水地暖管水流量在线监控系统设计与研究

陈梦良 吴烨榕 高铮 陆猛 夏喣坤 陈国荣

摘 要： 本文提出了一种水地暖管水流量在线监控系统，运用物联网技术，设计水流量传感器网络，确保采集信息能充分展示所有回水管状态。运用GPRS/4G网络及异常水流量状态的预警功能。同时，对历史采集数据进行分析与处理，实现水地暖管漏水现象的预测。实践结果表明，本系统对水管水流量值采集和传输方面具有较好的实时性和准确性，具有推广应用的可行性。

关键词： 水地暖； 在线监控； 水流量； 安全监测

中图分类号： TH164 文献标识码：A 文章编号：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

随着物联网技术的发展，传感器和数据传输等技术日益成熟且稳定[1-11]，越来越多的监控领域利用物联网技术来确保其监控系统的实时性和可靠性，如作物栽培环境监控系统[12]、矿井三维可视化监控系统[13]、灌浆监测系统[14]、铁路安全监控[15]、安防监控系统 [16]等。

地暖是地板辐射采暖的简称，是以整个地面为散热器，通过地板辐射层中的热媒，均匀加热整个地面，利用地面自身的蓄热和热量向上辐射的规律由下至上进行传导，来达到取暖的目的。由于严寒在中国北方一些城市地暖已成为一种普遍的取暖方式，而随着气候的不断恶化以及人们对高舒适度生活的追求，原本没有采暖习惯的南方居民对供暖系统的需求日渐提高，所以地暖在中国南方城市也逐渐流行起来，根据预测未来60%的采暖方式为地暖。地暖以热介质不同分为水地暖和电地暖。就水地暖来说，一方面，水地暖是需要管道进行热水的循环运输，在长期使用过程中，常常忽略对管道的管理与维护，会导致一定的渗透现象，其回水量会减少，供暖效果大大减弱。而渗透一旦发生就会逐渐发展为出现漏水，并且不断加重，前期很难发现。现在常用检测方法是当水管漏水现象明显后向水管内加压判断是否漏水。这种方法对地暖漏水现象的监测存在相当大的滞后。另一方面，水地暖通过调节水流量来实现房间温度的调节，因此对水地暖的水流量在线监测具有重要的社会和经济意义。

本文提出了一种水地暖管水流量在线监控系统，运用物联网技术，在水地暖管相应位置安装传感器，运用GPRS/4G网络将采集数据实时的传输至服务器端，设计PC机web显示系统和移动终端App应用程序，实现管网内水流量数据的多种方式在线监测。当管网内缺水时，不仅在PC机端报警，而且将此

信息以短信方式直接推送给相关工作人员。本系统更加完善实现了水地暖管水流量的实时监测，保障了水地暖的正常运行，降低了财产损失。

1 系统概述

1.1 硬件设计

水地暖管水流量在线监控系统由三层构成：信息采集层、数据层、应用监控层（结构图如图1）。信息采集层主要通过安装水流量传感器获取回水管的水流量信息。数据层将采集信息进行简单处理，通过GPRS模块传输至服务器端，存储于数据库中；推送信息临时存储与移动终端服务器。应用监控层是对数据库数据进行实时显示与分析，包括PC机端和移动终端的多种展现方式。

图1 水底暖管水流量在线监控系统结构图

1.2 软件设计

系统的软件设计主要着重于应用监控层的开发（软件框架图如图2）。PC机端的在线监测系统和移动终端的App应用程序的数据来源于实时数据库。在线监测系统能够显示当前回水管的水流量值和历史值。当水流量出现异常值时系统报警，提示相关人员进行维护；同时，对历史数据分析挖掘形成相应图表，预测回水管状态，判断是否有漏水现象。移动终端的App应用程序由于受限于移动终端处理器的配置，仅实现最新监测数据显示。

当采集数据极度异常时，移动终端数据库将该值以及该采集点的位置信息以短信方式发送给手机或者手持机。

图2 水地暖管水流量在线监控系统软件框架图

2 功能描述

水地暖管水流量在线监控系统是一个的物联网，它包含了传感层、数据层和应用层。将回水管上各点的水流量数据通过无线网络方式传送至服务器，实时更新监控系统数据。该系统主要由三个功能模块构成：水流量数据采集模块、数据存储模块、在线监控系统。

2.1水流量数据采集模块

通过在回水管上安装水流量传感器，构成一个传感器网络，保证最少数量的传感器监测整个水地暖回水管的管网水流量状态。由于水地暖中热水的温度不高于60度，并且热水中无其它添加物，因此选用水流量传感器（如图3所示）。水流量传感器由塑料阀体、水流转子组件和霍尔传感器组成。当水通过水流转子组件时，磁性转子转动并且转速随着流量变化而变化，霍尔传感器输出相应脉冲信号，反馈给控制器，由控制器判断水流量的大小，进行调控。

每个传感器的ID号对应一根回水管，采集数据发送时要将传感器ID号和采集数值绑定发送，以便快速查找到异常回水管。

图3 水流量传感器实物图

2.2数据存储模块

基于GPRS/4G网络传输实时采集数据，前端信息采集模块中加入GPRS模块（如图4所示）。当回水管内水流量值过高或过低时，直接以短信的方式将此信息推送给相应的工作人员。数据层由两个数据库组成：实时数据库和历史数据库。实时数据库仅存放水地暖回水管的每个传感器最近时刻的采集数据，而以往数据则存储于历史数据库。数据存储模块的这种处理，可以大大提高在线传输及显示速率，PC机在线监控系统和移动终端的App应用程序只需访问实时数据库，处理数据并显示。只有数据分析及状态预测时才需要访问历史数据库，进行数据分析和处理。

图4 GPRS模块实物图

2.3在线监测模块

开发PC机应用程序和移动终端App应用程序，实现水流量状态的实时多维在线监测。为了规避移动终端传输大量数据容易出现滞后或数据丢失的问题，移动终端App应用程序仅实现在线水流量数据的显示功能，为不在室内工作的人员提供实时的水流量在线监控辅助。

PC机在线监控系统采用B/S网络结构，工作人员通过用户界面进行操作，采集数据分析与挖掘及预测功能在系统内部实现。在线监测系统能够实现采集数据实时表格显示、历史数据曲线显示，以及异常数据的报警功能。根据历史数据分析推算未来时刻水流量值，实现未来一段时域内回水管水流量状态的预测.

3系统实现

在实验调试和研发时，选用热水器水流量传感器DN15（4分管霍尔流量计）、ATK-SIM900A GSM/GPRS模块和51单片机。传感器流量范围为1-30L/min，足以满足水地暖回水管的最大流量，流完1L水输出450个脉冲。本系统在本教学楼建立了一个小型的水流量数据采集模块的基本构架，设计的传感器节点基本上覆盖了一个房间的管网线路，基本遵照每个回水管接口处安装一个传感器。

进行人工实验测试，将某一节水管的压住改变其水流量时，该段安装的传感器立即将此异常状态和传感器编号以短信方式推送给实验员的手机，并同时上传服务器端。实践表明，本系统能准确搜集来自整个传感器网络的各个数据，并实时传输。

4系统特色

4.1多维监控

为了实现工作人员随时随地在线监控水地暖的水流量状态，提出了多维监控模式。不仅能在PC机端实时了解整个管网的水流量值，还能在移动终端查询此刻回水管的水流量值。

4.2自动报警

在多维监控的基础上，当回水管水流量出现异常值时，GPRS模块直接将此信息发送到相关工作人员的手机上，加强工作人员处理进度，避免由于人为原因未实时登录在线监控系统而导致的漏水问题。

4.3辅助维修

每个传感器的ID号与采集数据同时传输至服务器，系统能够自动判断是哪一根回水管出现异常状况，更高效地辅助相关人员快速找到问题。

5结束语

水地暖管水流量在线监控系统运用物联网技术，在水地暖管回水管定点位置安装传感器及数据处理与传输模块，运用GPRS/4G网络将采集数据分级并实时的传输至服务器端，设计PC机监控系统和移动终端App应用程序，实现管网内水流量状态的多维在线监测，减少水地暖漏水和损坏带来的人员和财力的损失。

在实践过程中，水流量传感器采集数据的处理、GPRS模块与服务器间的数据连接都是难点。由于水地暖管水流量监测的特点，水流量传感器采集频率设置为每天一次，足以保障其管理与运行。GPRS模块在与服务器连接的过程中需要编写大量协议，保障传输的实效性。

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