CN109191700B - 一种基于K-means算法的自来水监控装置 - Google Patents

一种基于K-means算法的自来水监控装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于K‑means算法的自来水监控装置，属于民用自来水监控技术领域。本发明包括中央控制模块、SIM模块、射频充值模块、计费，计水模块、用水量及余额报警模块、数据收集模块、智能控制水阀模块、故障报警模块、供电电源模块、云服务终端平台模块。其中K‑means聚类算法理论简单，实现容易。本发明主要利用K‑means聚类算法运算出居民每个月不同的用水标准来衡量不同用水收费标准，提高人们节约用水的积极性，从而实现人们节约用水和有效用水目的，减少水资源的浪费。整个智能化系统也方便了水务部门在居民用水过程中的管理。

Description

一种基于K-means算法的自来水监控装置
技术领域
本实发明涉及一种基于K-means算法的自来水监控装置，属于自来水监控 技术领域。
背景技术
随着中国社会经济的不断发展，人们生活水平的提高，每家每户基本都用上 了自来水管道，不再是自己挑水或者自己打井抽水了，但是随着自来水带来的方 便，也出现了许多问题，尤其是水资源有效利用方面做得不够好，人们考虑到自 来水的便宜，所以在用水的时候，没有考虑到水资源的可贵，各种浪费用水。压 根没有节约用水的观念，从而导致自来水资源的大量流失。另外传统的自来水水 表功能过于简单，只有计水量的功能，人工抄计水量数据，不方便水务部门对居 民用水和水费的管理。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于K-means算法的自来水监控装置， 主要是利用K-means算法单元把一个月累积用水量分类出来，得到相应的用水 量比例，通过K-means算法分类出三种这个月用水量比例，分别是①用水量大 于标准用水量的比例、②用水量等于标准用水量的比例、③用水量小于标准用水 量的比例，根据每种用水量范围比例大小来决定下个月的用水单价，如果每个月 用水量比例大于规定标准量，则增加一定额度的水费收费标准；如果每个月用水 量比例没有变化，则水费收费标准不变；如果每个月用水量比例小于规定标准， 则降低一定额度的水费收费标准，从而在一定程度上提醒人们不要过度用水，养 成节约用水的习惯。同时也解决了水务部门大量的人工成本，提高了水务部门的 管理效率，方便了人们对自来水的使用。
本发明采用的技术方案是：一种基于K-means算法的自来水监控装置，包 括云服务终端平台模块1、中央控制模块2、SIM模块3、射频充值模块4、计费， 计水模块5、数据收集模块6、智能控制水阀模块7、用水量及余额报警模块8、 故障报警模块9、供电电源模块10；
其中所述中央控制模块2、SIM模块3、射频充值模块4、计费，计水模块5、 数据收集模块6、智能控制水阀模块7、用水量及余额报警模块8、故障报警模 块9、都是有记忆功能的，防止断电对监控装置造成影响。所述云服务终端平台 模块1通过SIM模块3的无线网络信号与中央控制模块2相连接，进行相互通 信，中央控制模块2通过电信号与射频充值模块4、计费，计水模块5、数据收 集模块6、智能控制水阀模块7、用水量及余额报警模块8、故障报警模块9、供 电电源模块10相连接，进行相互通信。所述云服务终端平台模块1包括用户注 册信息单元，数据存储单元，充值金额暂存单元；所述中央控制模块2包括 K-means算法单元、缓存单元、识别单元、控制指令单元、收费标准判断单元； 它是实现和其他模块数据传输和交换的核心桥梁；所述SIM模块3包括用户身 份信息单元、无线网络单元、串行通信单元，其中用户身份信息单元与云服务终 端平台模块1中的用户注册信息单元连接，用于从云服务终端平台模块1的用户 注册信息单元中获取自来水用户的基本信息，串行通信单元用于根据用户身份信 息单元预留的手机号发送消息到用户手机，无线网络单元用于为中央控制模块2 与云服务终端平台模块1提供无线信息传输通道。所述射频充值模块4包括身份 认证单元和水费额度单元，当欠费需要充值时，射频充值模块就会比对用户信息， 将充值额度过度到水费额度单元。所述计费，计水模块5包括显示单元和计数存 储单元，主要显示和记录水的费用以及用水情况；所述数据收集模块6包括用水 量存储单元和消费存储单元，主要就是收集用水数据和水费消费数据。所述智能 控制水阀模块7主要是电磁感应水阀，当欠费或者出现故障时，水阀就会自动关 闭，避免突发情况的发生。所述用水量及余额报警模块8包括水量报警显示灯和 余额报警显示灯，主要警示每月用水量和水费余额情况；所述故障报警模块9 主要是连接其他各模块故障传感装置，检测各模块之间出现的故障问题。所述供 电电源模块10包括水压电源单元、外接电源单元、应急电源单元。
所述的云服务终端平台模块1通过SIM模块3中的无线网络单元进行信息 传输，而且云服务终端平台模块1可以为用户提供水费充值服务和身份信息注册 服务，这里充值之后并不能马上到账，只是在云服务平台暂存。
所述的云服务终端平台模块1通过中央控制模块2中的缓存单元能够获取中 央控制模块2所识别到系统模块的所有数据，包括射频充值模块4、计费，计水 模块5、数据收集模块6、用水量及余额报警模块8、故障报警模块9、供电电源 模块10的数据信息，存放到数据存储单元中。
所述中中央控制模块2中的缓存模块得到数据收集模块6中用水量数据，利 用K-means算法单元把一个月累积用水量分类出来，得到相应的用水量比例， 通过K-means算法分类出三种这个月用水量比例。
所述的K-means算法属于一种动态聚类算法，也称作为逐步聚类法，主要 工作步骤：首先是从大样本中选择K个点作为整个数据的聚类中心，并计算所 有的样本与聚类中心之间的距离，得到所有样本距离值后再进行分类，把样本分 别归到离它最近的聚类中心所对应的类中，然后不断重复上述过程直到相邻两次 的聚类中心发生微小变化或者不再发生变化，那么就认为聚类完成，聚类准则函 数达到最优。具体流程如下：
假设数据对象为一个有n个样本的数据集X＝(x1,x2,...,xn)，最终要将这n 个样本分为k个划分组C＝(c1,c2,...,ck)，而且这k个分组满足下列条件：
(1)每一个分类都不能为空集；
(2)每个数据只能划分到一个分类中，不可以一个样本划分到多个分类中。 其中n为样本个数；X为样本总的数据集合；x为数据集合中具体数值；k样本 数据分组数；C为新分组的数据集合；c为新分组的数据集合具体数值。
首先，任意选取K个随机点M＝(m1,m2,...,mk)，令这K个点分别作为k个 小组的初始聚类中心，如图3(a)；第二步，选取相似性测度，把欧氏距离作为 相似性测度，根据计算出的距离把每个样本归类到离样本最近的类中，如图3 中(b)；最后一步用式(i)计算重新分类后每个聚类的平均值，并且把该值作 为新的聚类中心。
Figure BDA0001784711830000031
其中，K为聚类中心值个数；M为聚类中心值集合；m为聚类中心具体数值； xij为聚类中样本具体值；Ni为第i个聚类中样本的个数。
然后再重新计算每一个样本与最新聚类中心之间的相似性，重新分类，然后 计算得到新的聚类中心。当连续两次聚类中心变化很小或者基本没有变化时，那 么聚类准则函数达到极小值，认为聚类结束聚类准则函数已经达到最优。如图3 中(c)所示。K均值聚类的准则函数的公式是：
Figure BDA0001784711830000041
其中J是计算误差平方和准则函数；需要注意的问题是，在每次迭代计算后， 都要做一个归类判断，看是否每个样本被归到正确的区域类中，若不正确需要及 时修改，然后在计算修改聚类中心，进行下一次迭代运算。
所述的K-means聚类算法具体步骤如下：
(1)把样本集判断并分为k个小组；
(2)随机选取k个点作为k个组的聚类中心(m1,m2,...,mk)；
(3)依次计算每个样本xi到k个聚类中心(m1,m2,...,mk)的距离；
(4)对每一个样本xi，把它分配到与它距离最近的聚类中心所在的类中；
(5)根据式(i)计算新的聚类中心mi；
(6)根据式(ii)计算准则函数J；
(7)若J值收敛，则输出(m1,m2,...,mk)
所述SIM模块3中的用户身份信息单元通过无线网络单元和中央控制模块2 中的缓存单元与云服务终端平台模块1建立联系获取用户信息，串行通信单元用 于根据用户身份信息单元预留的手机号发送消息到用户手机，提醒用户用水量和 水费消费情况。
所述射频充值模块4包括身份认证单元和水费额度单元，云服务终端平台模 块1的充值金额暂存单元通过中央控制模块2中缓存单元与射频充值模块4建立 联系，只要用户的水卡与射频充值模块4射频感应，进行用户身份比对，只要水 卡身份信息与身份认证单元中的信息一致，就能实现金额充值。其中射频充值电 路是由单片机80C51芯片和MAX3232芯片以及H6152读卡芯片组成。单片机 的晶振选用11.0592MHz，以得到稳定的波特率，尽量避免积累误差和波特错误 引发的读写。身份认证单元的信息是云服务终端用户信息通过中央控制模块2 中的缓存单元传输到射频充值模块4的身份认证单元中的。
所述利用K-means算法单元把一个月累积用水量分类出来，得到相应的用 水量比例，通过规定好的收费标准判断单元进行比较，从而得出用户下个月水费 标准。这时计费，计水模块5就会更新计费标准，按照新的自来水单价进行次月 计费。
所述故障报警模块9通过中央控制模块2连接其他各模块的故障传感装置， 检测各模块之间出现的故障问题，然后通过中央控制模块2将报警信息传给云服 务终端，及时通知终端人员进行维修。
所述的供电电源模块10中水压电源单元、外接电源单元分别与应急电源单 元连接其中水压电源单元是靠自来水本身水压驱使旋转装置进行转动，从而进行 动力发电。应急电源单元是储存电量装置，标准用电通过变压器变压、由全桥整 流，电容C1滤波变为直流电。LED1是电源指示灯，LED2是充电指示灯，T1 为充电控制三极管，工作于开关状态；T2、T3和电容C2构成单稳触发器。R6、 RP构成限压取样电路，R7是限流取样电阻。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用K-means聚类算法，把一个月累积用水量分类出来，得到相 应的用水量比例，分别是①用水量大于标准用水量的比例、②用水量等于标准用 水量的比例、③用水量小于标准用水量的比，通过比例大小，确定不同的收费标 准，从而提高人们节约用水的积极性，较少水资源的流失。
2、本发明各模块的一体智能化控制，基本不要人工操作和监控，方便了水 务部门对用户用水情况管理和监控，同时用户也很方便的使用自来水。
3、充值模块和和云服务终端相关联的充值方式可以提高安全系数，防止黑 客及木马病毒对充值金额造成影响。
4、供电电源模块中的水压电源单元、外接电源单元、应急电源单元相互作 用，提高了供电效率，保证了对整个电路正常工作，同时也达到了节能效果。尤 其是对水压电源单元中将水压巧妙的转换成了发电动力，实现资源有效利用。
5、本发明设计新颖，结构简单，使用方便，基本全智能自动化，其中K-means 聚类算法理论简单，实现容易。
附图说明
图1为本发明的总体结构图；
图2为中央控制模块用水量及收费标准判别工作流程图；
图3为K-means聚类算法过程图；
图4为K-means聚类算法流程图；
图5为射频充值流程图；
图6为射频充值电路原理图；
图7为水压电源单元动力结构图；
图8为电源模块应急电源充电原理图。
图中各标记如下：云服务终端平台模块-1、中央控制模块-2、SIM模块-3、 射频充值模块-4、计费，计水模块-5、数据收集模块-6、智能控制水阀模块-7、 用水量及余额报警模块-8、故障报警模块-9、供电电源模块-10。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1-8所示，一种基于K-means算法的自来水监控装置，包括 云服务终端平台模块1、中央控制模块2、SIM模块3、射频充值模块4、计费， 计水模块5、数据收集模块6、智能控制水阀模块7、用水量及余额报警模块8、 故障报警模块9、供电电源模块10；
其中所述中央控制模块2、SIM模块3、射频充值模块4、计费，计水模块5、 数据收集模块6、智能控制水阀模块7、用水量及余额报警模块8、故障报警模 块9、都是有记忆功能的，防止断电对监控装置造成影响。所述所述云服务终端 平台模块1通过SIM模块3的无线网络信号与中央控制模块2相连接，中央控 制模块2通过电信号与射频充值模块4、计费，计水模块5、数据收集模块6、 智能控制水阀模块7、用水量及余额报警模块8、故障报警模块9、供电电源模 块10相连接，进行相互通信。所述中央控制模块2包括K-means算法单元、缓 存单元、识别单元、控制指令单元、收费标准判断单元；它是实现和其他模块数 据传输和交换的核心桥梁；所述SIM模块3包括用户身份信息单元、串行通信 单元和无线网络单元，其中用户身份信息单元可以从云服务终端平台模块1的用 户注册身份信息中很快获取自来水用户的基本信息，串行通信单元用于根据用户 身份信息单元预留的手机号发送消息到用户手机，无线网络单元主要是为整个系 统提供无线信息传输通道。所述射频充值模块4包括身份认证单元和水费额度单 元，射频充值模块会比对用户信息，将充值额度过度到水费额度单元。所述计费， 计水模块5包括显示单元和计数存储单元，主要显示和记录水的费用以及用水情 况。所述数据收集模块6包括用水量存储单元和消费存储单元，主要就是收集用 水数据和水费消费数据，所述智能控制水阀模块7主要是电磁感应水阀，水阀会 自动关闭，避免突发情况的发生。所述用水量及余额报警模块8包括水量报警显 示灯和余额报警显示灯，主要警示每月用水量和水费余额情况；所述故障报警模 块9通过中央控制模块2连接其他各模块的传感装置，用于检测各模块之间出现 的故障问题。所述供电电源模块10包括水压电源单元、外接电源单元、应急电 源单元。
进一步地，所述的云服务终端平台模块1通过SIM模块3中的无线网络单 元进行信息传输，而且云服务终端平台模块1可以为用户提供水费充值服务和身 份信息注册服务，这里充值之后并不能马上到账，只是在云服务平台暂存。云服 务终端平台模块1通过中央控制模块2中的缓存单元能够获取中央控制模块2 所识别到系统模块的所有数据，包括射频充值模块4、计费，计水模块5、数据 收集模块6、用水量及余额报警模块8、故障报警模块9、供电电源模块10的数 据信息，存放到终端数据库中，方便以后的历史统计和查询。
进一步地，所述的其中中央控制模块2中的缓存模块得到数据收集模块6 中用水量数据，利用K-means算法单元把一个月累积用水量分类出来，得到相 应的用水量比例，通过K-means算法分类出三种这个月用水量比例，分别是① 用水量大于标准用水量的比例、②用水量等于标准用水量的比例、③用水量小于 标准用水量的比例，通过规定好的收费标准判断单元进行比较，看三种比例所占 大小，哪种比例最大就按照那种比例的标准收费。如果①最大，会增高次月自来 水单价；如果②最大，则次月自来水单价不变；如果③最大，会降低次月自来水 单价；从而得出用户下个月自来水单价。
进一步地，所述的K-means算法属于一种动态聚类算法，也称作为逐步聚 类法，当中中央控制模块2中的K-means算法单元得到每个月累计用水量数据 时，首先是从每个月累计用水量数据中选择K个点作为整个数据的聚类中心， 并计算所有的样本与聚类中心之间的距离，得到所有样本距离值后再进行分类， 把样本分别归到离它最近的聚类中心所对应的类中，然后不断重复上述过程直到 相邻两次的聚类中心发生微小变化或者不再发生变化，那么就认为聚类完成，聚 类准则函数达到最优。其中有三种用水量分类，①用水量大于标准用水量的比例、 ②用水量等于标准用水量的比例、③用水量小于标准用水量的比例，所以这里的 K取值为3。K-means聚类算法具体步骤如下：
(1)把样本集判断并分为k个小组；
(2)随机选取k个点作为k个组的聚类中心(m1,m2,...,mk)；
(3)依次计算每个样本xi到k个聚类中心(m1,m2,...,mk)的距离；
(4)对每一个样本xi，把它分配到与它距离最近的聚类中心所在的类中；
(5)根据式(i)计算新的聚类中心mi；
(6)根据式(ii)计算准则函数J；
(7)若J值收敛，则输出(m1,m2,...,mk)。
进一步地，所述的当K-means算法单元得到的用水量比例和得出的用户下 个月水费标准时，这些数据将会通过中中央控制模块2中的缓存模块传输到云服 务终端平台模块1的数据库中，方便以后的历史查询。
进一步地，所述的中央控制模块2中的识别单元会读取射频充值模块4、计 费，计水模块5、数据收集模块6、用水量及余额报警模块8、故障报警模块9、 供电电源模块10实时数据情况，方便中央控制模块2的控制以及便于云服务终 端平台模块1对数据保存和监控。
进一步地，所述的用户身份信息单元通过无线网络信号和中央控制模块2 中的缓存单元与云服务终端平台模块1建立联系获取用户信息，SIM模块3可以 根据用户身份信息单元预留的手机号随时发送消息到用户手机，提醒用户用水量 和水费消费情况。
进一步地，所述的云服务终端平台模块1的充值金额暂存单元通过中央控制 模块2中缓存单元与射频充值模块4建立联系，只要用户的水卡与射频充值模块 4射频感应，进行用户身份比对，水卡身份信息与身份认证单元中的信息一致， 就能实现金额充值。身份认证单元的信息是云服务终端用户信息通过中央控制模 块2中的缓存单元传输到射频充值模块4的身份认证单元中。这样的充值方式可 以提高安全系数，防止黑客及木马病毒对充值金额造成影响。
进一步地，所述的当射频充值模块4充进新的新的金额时，中央控制模块2 的识别单元读取射频充值模块4中新的充值金额数据，通过缓存单元传输到计费， 计水模块5的计数存储单元中，这时原来的数据被更新，显示单元也就显示新的 水费余额数，同时计数存储单元也会根据用户每个时刻用水量和自来水单价，不 断更新水费余额和用水量。计费，计水模块5还可以显示每个月的自来水单价。 利用K-means算法单元把一个月累积用水量分类出来，得到相应的用水量比例， 通过规定好的收费标准判断单元进行比较，从而得出用户下个月水费标准。这时 计费，计水模块5就会更新计费标准，按照新的自来水单价进行次月计费。
进一步地，所述的水量存储单元主要收集每天用户的用水量，累积到一个月， 这些数据会传输到中央控制模块2的K-means算法单元中进行基于欧式距离聚 类运算，同时数据收集模块6的数据会上传到云服务终端的数据库，用于历史查 询和统计分析。等到次月数据收集模块6中的数据会被新的数据覆盖。
进一步地，所述的当中央控制模块2识别到计费，计水模块5中的余额不足 时，会通过控制指令单元向智能控制水阀模块7发出关闭水阀命令；当中央控制 模块2识别到故障报警模块9报警时，会通过控制指令单元向智能控制水阀模块 7发出关闭水阀命令。
进一步地，所述的通过中央控制模块2中的K-means算法单元把一个月累 积用水量分类出来，得到相应的用水量比例，分别是①用水量大于标准用水量的 比例、②用水量等于标准用水量的比例、③用水量小于标准用水量的比例。如果 用水量超标，水量报警显示灯显示红色；如果用水量不变，水量报警显示灯显示 蓝色；如果用水量降低，水量报警显示灯显示绿色。当中央控制模块2识别到计 费，计水模块5余额不足时，余额报警显示灯闪烁。
进一步地，所述的故障报警模块9通过中央控制模块2连接其他各模块传感 传感装置，各模块都连有检测故障的传感器，包括温度传感器和电流传感器，当 传感器检测有模块出现温度异常或者是电流过大、过小等问题，就会通过中央控 制模块2将报警信息传给云服务终端，及时通知终端人员进行维修。
进一步地，所述的供电电源模块10中水压电源单元、外接电源单元分别与 应急电源单元连接，水压电源单元主要是靠自来水本身水压驱使旋转装置进行转 动，从而进行动力发电。水压电源单元优先为应急电源单元供电，外接电源单元 既能为应急电源单元供电也能为整个电路供电，其中应急电源单元是储存电量装 置，应急电源单元充电式有4种过程：(1)待机状态：接通电源，若不接应急电 源，三极管T2因无基极电压而截止，三极管T1也截止，无电压输出。此时只 有电源指示灯LED1发光。(2)充电过程：当正确接上充电应急电源后，三极管 T2因电池的余电而轻微导通，其集电极电位下降，T1迅速导通，输出电压升高； 由于C2是正反馈作用，电路状态迅速达到稳态。此时，T1、T2导通、T3截止， 给应急电源充电，充电指示灯LED2发光。(3)限流充电：如果充电电流大于限 定值，电流取样电阻R7两端电压升高，三极管T3的BE极间电压高于死区电 压，单稳触发器状态被触发。T3导通，T1、T2截止，充电停止；而后单稳触发 器自动复位，又进入充电状态，这样周而复始地进行脉动充电。充电指示灯LED2 闪烁。(4)充电自停：随着充电的进行，应急电源两端电压缓慢上升，脉宽变窄， 充电电流变小，充电指示灯LED2闪烁逐渐变快变暗。待应急电源接近充满时，二极管D1导通，T3也导通，T1、T2截止，关断了充电通电路，结束充电。在 实际充电过程中，由于应急电源充电静置一会儿后，应急电源电压又有稍许降低， 因而可出现间歇充电现象，但看不到LED2闪烁。这种绢流充电方式有利于延长 电池寿命。当外界停电或者其他电源装置故障时由应急电源单元为整个电路供电。 当应急电源单元电量达到饱和后，水压电源单元和外接电源单元同时为整个电路 供电，这种方案达到了节能效果。
本发明主要的K-means聚类算法单元工作过程：数据收集模块6收集到用 户每个月的用水量，然后通过中央控制模块2将数据传输到K-means算法单元 中，进行聚类运算，最后得到三种用水量的比例，分别是①用水量大于标准用水 量的比例、②用水量等于标准用水量的比例、③用水量小于标准用水量的比例。 这三种用水量比例主要是通过一下步骤得到：
假设每个月累计用水量数据为一个有n个样本的数据集X＝(x1,x2,...,xn)， 最终要将这n个样本分为k个划分组C＝(c1,c2,...,ck)，而且这k个分组满足下列 条件：
(1)每一个分类都不能为空集；
(2)每个数据只能划分到一个分类中，不可以一个样本划分到多个分类中。
首先，任意选取K个随机点M＝(m1,m2,...,mk)，令这K个点分别作为K个 小组的初始聚类中心，如图3(a)；第二步，选取相似性测度，把欧氏距离作为 相似性测度，根据计算出的距离把每个样本归类到离样本最近的类中，如图3 中(b)；最后一步用式(i)计算重新分类后每个聚类的平均值，并且把该值作 为新的聚类中心。
Figure BDA0001784711830000101
其中，Ni为第i个聚类中样本的个数。
然后再重新计算每一个样本与最新聚类中心之间的相似性，重新分类，然后 计算得到新的聚类中心。当连续两次聚类中心变化很小或者基本没有变化时，那 么聚类准则函数达到极小值，认为聚类结束聚类准则函数已经达到最优。如图3 中(c)所示。K均值聚类的准则函数的公式是：
Figure BDA0001784711830000111
最终得到处理之后的每月累计用水量数据的①用水量大于标准用水量的比 例、②用水量等于标准用水量的比例、③用水量小于标准用水量的比例。然后通 过规定好的收费标准判断单元进行比较，判别三种比例所占大小。如果①最大， 会增高次月自来水单价；如果②最大，则次月自来水单价不变；如果③最大，会 降低次月自来水单价；从而得出用户下个月自来水单价。
上面结合附图对本发明的具体实施做出了详细说明，但本发明并不局限于上 述实施例，凡在本发明的思想和原则之内，所做的任何修改、等同于替换、改进 等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于K-means算法的自来水监控装置，其特征在于：包括云服务终端平台模块(1)、中央控制模块(2)、SIM模块(3)、射频充值模块(4)、计费，计水模块(5)、数据收集模块(6)、智能控制水阀模块(7)、用水量及余额报警模块(8)、故障报警模块(9)、供电电源模块(10)；
所述中央控制模块(2)、SIM模块(3)、射频充值模块(4)、计费，计水模块(5)、数据收集模块(6)、智能控制水阀模块(7)、用水量及余额报警模块(8)、故障报警模块(9)均具有记忆功能；
所述云服务终端平台模块(1)通过SIM模块(3)的无线网络单元与中央控制模块(2)连接，中央控制模块(2)与射频充值模块(4)、计费，计水模块(5)、数据收集模块(6)、智能控制水阀模块(7)、用水量及余额报警模块(8)、故障报警模块(9)、供电电源模块(10)相连接；
所述云服务终端平台模块(1)包括用户注册信息单元，数据存储单元，充值金额暂存单元；
所述中央控制模块(2)包括K-means算法单元、缓存单元、识别单元、控制指令单元、收费标准判断单元；
所述SIM模块(3)包括用户身份信息单元、无线网络单元、串行通信单元，其中用户身份信息单元与云服务终端平台模块(1)中的用户注册信息单元连接，用于从云服务终端平台模块(1)的用户注册信息单元中获取自来水用户的基本信息，串行通信单元用于根据用户身份信息单元预留的手机号发送消息到用户手机，无线网络单元用于为中央控制模块(2)与云服务终端平台模块(1)提供无线信息传输通道；
所述射频充值模块(4)包括身份认证单元和水费额度单元，当使用水卡充值时，射频充值模块就会比对用户信息，将充值额度过度到水费额度单元；
所述计费，计水模块(5)包括显示单元和计数存储单元；数据收集模块(6)包括用水量存储单元和消费存储单元；智能控制水阀模块(7)包括电磁感应水阀；用水量及余额报警模块(8)包括水量报警显示灯和余额报警显示灯；
所述中央控制模块(2)、SIM模块(3)、射频充值模块(4)、计费，计水模块(5)、数据收集模块(6)、智能控制水阀模块(7)、用水量及余额报警模块(8)、供电电源模块(10)均具有与故障报警模块(9)连接的故障传感装置；
所述供电电源模块(10)包括水压电源单元、外接电源单元、应急电源单元；
所述的数据收集模块(6)收集用水数据和水费消费数据，中中央控制模块(2)中的缓存模块得到数据收集模块(6)中的数据，一方面将数据收集模块(6)的数据上传到云服务终端平台模块(1)，用于历史查询和统计分析，等到次月数据收集模块(6)中的数据会被新的数据覆盖，另一方面利用K-means算法单元把一个月累积用水量分类出来，得到相应的用水量比例，通过K-means算法分类出三种这个月用水量比例，分别是①用水量大于标准用水量的比例、②用水量等于标准用水量的比例、③用水量小于标准用水量的比例，通过规定好的收费标准判断单元进行比较，看三种比例所占大小，哪种比例最大就按照哪种比例的标准收费，如果①最大，会增高次月自来水单价；如果②最大，则次月自来水单价不变；如果③最大，会降低次月自来水单价，从而得出用户下个月自来水单价，计水模块(5)就会更新计费标准，按照新的自来水单价进行次月计费。
2.根据权利要求1所述的一种基于K-means算法的自来水监控装置，其特征在于：所述的云服务终端平台模块(1)可以为用户提供水费充值服务和身份信息注册服务，这里充值之后并不能马上到账，只是在云服务平台暂存。
3.根据权利要求1所述的一种基于K-means算法的自来水监控装置，其特征在于：所述的云服务终端平台模块(1)通过中央控制模块(2)中的缓存单元能够获取中央控制模块(2)所识别到系统模块的所有数据，包括射频充值模块(4)、计费，计水模块(5)、数据收集模块(6)、用水量及余额报警模块(8)、故障报警模块(9)、供电电源模块(10)的数据信息，存放到数据存储单元中；
所述的中央控制模块(2)中的识别单元读取射频充值模块(4)、计费，计水模块(5)、数据收集模块(6)、用水量及余额报警模块(8)、故障报警模块(9)、供电电源模块(10)实时数据情况并对获取的数据进行分析；中央控制模块(2)中的控制指令单元根据识别单元的分析结果然后控制射频充值模块(4)、计费，计水模块(5)、数据收集模块(6)、用水量及余额报警模块(8)、故障报警模块(9)、供电电源模块(10)工作。
4.根据权利要求1所述的一种基于K-means算法的自来水监控装置，其特征在于：所述云服务终端平台模块(1)的充值金额暂存单元通过中央控制模块(2)中缓存单元与射频充值模块(4)建立联系，只要用户的水卡与射频充值模块(4)射频感应，进行用户身份比对，只要水卡身份信息与身份认证单元中的信息一致，就能实现金额充值，其中射频充值电路主要包括3个部分，单片机80C51控制部分，MAX3232接口转换部分，以及充值卡读写模块H6152接口部分，单片机的晶振选用11.0592MHz，红色发光管，用于卡片读写错误时的指示。
5.根据权利要求1所述的一种基于K-means算法的自来水监控装置，其特征在于：所述故障报警模块(9)通过中央控制模块(2)连接SIM模块(3)、射频充值模块(4)、计费，计水模块(5)、数据收集模块(6)、智能控制水阀模块(7)、用水量及余额报警模块(8)、供电电源模块(10)中的故障传感装置，故障传感装置包括温度传感器和电流传感器，当上述模块出现故障问题，故障报警模块(9)报警，中央控制模块(2)将报警信息传给云服务终端平台模块(1)。
6.根据权利要求1所述的一种基于K-means算法的自来水监控装置，其特征在于：所述水压电源单元、外接电源单元分别与应急电源单元连接，其中水压电源单元是靠自来水本身水压驱使旋转装置进行转动，从而进行动力发电，旋转装置在自来水管的内壁位置，水压电源单元优先为应急电源单元供电，外接电源单元既能为应急电源单元供电也能为整个自来水监控装置的电路供电，应急电源单元是储存电量装置，标准用电通过变压器变压、由全桥整流，电容C1滤波变为直流电，LED1是电源指示灯，LED2是充电指示灯，T1为充电控制三极管，工作于开关状态；T2、T3和电容C2构成单稳触发器，R6、RP构成限压取样电路，R7是限流取样电阻，当应急电源单元电量达到饱和后，水压电源单元和外接电源单元同时为整个自来水监控装置的电路供电。
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