使用IIoT进行智能水管理

2021-04-29

使用IIoT进行智能水管理

尽管地球上超过70％的水被覆盖，但是97.2％的水是盐水。在2.8％的淡水中，大部分被冷冻成极地冰。不到总水量的1％是地下水或地表淡水。在所有淡水中，只有1％可以饮用。换句话说，地球上只有0.01％的水是可饮用的。

根据世界卫生组织的统计，8.84亿人无法获得饮用水。而且，全世界三分之一的人面临缺水压力或需要竞争有限量的水的需求。气候变化将加剧这些问题，干旱和洪水使水资源的分配更加不均衡。需要通过减少浪费和更有效地回收废水来进行节水的高效水管理。减轻洪灾也是如此，以保护脆弱的城市和基础设施。

此外，农业灌溉消耗了全部淡水的48％。在剩余的52％中，能源生产占22％，其中6％用于工业用途，而24％用于住宅建筑物的活动，如冲水马桶，清洁和淋浴。这些不同的部门也有类似的问题，例如漏水和/或用水效率低下。水质差也是一个问题。

那么如何解决这些问题呢？工业物联网（IIoT）可能会提供一些潜在的解决方案。

更智能的监控

水循环包括许多点。这些要点包括用水的建筑物和房屋。循环中的其他要点是可再生水源，例如水坝，湖泊和地下水。水生植物; 水塔；和废水处理厂。通过监控水使用或水质的IIoT探针，可以使所有这些点变得更加智能。

智能水管理涵盖许多方面，包括可再生资源，自来水厂，网络冲洗，水质探测器，水塔和建筑物。

更智能的漏水检测，智能计量和智能配水

出乎意料的是，对房屋所有者而言，水灾带来的风险比火灾或盗窃要大得多。漏水会浪费水。此外，泄漏可能会损坏房屋的地板，墙壁和天花板，并且需要昂贵的维修。漏水在欧盟许多国家的较大建筑物中也很常见。

在IIoT系统中，可以在建筑物周围安装湿度传感器以检测泄漏。传感器将收集数据并将其发送回云以进行分析。一旦分析发现异常，发送到智能阀的命令将自动关闭水，从而最大程度地减少了泄漏。

智能计量可以通过远程编程的自动“打开”或“关闭”命令来限制用水，从而平衡水的分配并防止不受控制的使用。智能计量还可以防止不受控制的意外泄漏升级为洪水。

通过使用智能水管理，Robeau帮助欧盟的机场，饭店，制造工厂，办公室和商业中心实现了25％到40％的节水。

洪水监控

随着气候变化使天气变得更加极端，导致严重的干旱和大洪水，城市和市政当局日益面临洪水问题。在北美和世界其他地区，洪水确实是一个令人担忧的问题。与过去不同，洪水变成了全年的事件，发生在冬季大雪暴过后，其他季节暴雨和飓风过后。尽管卫星成像和天气预报技术取得了进步，但发出早期准确的洪水预警以挽救生命并避免财产损失仍然是一个挑战。

在IIoT监控系统中，可以将带有GPS标签的水传感器或超声波深度传感器的分布式网络安装在桥梁，河流，溪流和雨水渠上。传感器从各个位置收集有关水位的数据以进行分析。一旦分析确定需要早期洪水警报，便可以将移动警报发送到可能受到影响的本地企业，第一响应者，社区和政府。洪水监控系统已部署到许多城市，例如弗吉尼亚海滩和弗吉尼亚州的纽波特纽斯。

农业智能用水

农业行业消耗的淡水比其他任何行业或人类活动都要多。缺乏监督和实时管理导致浪费大量的灌溉用水。

由IIoT控制的智能灌溉系统可以从安装在农场周围的传感器收集实时用水数据。根据传感器数据，该系统可以根据灌溉需要来打开和关闭水，以防止误用或未充分利用。而且，传感器可以帮助检测和处理输水管道中的泄漏，以减少水的浪费。

此外，智能传感器可以帮助农民跟踪温度，降雨量，湿度和风况。借助传感器来确保所需的土壤水分水平，农作物可以得到有效灌溉。此外，水传感器可以监视土壤中的其他变量，例如pH值，因为过多的土壤酸度会阻止植物吸收养分。评估土壤盐度也很关键，因为某些农作物耐盐，而另一些农作物则不耐盐。最后，水的氧化还原电位（ORP）表明其分解污染物的能力。跟踪ORP对于监视水污染物水平很有用。

许多试点项目表明，通过使用IIoT，农民可以节省大量水资源。例如，法国IIoT解决方案提供商Kerlink正在与荷兰土壤湿度传感器生产商Sensoterra合作。Robeau正在与苏格兰，爱尔兰和法国的农场合作，实现节水25％的目标。

水质

必须处理工业，农业和家庭废水以去除污染物或污染物。在排放到城市供水网络或天然水源之前，必须满足pH，悬浮固体和电导率的排放标准。可以使用两种不同的方法来测量污染物：

生物需氧量（BOD）衡量细菌分解废水中有机成分所需的氧气量。

废水中的化学需氧量（COD）表示无机和有机化学品的总量。高的COD含量意味着水中有大量可氧化的有机物质，这将降低溶解氧的含量并危及较高水生生物的形态。

因此，高的COD或BOD表示较高的污染水平或较低质量的已处理废水。

用于测量废水中pH，浊度，电导率和氧气含量等变量的IIoT传感器将有助于监控水处理厂的效率。死水也是污染源。使用IIoT传感器监控积水可以帮助安排时间控制的清洗，以减少污染的可能性。

设计注意事项和挑战

由于IIoT传感器安装在较大的区域，因此传感器与其他系统组件之间的连接至关重要。用于监测水的传感器通常会浸入水中或暴露在室外元素中，或暴露在室外元素中，或同时暴露在室外元素中，因此它们也必须坚固耐用以承受极端温度。预计可在10到20年的时间内进行现场维护，而无需维护或更换电池，这意味着功耗必须非常低。在无线通信带宽中使用的优化也是必须的。

设计案例1：饮用水质量
GF管道系统的 Hycleen自动化系统 用于维持建筑物中的饮用水卫生。该系统具有温度和流量传感器，分别连续收集有关水温和流量的数据。对数据进行分析，以指导系统执行液压平衡，执行受控的热消毒，根据需要冲洗管路或在出现故障时提醒用户。

此外，对消耗控制的冲洗进行了微调。

首先，测量在指定时期内的两个有效用水量。然后将数据与目标交换量进行比较。仅冲洗差异而不冲洗整个体积，因此将冲洗体积降至最低，并在不增加军团菌风险的情况下优化了能耗。Hycleen系统可以通过任何智能手机或类似设备通过应用程序进行远程控制。

Hycleen系统可以集成到建筑物管理系统中；它已成功用于复杂的建筑，例如欧洲的酒店，医院，学校，公寓楼和工厂。

GF管道系统的Hycleen自动化系统是基于云的水质管理系统的一个示例。它具有温度和流量传感器，可以连续收集有关水温和流量的数据。

设计案例2：污染监测
Birdz的SWARM浮标可测量偏远水库的水质。该系统的多参数探头可测量质量或环境参数，例如电导率，绝对压力，温度，活性氯，浊度和有机物。收集的实时数据通过其无线通信模块直接传输到最终用户或远程服务器。此外，浮标的维护成本低，并且能源自给自足。它具有一个由电池和能量回收系统组成的能量模块。浮标于2018年部署在澳大利亚的马尔姆斯伯里水库。在部署的第一年中，系统仅需要更换一次探针和两次物理维护电话。

展望未来

在实施智能水管理系统方面有初步投资。根据应用的不同，使用IIoT系统监控水体或水质可能需要在需要监控的区域安装大量传感器。因此，需要考虑传感器以及IIoT系统的成本效益。一旦安装了系统，未来的回报可能会很大。该系统将能够提供智能水监控，漏水检测，智能计量，智能水分配，洪水监控，农业智能水使用以及水质改善。随着传感器被部署到偏远地区，不断增强传感器以提高可靠性和能效并减少维护是关键。