基于分级响应机制的家庭智慧节水系统设计

发布时间：2020-08-15 22:33

【摘要】：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。提出了一套基于分级响应机制的家庭智慧节水系统,该系统在分级响应的基础上,结合ZigBee无线网络和Android智能平台,实现了对家庭用水数据的实时监测与用水设备的远程控制。传感器采集用户家中用水数据,通过Zig Bee无线组网方式进行数据收发,服务器作为整套系统的大脑,根据本文提出的分级响应机制对来自终端节点的用水数据进行处理并分析,根据不同的分析结果选择不同的响应级别进而采取不同的控制措施。介绍了系统的总体设计方案以及分级响应机制的内容,并利用RBF神经网络对分级响应机制进行优化,最后通过案例分析论证了该系统对节约家庭用水能够起到较为明显的效果。
【图文】：

系统方案,住户

第21期杨宗海，等:基于分级响应机制的家庭智慧节水系统设计行远程控制;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。如图1所示，服务器作为整套系统的大脑，重点在于对住户用水数据的分析与处理功能，其中，分级响应机制的运行就是在服务器中实现的。服务器对协调器上传的用水数据进行保存，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。图1系统方案设计Fig．1Diagramofsystemschemedesign2分级响应机制在系统中的应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，本文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，最后利用逐级递减的算法将用水过量的住户引入合理的用水量区间。2．1数据处理服务器所保存的历史数据是经过筛选后的数据，服务器会将大幅度突变、数据缺失较多等异常数据筛除，对完整性、连续性较好、规律性较强的数据进行保存［3］，并将1d连续步长为1h的数据(24个)按以下3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1d，分别计算出每个住户此前连续30d内平均每小时的用水量Q，见式(1):Q=130Σ301124Σ23i=0Q()i(i=0，1，2，…，23)(1)式中，i为1d内连续的24个时段;Qi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K:K=Qi/Q(2)得出该住户

流程图,节水系统,家庭,流程

⒏釬鱿喙睾侠砘?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。图2家庭智慧节水系统分级响应流程Fig．2Flowchartofhierarchicalresponseoffamilyintelligentwatersavingsystem3分级响应机制的优化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Qi及Q的比值，无法和当地居民合理用水区间结合起来。例如，若住户的用水量长期处于超标的状态，也就是分子Qi及分母Q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优化。考虑到每个家庭的不同用水情况(如某些家庭用水需求高、有些家庭低)，应针对每一户家庭建立适合该家庭的需水预测模型［6］，从而使分级响应机制更加智能化。国内外大量研究表明，家庭用水量的变化受多种因素影响。运用灰色关联分析法，对城市居民用水量的影响因子进行排序后发现:家庭人数和气温是影响家庭用水量的主要因子，其次为用水行为习惯、年龄结构，而住房面积和收入对其影响较小［7］。经过对已有数据的分析和整理，除气温和家庭人数之外，其它影响因子作?

比值系数,响应机制,住户

ABC相对误差/%ABC113581915223491985352．53．72．4123711195313611275482．76．73．2133461905183301775064．66．82．3将优化后的分级响应机制应用到该小区中，如图3所示。在未加入分级响应机制时，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［15］。从图中不难看出，优化后的分级响应机制能够对住户的不良用水行为起到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3家庭用水比值系数K走势Fig．3TrendoffamilywaterratiocoefficientK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。图4分级响应机制控制下用户各时段用水量Fig．4Waterconsumptionofusersineachperiodunderthecontrolofhierarchicalresponsemechanism701

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