CN102354184A - 一种居民区水电热资源统一智能化管理方法 - Google Patents

一种居民区水电热资源统一智能化管理方法 Download PDF

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王琳琳
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孙放
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Abstract

本发明是一种居民区水电热资源统一智能化管理方法，在用户和居民区服务器间建立一个基于超文本传输协议HTTP长轮询形式的链接来实时监测小区水电使用情况和异常突发事件，同时将用户的水电使用情况与先前存储的数据库信息进行对比，对用户进行水电过量消耗的实时告警；在电脑系统管理平台上或手机登录服务器方式查询，通过控制中心管理平台设置洗浴控制参数，根据长轮询技术所获得的服务器更新信息，对用户水电资源进行实时监测或水管破裂等异常突发事件；同时采用淋浴废水废气余热回收方法，对散失的能量进行再利用，用于预热进水管温度；系统根据传感器采集到的信息自动控制进水量，收集废水蓄水箱中的淋浴过滤废水进行二次利用。

Description

一种居民区水电热资源统一智能化管理方法
技术领域
本发明是一种居民区淋浴系统水电资源统一智能化管理方法，属于能源智能化自动控制的技术领域。
背景技术
居民区现阶段欠缺对水电资源的统一管理，比如缺少实时异常监测、水电过量使用警告等相关智能化操作。因而，管理员将耗费大量精力，用于统计查询小区水电使用情况、系统异常确认排除等工作，严重浪费了人力资源。同时，由于当前居民区的水热设备没有被连成一个统一系统，无法根据科学合理的实时分析数据对小区淋浴参数进行设置，指导能源合理利用，从而达到节能目的。
调查发现，现有淋浴废水余热回收装置并未在居民区中得到较为广泛的应用。此回收装置通常采用价格较为昂贵的热交换器，因而成为阻碍余热回收装置普及的原因之一。此外废气余热回收设备对相关技术的要求更高，对环境条件的控制更为苛刻，背景技术结构过于复杂，由此导致了更高的造价成本。所以，现有淋浴系统的流失散热现象仍然相当严重，淋浴过程中的大量废气流失在空气中，只有部分热能被消耗掉；废水余热直接流入下水管道，造成极大热能的浪费。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种居民区水电热资源统一智能化管理方法，在用户内部，通过80C51单片机控制排气扇在室温达到一定程度时自动开启，回收淋浴废气中的散失余热；系统利用废水蓄水箱、液位温度传感器保持蓄水箱温度和水量，同时有效收集淋浴废水。充分利用金属超导管的单向高效导热性，高效传送废水废气余热，用来预热进水管温度，从而进一步提高废热利用效率。此外，蓄水箱废水经过过滤后二次利用，提高能源的使用率。
技术方案：本发明的一种居民区水电热资源统一智能化管理方法，居民区水电设备资源通过ZigBee(Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术)无线传感器网络连为一体，利用小区管理中心服务器统一管理居民区水电资源使用情况；系统在用户和居民区服务器间建立一个基于HTTP(超文本传输协议(HTTP，HyperText TransferProtocol))长轮询形式的链接来实时监测小区水电使用情况和异常突发事件，同时将用户的水电使用情况与先前存储的数据库信息进行对比，对用户进行水电过量消耗的实时告警；管理员在电脑系统管理平台上或手机登录服务器方式查询所有使用者流水帐记录和各类统计汇总信息，并通过控制中心管理平台上的控制软件，设置洗浴控制参数，根据长轮询技术所获得的服务器更新信息，对用户水电资源进行实时监测或水管破裂等异常突发事件；同时采用淋浴废水废气余热回收方法，对散失的能量进行再利用，用于预热进水管温度；系统根据传感器采集到的信息自动控制进水量，收集废水蓄水箱中的淋浴过滤废水进行二次利用。
居民区水电设备资源通过ZigBee无线传感器网络连为一体是基于居民区的局域网作为主要通信干道，利用由ZigBee和温度传感器构成的无线传感网络，将用户端所有水热设备构成一个系统，发讯干式水表冷铁表采集到的用水量和电量模块采集到的电量等相关环境信息将通过ZigBee无线传感网络进行传输。
所述的管理中心服务器统一管理居民区水电资源是选用发讯干式水表冷铁表和电量采集模块，通过用户端的发讯干式水表冷铁表采集到用水量，并将测得的总用水量转换成电信号输出；同样的，用户用电量通过电量采集模块进行采集，将其连接到ZigBee RS-485接口，利用ZigBee无线模块向终端服务器发送信息。居民区管理中心的服务器将借助ZigBee网络节点模块进行接收，对用户水电资源进行监测管理。
所述的对用户进行水电过量消耗的实时告警是系统采用基于Tomcat 7.0(Web应用服务器)的Auto-Comet框架(comet是一种web服务器主动与浏览器通信的技术。auto-comet是基于javaEE servlet3.0的comet框架)所封装的长轮询功能构建接收信息更新通知体系；通过长轮询技术，用户端链接到HTTP服务器后，服务器在HTTP超时时间前，只有当服务器消息队列中出现了有意义的数据，才会立刻向用户端发送这些数据；同样的，服务器也利用上述链接方式对接收到的用户端信息进行实时更新来保证当采集水量电量信息发生变化之后，可以快速实现服务器端信息实时更新；这样，系统能够自动地将采集到的用户水电使用情况与先前存储的数据库信息进行对比，对用户进行水电过量消耗等实时告警。
所述的采用淋浴废水废气余热回收方法是选用家用排风扇等器材，实现废气余热回收系统，通过MCS-51系列的80C 51单片机在室温积累到一定程度时控制排风扇自动回收淋浴废气，淋浴废气通过金属超导管被引导到预热箱，用以提升进水管冷水的温度；同时选用金属超导管等器材，实现废水余热回收系统，进水管采用毛细水管盘曲与预热箱中，增加预热接触面积及传热效果；利用金属超导管的单向导热特性收集淋浴废水，回收淋浴废水中的余热，对散失的能量进行再利用，同样用于预热进水管温度。
所述的系统根据传感器采集到的信息自动控制进水量是将液位传感器置于加热箱中，温度传感器同时存在于预热箱；当采集到的废水温度不足以预热进水管温度时，系统控制排污管将废水排出；当达到用户设定水位时，80C51单片机感知传感器采集到的水位变化信号，水位监测电路产生不同的逻辑电平组合信号，信号通过连杆机构传递给进水阀门，控制阀门开启和关闭，进而自动控制进水量。
有益效果：系统借用了居民区内部的局域网络作为通信的主干道，避免了再度布线造成的资源浪费。利用ZigBee技术构成无线传感网络，表一中的对比很好地证明了其无线传输的低功耗特性，极好地体现了节能理念。鉴于ZigBee传输具有低功耗特性，因而系统依托ZigBee无线网络进行智能管理，在传输采集指标到居民区终端服务器、以及进行系统整体控制的过程中，能量的消耗是非常低的。
表一：无线网络对比
通过上述技术，居民区的水热装置被连成一个系统，既可以在电脑的系统管理平台上查询所有使用者流水帐记录和各类统计汇总信息，同时提供管理员手机登陆服务器进行操作的便捷渠道。又可以根据查询到的各用户状况，服务器自动将接收到的水电使用情况与先前存储的数据库信息进行对比，对用户进行水电过量消耗等针对性的控制或告警。并通过控制中心管理平台上的控制软件，设置洗浴控制的各种参数，对用户水电资源的进行实时控制监测，达到节水节电的目的。联网型淋浴水系统具有强大的管理功能，统一智能化管理也减少人力资源浪费。
居民区水量电量统一智能化管理弥补了当今小区内水量资源缺乏统一管理的不足，科学合理地指导能源适度利用，有效实现了水电资源的控制管理。
淋浴废水废气中的散失余热被自动回收，并且巧妙再利用原本不被回收的热能预热进水管水温，最大程度上提高了废热的利用率，解决了现有淋浴系统普遍存在严重的流失散热现象，避免了淋浴废气余热大量流失、废水余热直接流入下水管道造成热能的浪费。通过大量调查我们发现，能量散失、缺乏回收利用是淋浴系统亟待解决的一大难题，系统的机械控制部分实现了废热的回收再利用，极大地提高了能量利用率。
通常情况下，普通淋浴系统通过排气扇，排放出的大量烟气温度高达180℃。普通热水器无法利用这部分热量，被白白地浪费掉。我们的系统通过冷凝回收再次利用废气余热，用以预热进水管内的冷水。这相当于在普通燃气热水器加热冷水之前进行了一次预先加热，节能效果环保。同时，淋浴废水中的能量也被回收用于冷水预热，因而废水余热将不会再通过下水道白白流失。水位自动控制和废水过滤循环利用起到极大节约用水量的作用。
该设计不仅集现有的独立废水回收热设备和废气余热利用设备二者功能与一体，而且降低了设备成本，避免了复杂的背景技术结构，具有很强的实用性和易用性。
此外，将此系统设备进行略微改造，就可将核心节能技术移植到其他场所，应用于工业、农业等其他领域，具有广阔的市场空间。
附图说明
图1是系统总体结构图。
图2是水位自动控制及废水废气余热回收再利用示意图。
图3是电量水量采集监测等终端数字化控制示意图。
图4是控制管理过程流程图。
具体实施方式
系统由居民区终端管理服务器、用户端ZigBee汇聚节点机、现有的居民区局域网、排风扇及废气回收管道、废水管采集管道(金属导热管)、发讯干式水表冷铁表(LXSG-YE DN20远程)、LCD(液晶)单相电能表(带有485接口)等部分构成。系统的总体结构如图1所示。
在用户内部，系统机械控制主要实现水位自动控制及废水废气余热回收。此部分结构如图二所示。当达到用户设定水位时，单片机将根据传感器采集到的信息自动控制进水量。当室温积累到预设温度值时，浴室内气温温度传感器感应浴室内温度，机械控制实现排风扇自动开启功能，进行通风，一方面防止室内温度较高导致的身体不适，另一方面及时排去有害气体，同时将无毒废气通过冷却回收，再次获取废气中所储存的热量。此外，淋浴废水通过金属超导管，利用超导管单向热传输、迅速热传导功能回收废水余热，同样用以预热淋浴所需冷水水温。毛细管用以增大接触面积，提高加热效率。当预热箱废水温度较低时，废水将通过排污管排出。此外，系统收集废水蓄水箱中的淋浴过滤废水，再度回收、二次利用，实现水资源循环可用。
在居民区内，系统设计了水量电量的统一智能化管理。其工作过程如框图三所示。用户端通过发讯干式水表冷铁表(LXSG-YE DN20远程)采集到用水量，测得的总用水量将被转换成电信号输出。同样的，用户用电量将通过电量采集模块进行采集，并通过RS-485接口利用ZigBee无线模块向终端服务器发送信息，届时，居民区管理中心的服务器将借助ZigBee网络节点模块进行接收，并且进行一系列监测管理操作。服务器上运行着一套自行编写的软件作为该智能节能淋浴管理系统的控制中心，其主要功能包括：1、对居民区用户的水量、电量使用信息进行采集和统计，方便管理员对居民区内各用户的用水供电情况进行查询操作。此外，系统同时提供了管理员手机登陆服务器，实时监控相关信息的便捷方式。2、自动将接收到的水电使用情况与先前终端机中存储的数据库进行对比，及时给予用户以水电过量消耗等针对性的控制或告警，并且通过管理平台设置洗浴控制的各种参数，控制水电资源的过度使用。另外，系统同时监测小区水管破裂等异常情况。
我们曾对一个中型小区进行了改造和调研，在用户内部，用LCD(液晶)单相电能表(带有485接口)采集用户用电信息。将发讯干式水表冷铁表(LXSG-YE DN20远程)连接到进水管采集用水量，将淋浴废水通过废气回收管道(金属超导管)，引流到预热箱。鉴于金属超导热管具有较低热容量、异常迅速的热传导性能，以及热传导的单向二极管功能(金属超导管热能的转变是一个直接的过程，从吸热管传到水里，但不会从水里倒退、反转)，其传导热能的速度是铜导热的1000倍以上。利用这些优良性能，淋浴废水废气余热得以最大限度的回收。80C51单片机控制排风扇在室温积累到一定程度时自动开启，及时排去有害气体，同时将无毒废气通过冷却回收，再次获取废气中所储存的热量。淋浴废气通过金属超导管被同样引导到预热箱。进水管采用毛细水管盘曲与预热箱中，增加预热接触面积及传热效果。利用回收的淋浴废水废气余热，进水管的冷水温度至系统机械控制主要实现水位自动控制及废水废气余热回收。温度传感器同时存在于预热箱，当采集到的废水温度不足以预热进水管温度时，系统控制排污管将废水排出。此外，系统收集废水蓄水箱中的淋浴过滤废水，再度回收、二次利用，实现水资源循环可用。在预热管中，冷水温度得到一定提高，通过管道的引导作用进入加热箱。将液位传感器置于加热箱中，当达到用户设定水位时，单片机将根据传感器采集到的信息自动控制进水量。
通过对系统使用前后水电等指标的对比，我们发现，余热回收技术推广使用的一个月内，在不增加能耗的前提下，加热速度已经提升了25％，出热水量增加52％，节省能源35％，淋浴废热利用率得到极大提高。
系统借用此居民区内部的局域网络作为通信的主干道，避免了再度布线造成的资源浪费。通过低功耗ZigBee和各类传感器构成的无线传感网络，将通过LCD(液晶)单相电能表(带有485接口)采集到的电量信息和发讯干式水表冷铁表(LXSG-YEDN20远程)采集到的用户端用水量信息无线传输到居民区管理中心的终端服务器，在终端服务器上采用一套自编软件统一化管理整个居民区的水电能源使用情况。为了保证从总控端到ZigBee中继节点的命令或者是反过程的信息的传递过程中不发生丢包现象，采用了面向连接的、稳定的以及数据包是连续发送的TCP套接字作为系统的通信类型。该系统内的信息流量极低，因而不会对整个局域网的网络性能产生丝毫影响。此外基于ZigBee的无线多跳传感器网络功耗极低，可以保证整个系统的低功耗节能特性；并且在实际中的无线传输距离等问题可以用ZigBee中的多跳功能来解决。
通过上述技术，此居民区的水热装置被连成一个系统，管理员既可以在电脑的系统管理平台上查询所有使用者流水帐记录和各类统计汇总信息，将用水量用电量转换为计费信息，旨在通过经济手段督促能源适度使用。又可以按照系统提供的另一渠道，通过手机登陆服务器的方式便捷查询。根据查询到的各用户状况，服务器自动将接收到的水电使用情况与先前存储的数据库信息进行自动对比，通过控制中心管理平台上的控制软件对用户水电资源进行实时监测控制，设置洗浴控制的各种参数，对用户进行水电过量消耗等针对性的控制或告警，控制信息由控制中心先通过网络再通过汇集节点将信息发送到房间对应的设备上，科学指导居民区的水电使用。实时检测同时可以方便高效地监测预警居民区水管破裂等异常情况。联网型淋浴水系统具有强大的管理功能，快捷地统一智能化管理也减少人力资源浪费。
描述本发明创造的工作原理及工作过程。
在用户内部的管理上，系统利用废水蓄水箱、液位温度传感器保持蓄水箱的温度和水量，同时有效收集淋浴废水过滤后二次利用。尤为重要的是，系统有效实现了淋浴废水废气的热回收再利用。当室内水蒸气积聚使得室温达到一定程度，80C51单片机控制排风扇自动开启，及时排去有害气体，同时将无毒废气通过回收，通过金属超导管被引导到预热箱，再次获取废气中所储存的热量。通过金属导热管的导流作用，将淋浴废水集中在预热箱中，利用金属导热管的单向高效导热特性，最大限度地集中废水余热。进水管通过毛细水管增加接触面积，提高与废水废气余热的传热效率。在预热管中，冷水温度得到一定提高，通过管道的引导作用进入加热箱。在加热箱中放置温度传感器，当采集到的废水温度不足以预热进水管温度时，系统控制排污管将废水排出。用户的内部设备同时具备控制和查询功能，控制信息由控制中心先通过网络再通过汇集节点将信息发送到房间对应的设备上。将LCD(液晶)单相电能表(带有485接口)和发讯干式水表冷铁表(LXSG-YE DN20远程)置于用户端，用来采集用户用电量和用水量信息。
基于居民区已有的局域网作为主要通信干道，利用由ZigBee和温度传感器构成的无线传感网络，将用户端所有水热设备构成一个系统，主要由一套运行在居民区管理中心终端服务器上的自编软件来完成控制管理。该软件作为小区内智能淋浴管理系统的控制中心，主要功能包括：对居民区内部的水量和热量使用信息进行采集和统计，可以在管理员的操作下查询大楼内各用户的水量电量情况。同时提供管理员手机登陆服务器查看相关信息的便捷途径。服务器自动将接收到的水电使用情况与先前数据库信息进行对比，实时监测小区系统异常情况，及时给予用户以水电过量消耗等针对性的控制或告警，并且通过管理平台设置洗浴控制的各种参数，控制水电资源的过度使用。
通过低功耗ZigBee和各类传感器构成的无线传感网络，采集传输水温、室温、水量、电量等指标信息，在终端服务器上采用自编软件统一化管理整个居民区的水电能源使用情况，自动对比居民区数据库信息，实时监测异常、警告水电使用过量。提供管理员能够通过手机端登陆服务器的便捷渠道，方便快捷地统计查询水电用量，优化人力资源。

Claims (6)

1.一种居民区水电热资源统一智能化管理方法，其特征在于居民区水电设备资源通过ZigBee无线传感器网络连为一体，利用小区管理中心服务器统一管理居民区水电资源使用情况；系统在用户和居民区服务器间建立一个基于超文本传输协议HTTP长轮询形式的链接来实时监测小区水电使用情况和异常突发事件，同时将用户的水电使用情况与先前存储的数据库信息进行对比，对用户进行水电过量消耗的实时告警；管理员在电脑系统管理平台上或手机登录服务器方式查询所有使用者流水帐记录和各类统计汇总信息，并通过控制中心管理平台上的控制软件，设置洗浴控制参数，根据长轮询技术所获得的服务器更新信息，对用户水电资源进行实时监测或水管破裂等异常突发事件；同时采用淋浴废水废气余热回收方法，对散失的能量进行再利用，用于预热进水管温度；系统根据传感器采集到的信息自动控制进水量，收集废水蓄水箱中的淋浴过滤废水进行二次利用。
2.根据权利要求1所述的一种居民区水电热资源统一智能化管理方法，其特征在于居民区水电设备资源通过ZigBee无线传感器网络连为一体是基于居民区的局域网作为主要通信干道，利用由ZigBee和温度传感器构成的无线传感网络，将用户端所有水热设备构成一个系统，发讯干式水表冷铁表采集到的用水量和电量模块采集到的电量等相关环境信息将通过ZigBee无线传感网络进行传输。
3.根据权利要求1所述的一种居民区水电热资源统一智能化管理方法，其特征在于所述的管理中心服务器统一管理居民区水电资源是选用发讯干式水表冷铁表和电量采集模块，通过用户端的发讯干式水表冷铁表采集到用水量，并将测得的总用水量转换成电信号输出；同样的，用户用电量通过电量采集模块进行采集，将其连接到ZigBee RS-485接口，利用ZigBee无线模块向终端服务器发送信息。居民区管理中心的服务器将借助ZigBee网络节点模块进行接收，对用户水电资源进行监测管理。
4.根据权利要求1所述的一种居民区水电热资源统一智能化管理方法，其特征在于所述的对用户进行水电过量消耗的实时告警是系统采用基于Web应用服务器Tomcat 7.0的Auto-Comet框架所封装的长轮询功能构建接收信息更新通知体系；通过长轮询技术，用户端链接到HTTP服务器后，服务器在HTTP超时时间前，只有当服务器消息队列中出现了有意义的数据，才会立刻向用户端发送这些数据；同样的，服务器也利用上述链接方式对接收到的用户端信息进行实时更新来保证当采集水量电量信息发生变化之后，可以快速实现服务器端信息实时更新；这样，系统能够自动地将采集到的用户水电使用情况与先前存储的数据库信息进行对比，对用户进行水电过量消耗等实时告警。
5.根据权利要求1所述的一种居民区水电热资源统一智能化管理方法，其特征在于所述的采用淋浴废水废气余热回收方法是选用家用排风扇等器材，实现废气余热回收系统，通过MCS-51系列的80C 51单片机在室温积累到一定程度时控制排风扇自动回收淋浴废气，淋浴废气通过金属超导管被引导到预热箱，用以提升进水管冷水的温度；同事选用金属超导管等器材，实现废水余热回收系统，进水管采用毛细水管盘曲与预热箱中，增加预热接触面积及传热效果；利用金属超导管的单向导热特性收集淋浴废水，回收淋浴废水中的余热，对散失的能量进行再利用，同样用于预热进水管温度。
6.根据权利要求1所述的所述的一种居民区水电热资源统一智能化管理方法，其特征在于所述的系统根据传感器采集到的信息自动控制进水量是将液位传感器置于加热箱中，温度传感器同时存在于预热箱；当采集到的废水温度不足以预热进水管温度时，系统控制排污管将废水排出；当达到用户设定水位时，80C51单片机感知传感器采集到的水位变化信号，水位监测电路产生不同的逻辑电平组合信号，信号通过连杆机构传递给进水阀门，控制阀门开启和关闭，进而自动控制进水量。
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