一种基于物联网的液位监控系统及方法
阅读说明：本技术 一种基于物联网的液位监控系统及方法 (Liquid level monitoring system and method based on Internet of things ) 是由 陆新宇 于 2021-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于物联网的液位监控系统及方法,属于液位监控技术领域。本系统包括采集模块、抽水模块、回流模块、控制模块、液位监控模块；所述采集模块的输出端与所述液位监控模块的输入端相连接；所述液位监控模块的输出端与所述控制模块的输入端相连接；所述控制模块的输出端与所述抽水模块、回流模块的输入端相连接；所述回流模块的输出端与所述抽水模块的输入端相连接,同时还提供一种基于物联网的液位监控方法,能够保障消防用水的用水量,同时也可以保障使用方不会出现突然断水的情况,对断水前的存水进行最优方式分配,尽可能保障多数人利益,并最大化利用水资源。(The invention discloses a liquid level monitoring system and method based on the Internet of things, and belongs to the technical field of liquid level monitoring. The system comprises an acquisition module, a water pumping module, a backflow module, a control module and a liquid level monitoring module; the output end of the acquisition module is connected with the input end of the liquid level monitoring module; the output end of the liquid level monitoring module is connected with the input end of the control module; the output end of the control module is connected with the input ends of the water pumping module and the backflow module; the output of backward flow module with the input of the module of drawing water is connected, still provides a liquid level monitoring method based on thing networking simultaneously, can ensure the water consumption of fire control water, also can ensure simultaneously that the condition of suddenly cutting off the water can not appear in the user, carries out the optimal mode distribution to the deposit water before cutting off the water, ensures most people interests as far as possible to the maximize utilizes the water resource.)
技术领域
本发明涉及液位监控技术领域，具体为一种基于物联网的液位监控系统及方法。
背景技术
物联网是基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能行使独立功能的普通物体实现互联互通的网络。顾名思义，其为物与网络之间的连接，通过物联网进行控制，能够更好实现自动化、智能化。
在日常生活中，在人们生活的小区内经常会出现断水现象，其一般是因为水量要保障消防用水的同时导致生活用水的暂时缺乏，而断水通常是瞬间性断水，因此，常常会出现使用方正在洗澡、洗头或洗衣服等情况时，突然出现断水现象，严重影响了人们的生活，特别不方便，降低了人们生活的幸福指数，而在现有技术中并没有能够进行重视并解决这一方面问题的技术方案，如何能够保证在小区即将断水的情况下，尽可能提供一些备用水来保障大多数人能够完成当前的用水操作，成为了一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于物联网的液位监控系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种基于物联网的液位监控系统，该系统包括采集模块、抽水模块、回流模块、控制模块、液位监控模块；
所述采集模块用于采集管道的基本信息，管道的历史用水数据信息，发送至液位监控模块；所述抽水模块用于从蓄水装置中抽水到使用方；所述回流模块用于将管道中水进行回流至蓄水装置中；所述控制模块用于接受与发送指令，控制抽水模块与回流模块的开启与关闭；所述液位监控模块用于数据处理，监控蓄水装置中的液位变化，通过互联网发送指令至控制模块；
所述采集模块的输出端与所述液位监控模块的输入端相连接；所述液位监控模块的输出端与所述控制模块的输入端相连接；所述控制模块的输出端与所述抽水模块、回流模块的输入端相连接；所述回流模块的输出端与所述抽水模块的输入端相连接。
根据上述技术方案，所述采集模块包括管道信息采集单元、历史数据采集单元；
所述管道信息采集单元用于采集管道的基本信息，包括管道的长度、直径、液位高度；所述历史数据采集单元用于采集管道的历史用水信息数据和时间信息数据；
所述管道信息采集单元、历史数据采集单元的输出端与所述液位监控模块的输入端相连接。
根据上述技术方案，所述抽水模块包括抽水端口、接收端口一；
所述抽水端口用于从蓄水装置中抽水至使用方进行使用；所述接收端口一用于接收控制指令，控制抽水端口的开启与关闭；
所述接收端口一的输出端与所述抽水端口的输入端相连接。
根据上述技术方案，所述回流模块包括回流端口、接收端口二；
所述回流端口用于将管道内残留水回流至蓄水装置中；所述接收端口二用于接收与发送控制指令，接收来自于控制模块的控制回流端口开启与关闭的控制指令；并同时发送指令给对应的抽水模块，使其无法开启；
所述接收端口二的输出端与所述抽水模块、回流端口的输入端相连接。
根据上述技术方案，所述控制模块包括指令生成单元、指令发送单元；
所述指令生成单元用于生成控制指令；所述指令发送单元用于将控制指令传输至相应模块；
所述指令生成单元的输出端与所述指令发送单元的输入端相连接；所述指令发送单元的输出端与所述抽水模块、回流模块的输入端相连接。
根据上述技术方案，所述液位监控模块包括数据处理单元、液位监控单元；
所述数据处理单元用于处理各项数据，生成液位监控表，在相应的液位下实施相应动作；所述液位监控单元用于监控蓄水装置的液位变化情况，并发送指令至控制模块；
所述数据处理单元的输出端与所述液位监控单元的输入端相连接；所述液位监控单元的输出端与所述控制模块的输入端相连接。
一种基于物联网的液位监控方法，该方法包括以下步骤：
S1、获取区域内存储社会用水的蓄水装置的基础数据；
S2、获取步骤S1所述的蓄水装置的液位报警值、液位标准值；
S3、获取所有接入蓄水装置的管道，将其进行序号标记，任意两管道之间序号不重复；
S4、获取各管道的长度、直径、液位高度，计算各管道的存水量，获取当前未使用的管道，即抽水模块未开启的管道，记为管道A；获得所有管道A的总存水量，记为S1；
S5、获取当前正在使用的管道，即抽水模块开启的管道，记为管道B；根据历史数据预测所有管道B还需的用水量，获得当前使用方还需的总用水量的预测值，记为V1；
S6、获取总可用存水量记为S2；若存在S2≥V1，则进入步骤S6-1；若存在S2＜V1，则进入步骤S6-2；
S6-1、各管道正常工作，直至液位到达液位报警值时，关闭所有抽水模块；
S6-2、获取预测数据，进行管道分配用水，监控蓄水装置液位值，陆续关闭各管道B的抽水模块；
S7、实时监控蓄水装置液位值，在液位值超过液位标准值后，关闭所有回流模块。
根据上述技术方案，在步骤S1-S3中，还包括：
所述社会用水包括生活用水与消防用水，所述基础数据包括地点、容量、当前存水量、液位；
所述管道与使用方处设置有抽水模块；所述管道与蓄水装置处设置有回流模块；回流模块开启时，抽水模块无法开启；
所述液位报警值为消防用水液位值，即蓄水装置最低留水量；所述液位标准值为高于液位报警值，在蓄水装置中水位到达液位标准值时，发出蓄水装置水量不足信息至管理方和使用方，并打开所有未开启抽水模块管道的回流模块。
根据上述技术方案，在步骤S4-S5中，还包括：
获取各个管道A的直径，记为d；获取各个管道A的长度，记为L；
则有管道Ai的存水量为Vi=π（d/2）2*Li；其中Li为管道Ai的长度；
获取所有管道A的存水量，相加后得出总存水量S1；
获取所有管道B的序号；
获取当前时间T0和管道B已使用时间；
获取所有管道B的历史用水数据；
建立任一管道Bi的预测模型如下：
建立时间集合，以每一天24小时为基准，建立48个时间集合，即从0点0分0秒开始，每半小时建立一个时间集合，并分别标记序号为1-48；
获取当前时间T0所属的时间集合，获取对应该时间集合的历史数据集进行分析，所述历史数据集内包括在当前时间T0所属的时间集合下，各管道的平均用水，共计取t组数据；
建立公式如下：
其中，代表第t+1期的管道Bi的用水量预测值；为预测截距；为预测斜率；m为新增趋势预测期数；t为历史数据期数；
其中，代表u组数据下的一次移动平均值；代表u组数据下的二次移动平均值；u代表参与移动的数据组数；
获取任一管道Bi的使用时间，记为T，水流量记为w；
则任一管道Bi还需的用水量预测值为：
可获取所有管道B的用水量预测值，进而得出其总和，记为V1。
这里的一次移动平均值即指从第一组开始不断地取u组数据进行计算平均值，按照顺序依次移动计算，例如u=5，则取第一组到第五组进行第一次计算，然后取第二组到第六组，再次计算平均值，以此类推；而二次移动平均值即指选取u组一次移动平均值再次进行平均值计算，例如u=5，则取第一组一次移动平均值到第五组一次移动平均值进行第一次计算，然后取第二组到第六组，再次计算平均值，以此类推；这样的计算能够充分显示数据的趋势性，即展现各管道在当前时间下的用水量的历史情况，进而判断该管道的用水量预测值。
根据上述技术方案，在步骤S6-S7中，还包括：
获取液位标准值与液位报警值的差值，获取蓄水装置的底面积，进而计算蓄水装置内的可用存水量，记为S3；
则有S2=S3+S1；
在S2＜V1时，开启分配用水模式；
获取所有管道B还需的用水量预测值，记为集合G={K需1、K需2、K需3、……、K需n}，其中K需1、K需2、K需3、……、K需n分别代表各个管道B的还需用水量的预测值；
在集合G中任选x个值进行相加，将总和不大于S2的进行保留，并作为一个元素记入集合G1；
在G1中选取x最大的元素，作为最优方式，若出现两元素中x相同的情况，则选取元素较大的作为最优方式；
获取最优方式中的所有管道，及其对应的还需的用水量预测值；
对其对应的还需的用水量预测值按照从小到大顺序进行排序，并标记，并按照标记顺序进行抽水模块与回流模块的控制，公式如下：
其中，代表第q次关闭一管道的抽水模块的液位值；H代表液位标准值；代表第q次关闭的管道还需的用水量预测值；e代表最优方式中的管道数量；P为蓄水装置底面积；
在关闭每一个抽水模块的同时都会打开该管道的回流模块，直至最后关闭掉所有管道的抽水模块，系统完成；
在新水源进入后，液位到达液位标准值H后，关闭所有管道的回流模块。
在本步骤中，以尽可能保障多家多户的用水完整为主要限定，利用液位的变化进行控制抽水模块与回流模块的开启与关闭，同时考虑到逐一关闭管道后的用水量变化，加入到液位监控中，使之更加精准。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
1、本发明能够保障消防用水的用水量，并同时提升存水量应用的最大化效果，在使用方进行用水时不会出现突然断水，提升使用方的用户体验，进而提升人民生活幸福水平；
2、本发明能够在液位达到液位标准值时进行剩余存水量的分配，尽可能以保障多数人利益为主，通过大数据预测的方式，实现存水量的最优方式规划，并利用液位的变化进行控制抽水模块与回流模块，利用物联网实现管道的通断，最大程度保障人民生活水平。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明一种基于物联网的液位监控系统及方法的流程示意图；
图2是本发明一种基于物联网的液位监控方法的步骤示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供技术方案：
一种基于物联网的液位监控系统，该系统包括采集模块、抽水模块、回流模块、控制模块、液位监控模块；
所述采集模块用于采集管道的基本信息，管道的历史用水数据信息，发送至液位监控模块；所述抽水模块用于从蓄水装置中抽水到使用方；所述回流模块用于将管道中水进行回流至蓄水装置中；所述控制模块用于接受与发送指令，控制抽水模块与回流模块的开启与关闭；所述液位监控模块用于数据处理，监控蓄水装置中的液位变化，通过互联网发送指令至控制模块；
所述采集模块的输出端与所述液位监控模块的输入端相连接；所述液位监控模块的输出端与所述控制模块的输入端相连接；所述控制模块的输出端与所述抽水模块、回流模块的输入端相连接；所述回流模块的输出端与所述抽水模块的输入端相连接。
所述采集模块包括管道信息采集单元、历史数据采集单元；
所述管道信息采集单元用于采集管道的基本信息，包括管道的长度、直径、液位高度；所述历史数据采集单元用于采集管道的历史用水信息数据和时间信息数据；
所述管道信息采集单元、历史数据采集单元的输出端与所述液位监控模块的输入端相连接。
所述抽水模块包括抽水端口、接收端口一；
所述抽水端口用于从蓄水装置中抽水至使用方进行使用；所述接收端口一用于接收控制指令，控制抽水端口的开启与关闭；
所述接收端口一的输出端与所述抽水端口的输入端相连接。
所述回流模块包括回流端口、接收端口二；
所述回流端口用于将管道内残留水回流至蓄水装置中；所述接收端口二用于接收与发送控制指令，接收来自于控制模块的控制回流端口开启与关闭的控制指令；并同时发送指令给对应的抽水模块，使其无法开启；
所述接收端口二的输出端与所述抽水模块、回流端口的输入端相连接。
所述控制模块包括指令生成单元、指令发送单元；
所述指令生成单元用于生成控制指令；所述指令发送单元用于将控制指令传输至相应模块；
所述指令生成单元的输出端与所述指令发送单元的输入端相连接；所述指令发送单元的输出端与所述抽水模块、回流模块的输入端相连接。
所述液位监控模块包括数据处理单元、液位监控单元；
所述数据处理单元用于处理各项数据，生成液位监控表，在相应的液位下实施相应动作；所述液位监控单元用于监控蓄水装置的液位变化情况，并发送指令至控制模块；
所述数据处理单元的输出端与所述液位监控单元的输入端相连接；所述液位监控单元的输出端与所述控制模块的输入端相连接。
一种基于物联网的液位监控方法，该方法包括以下步骤：
S1、获取区域内存储社会用水的蓄水装置的基础数据；
S2、获取步骤S1所述的蓄水装置的液位报警值、液位标准值；
S3、获取所有接入蓄水装置的管道，将其进行序号标记，任意两管道之间序号不重复；
S4、获取各管道的长度、直径、液位高度，计算各管道的存水量，获取当前未使用的管道，即抽水模块未开启的管道，记为管道A；获得所有管道A的总存水量，记为S1；
S5、获取当前正在使用的管道，即抽水模块开启的管道，记为管道B；根据历史数据预测所有管道B还需的用水量，获得当前使用方还需的总用水量的预测值，记为V1；
S6、获取总可用存水量记为S2；若存在S2≥V1，则进入步骤S6-1；若存在S2＜V1，则进入步骤S6-2；
S6-1、各管道正常工作，直至液位到达液位报警值时，关闭所有抽水模块；
S6-2、获取预测数据，进行管道分配用水，监控蓄水装置液位值，陆续关闭各管道B的抽水模块；
S7、实时监控蓄水装置液位值，在液位值超过液位标准值后，关闭所有回流模块。
在步骤S1-S3中，还包括：
所述社会用水包括生活用水与消防用水，所述基础数据包括地点、容量、当前存水量、液位；
所述管道与使用方处设置有抽水模块；所述管道与蓄水装置处设置有回流模块；回流模块开启时，抽水模块无法开启；
所述液位报警值为消防用水液位值，即蓄水装置最低留水量；所述液位标准值为高于液位报警值，在蓄水装置中水位到达液位标准值时，发出蓄水装置水量不足信息至管理方和使用方，并打开所有未开启抽水模块管道的回流模块。
在步骤S4-S5中，还包括：
获取各个管道A的直径，记为d；获取各个管道A的长度，记为L；
则有管道Ai的存水量为Vi=π（d/2）2*Li；其中Li为管道Ai的长度；
获取所有管道A的存水量，相加后得出总存水量S1；
获取所有管道B的序号；
获取当前时间T0和管道B已使用时间；
获取所有管道B的历史用水数据；
建立任一管道Bi的预测模型如下：
建立时间集合，以每一天24小时为基准，建立48个时间集合，即从0点0分0秒开始，每半小时建立一个时间集合，并分别标记序号为1-48；
获取当前时间T0所属的时间集合，获取对应该时间集合的历史数据集进行分析，所述历史数据集内包括在当前时间T0所属的时间集合下，各管道的平均用水，共计取t组数据；
建立公式如下：
其中，代表第t+1期的管道Bi的用水量预测值；为预测截距；为预测斜率；m为新增趋势预测期数；t为历史数据期数；
其中，代表u组数据下的一次移动平均值；代表u组数据下的二次移动平均值；u代表参与移动的数据组数；
获取任一管道Bi的使用时间，记为T，水流量记为w；
则任一管道Bi还需的用水量预测值为：
可获取所有管道B的用水量预测值，进而得出其总和，记为V1。
在步骤S6-S7中，还包括：
获取液位标准值与液位报警值的差值，获取蓄水装置的底面积，进而计算蓄水装置内的可用存水量，记为S3；
则有S2=S3+S1；
在S2＜V1时，开启分配用水模式；
获取所有管道B还需的用水量预测值，记为集合G={K需1、K需2、K需3、……、K需n}，其中K需1、K需2、K需3、……、K需n分别代表各个管道B的还需用水量的预测值；
在集合G中任选x个值进行相加，将总和不大于S2的进行保留，并作为一个元素记入集合G1；
在G1中选取x最大的元素，作为最优方式，若出现两元素中x相同的情况，则选取元素较大的作为最优方式；
获取最优方式中的所有管道，及其对应的还需的用水量预测值；
对其对应的还需的用水量预测值按照从小到大顺序进行排序，并标记，并按照标记顺序进行抽水模块与回流模块的控制，公式如下：
其中，代表第q次关闭一管道的抽水模块的液位值；H代表液位标准值；
代表第q次关闭的管道还需的用水量预测值；e代表最优方式中的管道数量；P为蓄水装置底面积；
在关闭每一个抽水模块的同时都会打开该管道的回流模块，直至最后关闭掉所有管道的抽水模块，系统完成；
在新水源进入后，液位到达液位标准值H后，关闭所有管道的回流模块。
在本实施例中：
设置一蓄水装置为长方体，底面积为100平方米，其中共接有20处管道；
获取当前未使用的管道，即抽水模块未开启的管道，记为管道A；
获取当前正在使用的管道，即抽水模块开启的管道，记为管道B；
获取各个管道A的直径，记为d；获取各个管道A的长度，记为L；
则有管道Ai的存水量为Vi=π（d/2）2*Li；其中Li为管道Ai的长度；
获取所有管道A的存水量，相加后得出总存水量S1；
其中管道A共有12处，管道B有8处；
总存水量S1=1立方米；
获取所有管道B的序号；
获取当前时间T0和管道B已使用时间；
获取所有管道B的历史用水数据；
建立时间集合，以每一天24小时为基准，建立48个时间集合，即从0点0分0秒开始，每半小时建立一个时间集合，并分别标记序号为1-48；
获取当前时间T0所属的时间集合，获取对应该时间集合的历史数据集进行分析，所述历史数据集内包括在当前时间T0所属的时间集合下，各管道的平均用水，共计取t组数据；t=10
选取管道B中的任一个Bi进行预测，在T0所属的时间集合内的用水量分别为：
2.5、2.3、2.6、2.4、2.2、2.3、2.6、2.1、2.5、3；
建立公式如下：
其中，代表第t+1期的管道Bi的用水量预测值；为预测截距；为预测斜率；m为新增趋势预测期数；t为历史数据期数；
其中，代表u组数据下的一次移动平均值；代表u组数据下的二次移动平均值；u代表参与移动的数据组数；
设置u组数据为u=5；
：
t=5：（2.5+2.3+2.6+2.4+2.2）/5=2.4
t=6：（2.3+2.6+2.4+2.2+2.3）/5=2.36
t=7：（2.6+2.4+2.2+2.3+2.6）/5=2.42
t=8：（2.4+2.2+2.3+2.6+2.1）/5=2.32
t=9：（2.2+2.3+2.6+2.1+2.5）/5=2.34
t=10：（2.3+2.6+2.1+2.5+3）/5=2.5
：
t=9：（2.4+2.36+2.42+2.32+2.34）/5=2.368
t=10：（2.36+2.42+2.32+2.34+2.5）/5=2.388
取t=10；则管道Bi的用水量预测值为：
可获取所有管道B还需的用水量预测值，
分别为1.668、1.234、1.257、1.2、2.6、2.52、0.35、0.869；
进而得出其总和，记为V1；则V1=11.698
获取液位标准值与液位报警值的差值，为0.1米；其中液位标准值为5.1；液位报警值为5.0；获取蓄水装置的底面积，进而计算蓄水装置内的可用存水量，记为S3；
则有S2=S3+S1=100*0.1+1=11；
在S2＜V1时，开启分配用水模式；
获取所有管道B还需的用水量预测值，分别为1.668、1.234、1.257、1.2、2.6、2.52、0.35、0.869；
在其中任选x个值进行相加，将总和不大于S2的进行保留，并作为一个元素记入集合G1；
在G1中选取x最大的元素，作为最优方式，若出现两元素中x相同的情况，则选取元素较大的作为最优方式；
则选取的最终方式为1.668、1.234、1.257、1.2、2.52、0.35、0.869；
获取最优方式中的所有管道，及其对应的还需的用水量预测值；
对其对应的还需的用水量预测值按照从小到大顺序进行排序，并标记，并按照标记顺序进行抽水模块与回流模块的控制，公式如下：
其中，代表第q次关闭一管道的抽水模块的液位值；H代表液位标准值；代表第q次关闭的管道还需的用水量预测值；e代表最优方式中的管道数量；
在q=1时，则有
则在液位达到5.0755时，关闭还需0.35预测用水量管道的抽水模块，并同时打开该管道的回流模块，
以此类推，直至最后关闭掉所有管道的抽水模块，系统完成。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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