使用IIoT的智能水管理

雖然地球的 70% 以上被水覆蓋，但 97.2% 的水是咸水。在2.8%的淡水中，大部分被凍結(jié)成極地冰；不到 1% 的總水是地下水或地表淡水。在所有淡水中，只有1%是可飲用的。換句話說，地球上只有 0.01% 的水是可飲用的。

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，8.84 億人無法獲得飲用水。此外，全世界三分之一的人面臨用水壓力或需要爭奪有限的水量。氣候變化將加劇這些問題，干旱和洪水使水資源的分布更加不平衡。需要有效的水管理，通過減少廢物和更有效地回收廢水來節(jié)約用水。減輕洪水以保護脆弱的城市和基礎(chǔ)設(shè)施也是如此。

此外，農(nóng)業(yè)灌溉占所有淡水的 48%。在剩余的 52% 中，能源生產(chǎn)占 22%，其中 6% 用于工業(yè)用途，24% 用于住宅建筑的活動，如沖馬桶、清潔和淋浴。這些不同部門有類似的問題，例如漏水和/或低效用水。水質(zhì)差也是一個問題。

那么可以做些什么來解決這些問題呢？工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 可能會提供一些潛在的解決方案。

更智能的監(jiān)控

水循環(huán)包括許多點。這些點包括用水的建筑物和房屋。循環(huán)中的其他點是可再生水源，例如水壩、湖泊和地下水；水生植物; 水塔；和污水處理廠。所有這些點都可以通過監(jiān)測用水或質(zhì)量的 IIoT 探針變得更智能。

智能水管理包括很多點，包括可再生資源、水廠、網(wǎng)絡(luò)沖洗、水質(zhì)探頭、水塔和建筑物。（來源：伯茲）

更智能的漏水檢測、智能計量和智能配水

令人驚訝的是，水損壞對房主來說比火災(zāi)或盜竊造成的風(fēng)險要大得多。漏水會導(dǎo)致水被浪費。更重要的是，泄漏可能會損壞房屋的地板、墻壁和天花板，并且需要昂貴的維修費用。漏水在歐盟許多國家的大型建筑物中也很常見。

在 IIoT 系統(tǒng)中，濕度傳感器可以安裝在建筑物周圍以檢測泄漏。傳感器將收集數(shù)據(jù)并將其發(fā)送回云端進行分析。一旦分析發(fā)現(xiàn)異常，發(fā)送到智能閥門的命令將自動關(guān)閉水，最大限度地減少泄漏。

智能計量可以通過遠(yuǎn)程編程的自動“打開”或“關(guān)閉”命令限制用水量，平衡水分配并防止不受控制的使用。智能計量還可以防止不受控制和意外的泄漏升級為洪水。

使用智能水管理，Robeau幫助歐盟的機場、餐館、制造廠、辦公室和商業(yè)中心實現(xiàn)了 25% 到 40% 的節(jié)水。

洪水監(jiān)測

由于氣候變化使天氣更加極端，導(dǎo)致嚴(yán)重的干旱和大洪水，城市和市政當(dāng)局越來越多地面臨洪水問題。在北美和世界其他地區(qū)，洪水是一個真正令人擔(dān)憂的問題。與過去不同，洪水正在成為全年的事件，發(fā)生在冬季的大暴風(fēng)雪之后以及其他季節(jié)的暴雨和颶風(fēng)之后。盡管衛(wèi)星成像和天氣預(yù)報技術(shù)取得了進步，但發(fā)布早期和準(zhǔn)確的洪水警報以挽救生命并避免財產(chǎn)損失仍然是一項挑戰(zhàn)。

在 IIoT 監(jiān)控系統(tǒng)中，可以將帶有 GPS 標(biāo)記的水傳感器或超聲波深度傳感器的分布式網(wǎng)絡(luò)安裝在橋梁、河流、溪流和雨水渠上。傳感器從不同位置收集水位數(shù)據(jù)進行分析。一旦分析確定需要早期洪水預(yù)警，就可以向可能受到影響的當(dāng)?shù)仄髽I(yè)、急救人員、社區(qū)和政府發(fā)送移動警報。洪水監(jiān)測系統(tǒng)已部署到弗吉尼亞海灘和弗吉尼亞州紐波特紐斯等許多城市。

農(nóng)業(yè)智慧用水

農(nóng)業(yè)比任何其他行業(yè)或人類活動消耗更多的淡水。缺乏監(jiān)督和實時管理導(dǎo)致浪費了大量的灌溉用水。

智能 IIoT 控制的灌溉系統(tǒng)可以從安裝在農(nóng)場周圍的傳感器收集實時用水?dāng)?shù)據(jù)。根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以根據(jù)灌溉需求打開和關(guān)閉水，以防止誤用或未充分利用。此外，傳感器可以幫助檢測和處理水管中的泄漏，以減少水的浪費。

此外，智能傳感器可以幫助農(nóng)民跟蹤溫度、降雨量、濕度和風(fēng)況。借助傳感器來幫助確保所需的土壤濕度水平，作物可以得到有效的澆水。此外，水傳感器可以監(jiān)測土壤中的其他變量，例如 pH 值，因為過多的土壤酸度會阻止植物吸收養(yǎng)分。評估土壤鹽分也很關(guān)鍵，因為有些作物耐鹽，而另一些則不耐鹽。最后，水的氧化還原電位 (ORP) 表明其分解污染物的能力；跟蹤 ORP 對于監(jiān)測水污染物水平很有用。

許多試點項目表明，農(nóng)民可以通過使用 IIoT 實現(xiàn)顯著節(jié)水。例如，法國 IIoT 解決方案提供商 Kerlink 正在與荷蘭土壤濕度傳感器生產(chǎn)商 Sensoterra 合作。Robeau 正在與蘇格蘭、愛爾蘭和法國的農(nóng)場合作，以實現(xiàn) 25% 的節(jié)水。

水質(zhì)

必須對工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活廢水進行處理以去除污染物或污染物。在排放到城市供水網(wǎng)絡(luò)或天然水源之前，必須滿足 pH、懸浮固體和電導(dǎo)率的排放標(biāo)準(zhǔn)。可以使用兩種不同的方法來測量污染物：

• 生物需氧量 (BOD) 測量細(xì)菌分解廢水中的有機成分所需的氧氣量。
• 廢水中的化學(xué)需氧量 (COD) 表示無機和有機化學(xué)品的總量。高 COD 水平意味著水中含有大量可氧化的有機物質(zhì)，這將降低溶解氧水平并危及高等水生生物。

因此，較高的 COD 或 BOD 表明已處理廢水的污染程度較高或質(zhì)量較低。

IIoT 傳感器可測量廢水中的 pH、濁度、電導(dǎo)率和氧氣水平等變量，將有助于監(jiān)測水處理廠的效率。死水也是污染源。使用 IIoT 傳感器監(jiān)測死水可以幫助安排時間控制的清洗，以減少污染的可能性。

設(shè)計考慮和挑戰(zhàn)

由于 IIoT 傳感器安裝在大面積區(qū)域，因此傳感器與其他系統(tǒng)組件之間的連接至關(guān)重要。用于監(jiān)測水的傳感器通常被淹沒或暴露于室外元素或兩者兼而有之，因此它們還必須經(jīng)過加固以承受極端溫度。預(yù)計可在無需維護或更換電池的情況下進行 10 至 20 年的現(xiàn)場運行，這意味著功耗必須超低。無線通信帶寬使用的優(yōu)化也是必須的。

設(shè)計案例 1：飲用水質(zhì)量
GF Piping Systems的?Hycleen 自動化系統(tǒng)?用于維護建筑物中的飲用水衛(wèi)生。該系統(tǒng)具有溫度和流量傳感器，可分別連續(xù)收集水溫和流量數(shù)據(jù)。分析數(shù)據(jù)以指導(dǎo)系統(tǒng)執(zhí)行液壓平衡、執(zhí)行受控?zé)嵯?、根?jù)需要沖洗管路或在發(fā)生故障時提醒用戶。

此外，對消耗控制的沖洗進行了微調(diào)。

首先，測量指定時期內(nèi)的兩次有效用水量。然后將數(shù)據(jù)與目標(biāo)交換量進行比較。只沖洗差異，而不是整個體積，從而將沖洗量降至最低并優(yōu)化能源消耗，而不會增加軍團菌的風(fēng)險。Hycleen 系統(tǒng)可以通過應(yīng)用程序使用任何智能手機或類似設(shè)備進行遠(yuǎn)程控制。

Hycleen系統(tǒng)可以集成到樓宇管理系統(tǒng)中；它已成功應(yīng)用于復(fù)雜的建筑，如歐洲的酒店、醫(yī)院、學(xué)校、公寓樓和工業(yè)廠房。

設(shè)計案例 2：污染監(jiān)測Birdz 的 SWARM
浮標(biāo)測量偏遠(yuǎn)水庫的水質(zhì)。該系統(tǒng)的多參數(shù)探頭能夠測量質(zhì)量或環(huán)境參數(shù)，例如電導(dǎo)率、絕對壓力、溫度、活性氯、濁度和有機物。采集的實時數(shù)據(jù)通過其無線通信模塊直接傳輸?shù)浇K端用戶或遠(yuǎn)程服務(wù)器。此外，浮標(biāo)維護成本低且能源自給自足；它有一個能量模塊??，包括一個電池和一個能量回收系統(tǒng)。這些浮標(biāo)于 2018 年部署在澳大利亞的馬姆斯伯里水庫。所需的維護非常低；在部署的第一年，該系統(tǒng)只需要更換一次探頭和兩次實際維護電話。

展望未來

對智能水管理系統(tǒng)的實施進行了初步投資。使用 IIoT 系統(tǒng)監(jiān)測水體或水質(zhì)可能需要大量傳感器覆蓋需要監(jiān)測的區(qū)域，具體取決于應(yīng)用。因此，傳感器的成本效益以及 IIoT 系統(tǒng)的成本效益是一個考慮因素。一旦安裝了系統(tǒng)，未來的回報可能會很大。這些系統(tǒng)將能夠提供智能水監(jiān)測、漏水檢測、智能計量、智能配水、洪水監(jiān)測、農(nóng)業(yè)智能用水和水質(zhì)改善。隨著傳感器部署到偏遠(yuǎn)地區(qū)，不斷增強傳感器以提高可靠性和能源效率并減少維護是關(guān)鍵。


審核編輯：劉清