一种基于分级响应机制的家庭智慧节水方法及系统技术方案

本发明专利技术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。

A family wise water-saving method and system based on hierarchical response mechanism

The invention discloses a family wisdom water saving method and system based on hierarchical response mechanism, system consists of water flow sensor, terminal node, coordinator, server, intelligent mobile phone and intelligent water flow control valve, the coordinator node receiving terminal regularly sent residents of the home water data, and the data will be uploaded to the server; the server the data were saved, and according to the classification of the response mechanism for processing and analyzing the data received by households, the level to which the judge should trigger the response mechanism of graded response, according to the judgment result to the sending equipment control command; related equipment receives the control command server, control and monitoring of the corresponding household water.

【技术实现步骤摘要】
一种基于分级响应机制的家庭智慧节水方法及系统
本专利技术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

技术介绍
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。
技术实现思路
基于此，本专利技术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。本专利技术在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,并通过本专利技术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。本专利技术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，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，并计算出每小时用水量和的比值系数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：，其中为一天连续的24个时段；Qi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，，其中Qh为最高日最大时用水量，Qmd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，服务器通过与的对比来确定该住户用水量是否处于合理的区间，其中是不同住宅类别最高日生活用水定额，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；若的值低于，按照正常的分级响应机制运行即可；若的值高于，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，将替换为，，其中N的初始值设置为0.8，当降为原先的80%时，N的取值改为0.6，当降为初始值的60%时，N的取值改为0.4，当降为初始值的40%时，N的取值改为0.2，以此类推，直到与持平。附图说明图1是本专利技术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是根据本专利技术的一个实施例的家庭用水比值系数K走势图；以及图4表示根据本专利技术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专利技术的目的、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，对本专利技术进一步详细说明。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随着每个本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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、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。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：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。3.根据权利要求2所述的方法，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，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，并计算出每小时用水量和的比值系数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。4.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘心，杨宗海，李文竹，
申请(专利权)人：河北工程大学，
类型：发明
国别省市：河北,13