CN107918410B - 一种基于分级响应机制的家庭智慧节水方法及系统 - Google Patents

一种基于分级响应机制的家庭智慧节水方法及系统 Download PDF

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CN107918410B CN201711056591.4A CN201711056591A CN107918410B CN 107918410 B CN107918410 B CN 107918410B CN 201711056591 A CN201711056591 A CN 201711056591A CN 107918410 B CN107918410 B CN 107918410B
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Abstract

本发明公开了一种基于分级响应机制的家庭智慧节水方法及其系统，系统由水流量传感器、终端节点、协调器、服务器、智能手机和智能水流量控制阀门组成，协调器接收终端节点定时发送的住户家庭用水数据，并将数据上传至服务器；服务器对数据进行保存，并根据分级响应机制对接收的住户用水数据进行处理和分析，判断应当触发分级响应机制的哪一级响应，根据判定结果给相关设备发送控制指令；相关设备接收到服务器的控制指令后，对住户家庭用水进行相应的控制和监测。

Description

一种基于分级响应机制的家庭智慧节水方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基于分级响应机制的家庭智慧节水方法及其系统，属于水资源管理和宽带通信网络技术领域。
背景技术
中国是个缺水大国，特别是大型城市，人口密集导致水资源显得尤为紧缺，现在许多大型城市因过度地抽取地下水，导致各种不良的后果。按照国际公认标准，人均水资源低于3000立方米为轻度缺水，低于2000立方米为中度缺水，1000立方米以下为重度缺水。根据国家统计局的数据，2004年-2013年，我国人均水资源量一直徘徊在2000立方米左右。截至2013年，我国人均水资源量为2052立方米，处在中度缺水标准水平线上。因此对水资源的合理应用就显得尤为重要。目前家庭节水一般都是政府劝导民众节约循环用水，但是收效甚微。
针对这一问题，现有的技术方案是：通过水流量传感器采集住户家庭的用水量，并将该数据通过服务器发送至用户手机，使用户能够实时了解家中用水情况，当住户家中发生漏水状况时将发出警报提醒用户。
经分析，发现现有技术存在如下缺点：1）对住户的不良用水行为习惯以及过量用水现状无法起到有效的规范和控制效果；2）对住户的家庭用水控制不够人性化不够智能，控制机制过于生硬，缺乏弹性。
发明内容
基于此，本发明提出了一套基于分级响应机制的家庭智慧节水系统，该系统之所以引入分级响应机制，是由于住户每次用水的时间和用水量是不可预知的,所以能够灵活应对这种不确定性因素的响应安排就显得尤为重要。本发明在ZigBee模块和Android平台所搭建出的硬件系统的基础上引入了“分级响应”的概念，这一概念旨在对不同等级的住户用水量采取不同的智能节水措施，力求在最短响应时间内,根据对住户当前用水量及住户历史用水数据的分析,并通过本发明提出的逐级递减算法来增加触发分级响应的频率，这样在分级响应机制的干预下，有助于规范住户的不良用水行为习惯，逐渐将住户的家庭用水量引入合理的区间从而达到智慧节水的目的。
本发明采用下述的技术方案：
一种基于分级响应机制的家庭智慧节水系统，包括水流量传感器、终端节点、协调器、服务器、智能手机和智能水流量控制阀门，协调器和终端节点建立ZigBee网络；连接水流量传感器的ZigBee终端节点周期性地收集家庭水流量数据；协调器通过串口向服务器发送从ZigBee终端节点采集的数据信息，并将服务器传达的命令发送到指定的终端节点或通过终端节点发送给智能水流量控制阀门；服务器是整个系统的核心，通过它实现信息输入、数据分析处理、信息输出、集中控制等功能；智能手机是系统的控制中心，用户通过相应操作实时了解家中用水情况并对水流量控制阀门进行远程控制；智能水流量控制阀门是系统的受控元件，手机对阀门进行远程控制。
一种在上述系统中实现的家庭智慧节水方法，其特征在于：协调器接收终端节点定时发送的住户家庭用水数据，并将数据上传至服务器；服务器对数据进行保存，并根据分级响应机制对接收的住户用水数据进行处理；对处理后的数据进行分析，判断应当触发分级响应机制的哪一级响应；服务器根据所判定的响应级别，给相关设备发送所应采取的控制指令；相关设备接收到服务器的控制指令后，对住户家庭用水进行相应的控制和监测。
进一步地，系统硬件模块上电后，程序进行相应的初始化，协调器选择一个适当的信道创建网络，其他终端节点通过主动扫描发现并加入已创建的网络；组网成功后，协调器每经过一小时接收一次来自ZigBee网络内各终端节点所发送的用水量
Figure 255705DEST_PATH_IMAGE001
，并将该数据通过串口发送至服务器，服务器根据所保存的该住户用水历史数据计算出该住户前30日的平均每小时用水量
Figure 855182DEST_PATH_IMAGE002
，并计算出每小时用水量
Figure 555285DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 736867DEST_PATH_IMAGE002
的比值系数K，再将该系数K和相对应住宅类别的小时变化系数Kh进行对比，判断是否达到触发分级响应的条件，根据响应措施发送相关指令。
服务器将一天连续步长为1个小时的24个数据进行处理，将当日作为最后一天，分别计算出每个住户此前连续三十日内平均每小时的用水量
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE001
：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE003
，
其中
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE004
为一天连续的24个时段；Q i 为每个时段住户的用水量。
小时变化系数是通过实地实验测量得到的结果，是为了建立最大时与平均时用水量的关系而人为设定的量，
Figure 133345DEST_PATH_IMAGE007
，
其中Q h 为最高日最大时用水量，Q md 为最高日24小时的总用水量。
若K未超过小时变化系数Kh的最小值，启动三级响应，继续监测；若K值超过小时变化系数的最小值但未超过最大值，启动二级响应，服务器通过网络发送信息给用户手机APP，提醒用户家中用水超标，并给出相关合理化建议，或建议用户通过手机APP远程控制减小水流量控制阀门甚至关闭阀门以消除家中漏水的事故隐患；当K值超过小时变化系数的最大值，启动一级响应，服务器直接下达命令给协调器，减少水流量控制阀门的出水量以达到节约用水的目的或关闭阀门以消除家中漏水隐患。
为了和当地居民合理用水区间结合起来，服务器通过
Figure 458147DEST_PATH_IMAGE008
与
Figure 562369DEST_PATH_IMAGE009
的对比来确定该住户用水量是否处于合理的区间，其中
Figure 404030DEST_PATH_IMAGE010
是不同住宅类别最高日生活用水定额，
Figure 201084DEST_PATH_IMAGE009
为利用服务器所保存的该住户历史用水数据，以月为单位计算出住户该月的日平均用水量，住户通过手机设定家中常住人数n；若
Figure 747603DEST_PATH_IMAGE009
的值低于
Figure 921096DEST_PATH_IMAGE008
，按照正常的分级响应机制运行即可；若
Figure 853149DEST_PATH_IMAGE011
的值高于
Figure 821105DEST_PATH_IMAGE008
，需要通过按比例递减的算法合理地将住户的用水量过渡到正常的范围，将
Figure 120499DEST_PATH_IMAGE012
替换为
Figure 566524DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 385706DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 524564DEST_PATH_IMAGE015
其中N的初始值设置为0.8，当
Figure 45675DEST_PATH_IMAGE011
降为原先的80%时，N的取值改为0.6，当
Figure 482341DEST_PATH_IMAGE009
降为初始值的60%时，N的取值改为0.4，当
Figure 467615DEST_PATH_IMAGE016
降为初始值的40%时，N的取值改为0.2，以此类推，直到
Figure 449477DEST_PATH_IMAGE009
与
Figure 520202DEST_PATH_IMAGE008
持平。
附图说明
图1是本发明的基于分级响应机制的家庭智慧节水系统示意图；
图2家庭智慧节水系统分级响应流程图；
图3是根据本发明的一个实施例的家庭用水比值系数K走势图；以及
图4表示根据本发明的一个实施例的分级响应机制控制下用户各时段用水量。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本系统由水流量传感器、ZigBee终端节点、ZigBee协调器、服务器、智能手机和智能水流量控制阀门组成，连接水流量传感器的ZigBee终端节点周期性地收集家庭水流量数据；ZigBee协调器和终端节点建立ZigBee网络，协调器通过串口向服务器发送从ZigBee终端节点采集的数据信息，并将服务器传达的命令发送到指定的终端节点或通过终端节点发送给智能水流量控制阀门；服务器是整个系统的核心，通过它实现信息输入、数据分析处理、数据存储、信息输出、集中控制等功能；智能手机是系统的控制中心，用户通过相应操作可以实时了解家中用水情况并对水流量控制阀门进行远程控制；智能水流量控制阀门是系统的受控元件，手机可以随时随地对阀门进行远程控制。工作流程为：协调器接收终端节点定时发送的住户家庭用水数据，并将数据上传至服务器；服务器对数据进行保存，并根据分级响应机制对接收的住户用水数据进行处理；对处理后的数据进行分析，判断应当触发分级响应机制的哪一级响应；服务器根据所判定的响应级别，给相关设备发送所应采取的控制指令；相关设备接收到服务器的控制指令后，对住户家庭用水进行相应的控制和监测。
服务器所保存的历史数据是经过筛选后的数据，服务器会将数据缺失较多、负值、大幅度突变等异常数据筛除，对完整性、连续性较好、规律性较强的数据进行保存,并将一天连续步长为1h的数据（24个）按以下三个步骤进行处理：
①随着每个住户每日新的家庭用水数据的产生，服务器会将当日作为最后一天，分别计算出每个住户此前连续三十日内平均每小时的用水量
Figure RE-420619DEST_PATH_IMAGE001
，见式（1）：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE003A
（1）
式中
Figure RE-245617DEST_PATH_IMAGE004
为一天连续的24个时段；Q i 为每个时段住户的用水量。
②算出该住户当天每个时段的用水量相对平均用水量的比值系数，见式（2）：
Figure 859566DEST_PATH_IMAGE017
（2）
得出该住户每个时段的用水比值系数。
③根据《建筑给排水设计规范_GB50015-2010》，如表1所示，其中，小时变化系数是指最高日最大时用水量Q h 与平均时用水量的比值。小时变化系数是通过实地实验测量得到的结果，是为了建立最大时与平均时用水量的关系而人为设定的量，计算公式见式（3）：
Figure 553852DEST_PATH_IMAGE007
（3）
其中Q md 为最高日24小时的总用水量。
表1 住宅最高日生活用水定额及小时变化系数
Figure 408676DEST_PATH_IMAGE018
如图2所示，该分级响应系统的工作流程为：系统硬件模块上电后，程序进行相应的初始化，ZigBee协调器选择一个适当的信道创建网络，其他终端节点通过主动扫描发现并加入已创建的网络。组网成功后，协调器每经过一小时接收一次来自ZigBee网络内各终端节点所发送的用水量
Figure 453992DEST_PATH_IMAGE019
，并将该数据通过串口发送至服务器，服务器根据所保存的该住户用水历史数据计算出该住户前30日的平均每小时用水量
Figure 272038DEST_PATH_IMAGE002
，并计算出每小时用水量
Figure 820831DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 908872DEST_PATH_IMAGE002
的比值系数K，再将该系数K和相对应住宅类别的小时变化系数Kh进行对比。
根据《建筑给水排水设计规范》，小时变化系数Kh是一个范围，所以：
①若K未超过小时变化系数Kh的最小值（即K<Khmin），则证明用户该小时的用水量未超过最高时的用水量，此时启动三级响应，即符合正常用水标准,继续监测；
②若K值超过小时变化系数的最小值但未超过最大值（即Khmin<=K<=Khmax)，证明该时段的用水量达到了最高时用水量的范围，则启动二级响应，即适当超出用水标准，此时服务器将通过网络发送信息给用户手机APP，提醒用户家中用水超标，并给出相关合理化建议，例如建议用户一水多用并改正不良的用水习惯等，或建议用户通过手机APP远程控制减小水流量控制阀门甚至关闭阀门以消除家中漏水的事故隐患，对住户用水起到一个软干预的作用，直到用水量恢复正常标准；
③当K值超过小时变化系数的最大值（即K>Khmax)，说明该小时用水量高于最大时用水量，启动一级响应，即用水过度，此时服务器将直接下达命令给协调器，减少水流量控制阀门的出水量以达到节约用水的目的或关闭阀门以消除家中漏水隐患，对住户用水起到一个强制干预的效果，直到用水量恢复标准。
通过分级响应机制能够对住户的家庭用水起到一个合理的控制，但是该控制机制源于该住户自身的用水数据
Figure 379168DEST_PATH_IMAGE001
及
Figure 312489DEST_PATH_IMAGE012
的比值，无法和当地居民合理用水区间结合起来，例如，若该住户的用水量长期处于超标的状态，也就是分子
Figure 168318DEST_PATH_IMAGE001
及分母
Figure 427261DEST_PATH_IMAGE002
都处于一个较高值，但其比值K很可能处于一个合理的区间，虽然也能时不时地触发分级响应机制，但是住户的用水量却可能是严重超标的。
因此，为达到智慧节水的目的，需要对分级响应机制进行改进和优化，根据《建筑给水排水设计规范》，应引入不同住宅类别最高日生活用水定额
Figure 588116DEST_PATH_IMAGE020
作为参考，并利用服务器所保存的该住户历史用水数据，以月为单位计算出住户该月的日平均用水量
Figure 590707DEST_PATH_IMAGE009
，其中，服务器所保存的历史数据是经过筛选后的数据，服务器会将数据缺失较多、负值、大幅度突变等异常数据筛除，对完整性、连续性较好、规律性较强的数据进行保存。最后，住户可通过手机设定家中常住人数n，服务器会通过
Figure 65157DEST_PATH_IMAGE008
与
Figure 229422DEST_PATH_IMAGE009
的对比来确定该住户用水量是否处于合理的区间。
若
Figure 143151DEST_PATH_IMAGE021
的值低于
Figure 683854DEST_PATH_IMAGE008
，则说明该住户的用水量处于合理的家庭用水区间，不需要进行干预，按照正常的分级响应机制运行即可；若
Figure 248697DEST_PATH_IMAGE022
的值高于
Figure 849442DEST_PATH_IMAGE008
，则该住户的用水量处于超标的状态，此时需要合理的引导及干预将住户用水量过渡到合理的区间内。若直接将住户的用水量通过一级响应限制住，会极大降低住户的体验甚至影响住户的正常生活，所以通过按比例递减的算法可以合理地将住户的用水量过渡到正常的范围。
按比例递减算法的计算公式见式（4）：
Figure 516047DEST_PATH_IMAGE014
Figure 860440DEST_PATH_IMAGE015
（4）
此时式（1）及式（2）中的
Figure 781254DEST_PATH_IMAGE002
将被替换为式（4）中的
Figure 287322DEST_PATH_IMAGE013
，这样替换的好处在于能够适当降低式（2）中分母的值，增大比值系数K，从而更加频繁地触发分级响应机制来控制住户超标的家庭用水量，
Figure 706802DEST_PATH_IMAGE009
的值也会随之降低。N的初始值设置为0.8，当
Figure 589307DEST_PATH_IMAGE009
降为初始值的80%时，N的取值改为0.6，当
Figure 863163DEST_PATH_IMAGE009
降为初始值的60%时，N的取值改为0.4，当
Figure 540132DEST_PATH_IMAGE011
降为初始值的40%时，N的取值改为0.2，以此类推，直到
Figure 915749DEST_PATH_IMAGE009
与
Figure 601946DEST_PATH_IMAGE008
持平，这样一个良性循环不仅能够将住户超标的用水量逐渐降低到合理的区间，也能为用户提供充足的时间来纠正不良用水行为习惯，适应逐渐降低的家庭用水量，从而达到智慧节水的目的。
以我国某一线城市某2A级小区（该小区住宅标准为国标中普通住宅Ⅲ类）为例，在未加入分级响应机制时对该小区常住住户每日各时段的用水量进行采集并计算均值，从而求出比值系数，如图3所示，未启动分级响应机制时居民日用水比值系数K如图中带方块折线所示，在部分用水高峰时段的K值达到甚至超过了小时变化系数Kh（2.0--2.5）的范围。当加入分级响应机制的干预后，根据不同响应级别的触发，对居民用水情况分别进行设备与人为的干预，图中带圆形折线表示启动分级响应机制后该小区居民当日的用水比值系数K的走势。例如图中12时至13时居民用水比值系数K超出Kh所设定的2.0的范围，达到触发二级响应的条件，此时用户手机将收到用水超标的提示信息以及一些节约用水的合理化建议，或者用户可以通过手机APP控制水流量控制阀门减小出水量，从而将系数K稳定在2.0的范围以内；图中20时至21时的系数K超出Kh所设定的2.5的范围，达到启动一级响应的条件，此时水流量控制阀门自动关小以减少水流量，对住户的不良用水行为起到了一个很好的限制规范作用，促使比值系数K在一定程度上下降。
图4为该小区住户各时段的平均用水量，从图中可以明显看出，在用水高峰期触发一级和二级响应机制后，在该机制的管控下，住户的用水量会有较为明显的下降。通过对图3和图4的分析可以看出，当加入分级响应机制后，该小区的居民日生活用水量在一些用水高峰时段会有较为明显的下降，说明该分级响应机制能够对居民生活用水起到一定的规范和节约作用。
为应对每个住户不可预知的用水时间及用水量，并实现智慧节水的目标，本发明引用了分级响应机制，该机制能够对各住户的家庭用水量有一个明确的等级划分，并结合各住户的历史用水数据，有针对性地对每个住户的用水量进行合理的分级控制；利用逐级递减算法对分级响应机制进行进一步的优化，从而将用水过量的住户引入合理的用水量区间。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于分级响应机制的家庭智慧节水系统，包括水流量传感器、多个终端节点、协调器、服务器、智能手机和智能水流量控制阀门，协调器和多个终端节点建立ZigBee网络；连接水流量传感器的ZigBee终端节点周期性地收集家庭水流量数据；协调器通过串口向服务器发送从ZigBee终端节点采集的数据信息，并将服务器传达的命令发送到指定的终端节点或通过终端节点发送给智能水流量控制阀门；服务器是整个系统的核心，通过它实现信息输入、数据分析处理、信息输出、集中控制功能；智能手机是系统的控制中心，住户通过相应操作实时了解家中用水情况并对水流量控制阀门进行远程控制；智能水流量控制阀门是系统的受控元件，手机对阀门进行远程控制；所述系统的工作流程为：系统硬件模块上电后，程序进行相应的初始化，协调器选择一个适当的信道创建网络，其他终端节点通过主动扫描发现并加入已创建的网络；组网成功后，协调器每经过一小时接收一次来自ZigBee网络内各终端节点所发送的用水量
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE001
，并将该用水量
Figure RE-RE-634997DEST_PATH_IMAGE001
通过串口发送至服务器，服务器根据所保存的该住户用水历史数据计算出该住户前30日的平均每小时用水量
Figure RE-RE-164678DEST_PATH_IMAGE002
，并计算出用水量
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure RE-RE-600338DEST_PATH_IMAGE004
的比值系数K，再将该比值系数K和相对应住宅类别的小时变化系数Kh进行对比。
2.一种基于分级响应机制的家庭智慧节水方法，所述方法在权利要求1所述的系统中实现，其特征在于：系统硬件模块上电后，程序进行相应的初始化，协调器选择一个适当的信道创建网络，其他终端节点通过主动扫描发现并加入已创建的网络；组网成功后，协调器每经过一小时接收一次来自ZigBee网络内各终端节点所发送的用水量Q i ，并将该用水量Q i 通过串口发送至服务器，服务器根据所保存的该住户用水历史数据计算出该住户前30日的平均每小时用水量
Figure 810882DEST_PATH_IMAGE001
，并计算出用水量Q i 和
Figure 943923DEST_PATH_IMAGE001
的比值系数K，再将该比值系数K和相对应住宅类别的小时变化系数Kh进行对比，判断应当触发分级响应机制的哪一级响应；服务器根据所判定的响应级别，给相关设备发送所应采取的控制指令；相关设备接收到服务器的控制指令后，对住户家庭用水进行相应的控制和监测。
3.根据权利要求2所述的方法，服务器将一天连续步长为1个小时的24个数据进行处理，将当日作为最后一天，分别计算出每个住户此前连续30日内的平均每小时用水量
Figure 997329DEST_PATH_IMAGE001
：
Figure 650159DEST_PATH_IMAGE002
其中
Figure 130819DEST_PATH_IMAGE003
为一天连续的24个时段；Q i 为每个时段住户的用水量。
4.根据权利要求2所述的方法，小时变化系数是通过实地实验测量得到的结果，是为了建立最大时用水量与平均时用水量的关系而人为设定的量，
Kh=(最高日最大时用水量)/(最高日平均时用水量)=Q h /(Qmd/24),
其中Q h 为最高日最大时用水量，Q md 为最高日24小时的总用水量。
5.根据权利要求2所述的方法，若K未超过小时变化系数Kh的最小值，启动三级响应，继续监测。
6.根据权利要求2所述的方法，若K值超过小时变化系数的最小值但未超过最大值，启动二级响应，服务器通过网络发送信息给住户手机APP，提醒住户家中用水超标，并给出相关合理化建议，或建议住户通过手机APP远程控制减小水流量控制阀门甚至关闭阀门以消除家中漏水的事故隐患。
7.根据权利要求2所述的方法，当K值超过小时变化系数的最大值，启动一级响应，服务器直接下达命令给协调器，减少水流量控制阀门的出水量以达到节约用水的目的或关闭阀门以消除家中漏水隐患。
8.根据权利要求2所述的方法，为了和当地居民合理用水区间结合起来，服务器通过
Figure DEST_PATH_RE-371985DEST_PATH_IMAGE005
与
Figure DEST_PATH_RE-260307DEST_PATH_IMAGE006
对比来确定该住户用水量是否处于合理的区间，其中
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE007
是不同住宅类别最高日生活用水定额，
Figure DEST_PATH_RE-142812DEST_PATH_IMAGE006
为利用服务器所保存的该住户历史用水数据，以月为单位计算出住户该月的日平均用水量，住户通过手机设定家中常住人数n；若
Figure DEST_PATH_RE-432979DEST_PATH_IMAGE006
的值低于
Figure DEST_PATH_RE-375528DEST_PATH_IMAGE005
，按照正常的分级响应机制运行即可；若
Figure DEST_PATH_RE-813462DEST_PATH_IMAGE006
的值高于
Figure DEST_PATH_RE-670297DEST_PATH_IMAGE005
，需要通过按比例递减的算法合理地将住户的用水量过渡到正常的范围，将
Figure DEST_PATH_RE-142867DEST_PATH_IMAGE008
替换为
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure DEST_PATH_RE-194000DEST_PATH_IMAGE010
，N=0.8,0.6,0.4,0.2,0
其中N的初始值设置为0.8，当
Figure DEST_PATH_RE-DEST_PATH_IMAGE011
降为原先的80%时，N的取值改为0.6，当
Figure DEST_PATH_RE-56913DEST_PATH_IMAGE011
降为初始值的60%时，N的取值改为0.4，当
Figure DEST_PATH_RE-281221DEST_PATH_IMAGE011
降为初始值的40%时，N的取值改为0.2，以此类推，直到
Figure DEST_PATH_RE-280401DEST_PATH_IMAGE011
与
Figure DEST_PATH_RE-564752DEST_PATH_IMAGE005
持平。
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