭建

測試系統(tǒng)組成與連接如圖8所示，各組成部分由水路管道連接。

測試環(huán)境搭建圖如圖9所示，其中，水龍頭模擬用水動作，通過開關水龍頭實現放水和停止放水；排水盆用于接收水龍頭流出的水，并供給儲水箱，也作為注水用；儲水箱作為水的存儲容器，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的水源；超聲測量設備利用超聲波原理測量水路管道中的流量，其內部集成了閥門；增壓循環(huán)泵為水路提供穩(wěn)定的壓力，確保水流暢通，同時模擬實際用水場景中的壓力變化。

測試前需要設置增壓循環(huán)泵的工作壓力，校準超聲測量設備的測量精度等。

本文開發(fā)了用于測試的手機小程序，包括滲漏、異常用水、爆管等測試功能，界面如圖10所示，測試流程如圖11～圖13所示。

5.2" 滲漏測試

本文模擬滲漏場景，調整流量至1 L/min，設定瞬時流量波動閾值為0.53 L/min，設定分界流量閾值為2 L/min，滲漏判定時長為60 s（實際使用中時間應長）。

滲漏測試的瞬時流量如圖14所示。

5.3" 異常用水測試

模擬異常用水場景，將流量調整至20 L/min，設定瞬時流量波動閾值為0.53 L/min，設定分界流量閾值為2 L/min，設定單次用水累積流量閾值為240 L/min。測試的瞬時流量如圖15所示。

5.4" 爆管測試

模擬爆管場景，流量調整最大，設定爆管流量差閾值為30 L/min，系統(tǒng)通過這些參數判定是否發(fā)生爆管事件。爆管測試的瞬時流量如圖16所示。

由圖14～圖16測試結果可知：滲漏、異常用水、爆管等功能正常，當系統(tǒng)判定為非正常用水時，能夠及時關閥。

6" 結" 論

本文設計一種應用超聲與物聯網云技術的用水安全系統(tǒng)，該系統(tǒng)在預定的測試參數下，能夠準確地判定爆管、滲漏、異常用水等關鍵事件，且能自動關閥，避免損失。此外，還搭建了測試環(huán)境，針對非正常用水情況進行了測試，測試結果表明，系統(tǒng)能準確、及時地判定非正常用水情況，并自動關閥。

所設計系統(tǒng)能夠保障家庭用水安全，但尚需根據工廠、商場和寫字樓等場景的用水實際情況進行實驗研究，獲取大量數據，并開發(fā)適用于不同場景的算法，從而將該技術進一步推廣應用。

注：本文通訊作者為康三海。

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作者簡介：梁" 濤（1975—），男，河北石家莊人，博士研究生，教授，研究方向為數據挖掘、新能源、人工智能。

康三海（1971—），男，河北石家莊人，高級工程師，研究方向為數據挖掘、新能源、人工智能。

DOI：10.16652/j.issn.1004?373x.2024.20.004

引用格式：梁濤，曹平，康三海，等.應用超聲與物聯網云計算技術的用水安全研究[J].現代電子技術，2024，47（20）：20?26.

收稿日期：2024?04?15" " " " " "修回日期：2024?05?17