使用IIoT進行智能水管理

2021-04-29

使用IIoT進行智能水管理

盡管地球上超過70％的水被覆蓋，但是97.2％的水是鹽水。在2.8％的淡水中，大部分被冷凍成極地冰。不到總水量的1％是地下水或地表淡水。在所有淡水中，只有1％可以飲用。換句話說，地球上只有0.01％的水是可飲用的。

根據世界衛生組織的統計，8.84億人無法獲得飲用水。而且，全世界三分之一的人面臨缺水壓力或需要競爭有限量的水的需求。氣候變化將加劇這些問題，干旱和洪水使水資源的分配更加不均衡。需要通過減少浪費和更有效地回收廢水來進行節水的高效水管理。減輕洪災也是如此，以保護脆弱的城市和基礎設施。

此外，農業灌溉消耗了全部淡水的48％。在剩余的52％中，能源生產占22％，其中6％用于工業用途，而24％用于住宅建筑物的活動，如沖水馬桶，清潔和淋浴。這些不同的部門也有類似的問題，例如漏水和/或用水效率低下。水質差也是一個問題。

那么如何解決這些問題呢？工業物聯網（IIoT）可能會提供一些潛在的解決方案。

更智能的監控

水循環包括許多點。這些要點包括用水的建筑物和房屋。循環中的其他要點是可再生水源，例如水壩，湖泊和地下水。水生植物; 水塔；和廢水處理廠。通過監控水使用或水質的IIoT探針，可以使所有這些點變得更加智能。

智能水管理涵蓋許多方面，包括可再生資源，自來水廠，網絡沖洗，水質探測器，水塔和建筑物。

更智能的漏水檢測，智能計量和智能配水

出乎意料的是，對房屋所有者而言，水災帶來的風險比火災或盜竊要大得多。漏水會浪費水。此外，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。漏水在歐盟許多國家的較大建筑物中也很常見。

在IIoT系統中，可以在建筑物周圍安裝濕度傳感器以檢測泄漏。傳感器將收集數據并將其發送回云以進行分析。一旦分析發現異常，發送到智能閥的命令將自動關閉水，從而最大程度地減少了泄漏。

智能計量可以通過遠程編程的自動“打開”或“關閉”命令來限制用水，從而平衡水的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的意外泄漏升級為洪水。

通過使用智能水管理，Robeau幫助歐盟的機場，飯店，制造工廠，辦公室和商業中心實現了25％到40％的節水。

洪水監控

隨著氣候變化使天氣變得更加極端，導致嚴重的干旱和大洪水，城市和市政當局日益面臨洪水問題。在北美和世界其他地區，洪水確實是一個令人擔憂的問題。與過去不同，洪水變成了全年的事件，發生在冬季大雪暴過后，其他季節暴雨和颶風過后。盡管衛星成像和天氣預報技術取得了進步，但發出早期準確的洪水預警以挽救生命并避免財產損失仍然是一個挑戰。

在IIoT監控系統中，可以將帶有GPS標簽的水傳感器或超聲波深度傳感器的分布式網絡安裝在橋梁，河流，溪流和雨水渠上。傳感器從各個位置收集有關水位的數據以進行分析。一旦分析確定需要早期洪水警報，便可以將移動警報發送到可能受到影響的本地企業，第一響應者，社區和政府。洪水監控系統已部署到許多城市，例如弗吉尼亞海灘和弗吉尼亞州的紐波特紐斯。

農業智能用水

農業行業消耗的淡水比其他任何行業或人類活動都要多。缺乏監督和實時管理導致浪費大量的灌溉用水。

由IIoT控制的智能灌溉系統可以從安裝在農場周圍的傳感器收集實時用水數據。根據傳感器數據，該系統可以根據灌溉需要來打開和關閉水，以防止誤用或未充分利用。而且，傳感器可以幫助檢測和處理輸水管道中的泄漏，以減少水的浪費。

此外，智能傳感器可以幫助農民跟蹤溫度，降雨量，濕度和風況。借助傳感器來確保所需的土壤水分水平，農作物可以得到有效灌溉。此外，水傳感器可以監視土壤中的其他變量，例如pH值，因為過多的土壤酸度會阻止植物吸收養分。評估土壤鹽度也很關鍵，因為某些農作物耐鹽，而另一些農作物則不耐鹽。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對于監視水污染物水平很有用。

許多試點項目表明，通過使用IIoT，農民可以節省大量水資源。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商Sensoterra合作。Robeau正在與蘇格蘭，愛爾蘭和法國的農場合作，實現節水25％的目標。

水質

必須處理工業，農業和家庭廢水以去除污染物或污染物。在排放到城市供水網絡或天然水源之前，必須滿足pH，懸浮固體和電導率的排放標準?？梢允褂脙煞N不同的方法來測量污染物：

生物需氧量（BOD）衡量細菌分解廢水中有機成分所需的氧氣量。

廢水中的化學需氧量（COD）表示無機和有機化學品的總量。高的COD含量意味著水中有大量可氧化的有機物質，這將降低溶解氧的含量并危及較高水生生物的形態。

因此，高的COD或BOD表示較高的污染水平或較低質量的已處理廢水。

用于測量廢水中pH，濁度，電導率和氧氣含量等變量的IIoT傳感器將有助于監控水處理廠的效率。死水也是污染源。使用IIoT傳感器監控積水可以幫助安排時間控制的清洗，以減少污染的可能性。

設計注意事項和挑戰

由于IIoT傳感器安裝在較大的區域，因此傳感器與其他系統組件之間的連接至關重要。用于監測水的傳感器通常會浸入水中或暴露在室外元素中，或暴露在室外元素中，或同時暴露在室外元素中，因此它們也必須堅固耐用以承受極端溫度。預計可在10到20年的時間內進行現場維護，而無需維護或更換電池，這意味著功耗必須非常低。在無線通信帶寬中使用的優化也是必須的。

設計案例1：飲用水質量
GF管道系統的 Hycleen自動化系統 用于維持建筑物中的飲用水衛生。該系統具有溫度和流量傳感器，分別連續收集有關水溫和流量的數據。對數據進行分析，以指導系統執行液壓平衡，執行受控的熱消毒，根據需要沖洗管路或在出現故障時提醒用戶。

此外，對消耗控制的沖洗進行了微調。

首先，測量在指定時期內的兩個有效用水量。然后將數據與目標交換量進行比較。僅沖洗差異而不沖洗整個體積，因此將沖洗體積降至最低，并在不增加軍團菌風險的情況下優化了能耗。Hycleen系統可以通過任何智能手機或類似設備通過應用程序進行遠程控制。

Hycleen系統可以集成到建筑物管理系統中；它已成功用于復雜的建筑，例如歐洲的酒店，醫院，學校，公寓樓和工廠。

GF管道系統的Hycleen自動化系統是基于云的水質管理系統的一個示例。它具有溫度和流量傳感器，可以連續收集有關水溫和流量的數據。

設計案例2：污染監測
Birdz的SWARM浮標可測量偏遠水庫的水質。該系統的多參數探頭可測量質量或環境參數，例如電導率，絕對壓力，溫度，活性氯，濁度和有機物。收集的實時數據通過其無線通信模塊直接傳輸到最終用戶或遠程服務器。此外，浮標的維護成本低，并且能源自給自足。它具有一個由電池和能量回收系統組成的能量模塊。浮標于2018年部署在澳大利亞的馬爾姆斯伯里水庫。在部署的第一年中，系統僅需要更換一次探針和兩次物理維護電話。

展望未來

在實施智能水管理系統方面有初步投資。根據應用的不同，使用IIoT系統監控水體或水質可能需要在需要監控的區域安裝大量傳感器。因此，需要考慮傳感器以及IIoT系統的成本效益。一旦安裝了系統，未來的回報可能會很大。該系統將能夠提供智能水監控，漏水檢測，智能計量，智能水分配，洪水監控，農業智能水使用以及水質改善。隨著傳感器被部署到偏遠地區，不斷增強傳感器以提高可靠性和能效并減少維護是關鍵。