一种基于NB‑IoT的用水控制系统的制作方法

本发明属于用水控制技术领域，具体涉及一种基于NB-IoT技术的用水控制系统，其特别适用于家庭使用。

背景技术：

众所周知，饮用水以及家庭其它用水，作为每个人生活必不可少的一部分，越来越多地受到人们的重视。当今社会，在各类改善人们生活、提高生活品质的科学技术高速发展的前提下，人们越来越多地关注健康以及便捷的生活方式。

而在现有的家庭用水当中，存在的问题比较多，主要包括以下几点：

1)、家庭饮用水多为过滤水或外购桶装水，并无专业的检验机器，用水质量安全存在比较大的风险，对身体健康的威胁较大。

2)、生活用水的控制大多依靠人工手动控制(洗漱用水等，直接通过开关水龙头进行控制)，费时费力，不够智能、简便。

3)、无法智能统计用水量与用水时间等数据，容易出现水资源浪费的情况。

上述只是目前家庭用水存在的部分问题，亟需通过现代化技术来解决上述问题。目前，在中国专利公开的文献中也有涉及此类技术。

例如，中国专利申请号201510919830.9公开了一种饮用水供应装置及其控制方法。饮用水供应装置包括：洁净水管，洁净水在其中流动；流量传感器，用于感测洁净水的流量；水供应管，用于排放洁净水；矿物质供应管，用于将矿物质供应到水供应管，其设有矿物质供应阀，该阀取决于是否要产生矿物质水选择打开和关闭；矿物质盒，其连接到矿物质供应管；矿物质水产生单元，其连接到水供应管和矿物质供应管；泵，用于对矿物质盒或矿物质供应管加压使得矿物质供应到矿物质水产生单元，泵被构造成基于泵的输出电压改变泵的马达的旋转数；排放管，其连接到矿物质水产生单元，用于排放洁净水或矿物质水；和控制器，用于基于由流量传感器感测到的流量改变泵的输出电压以调节供应到水供应管的矿物质量。如，中国专利申请号201520033568.3公开了一种饮用水安全控制系统，该饮用水安全控制系统通过沉淀大颗粒杂质，过滤铜、铅、镉等重金属，调节水的PH值，对过滤水进行多次反渗透过滤，对过滤水进行杀菌消毒等一系列操作，再由中央处理器13对整个过滤过程进行安全控制管理，提高其工作效率和可靠性，最后对原水完成高精度的提纯。又如，中国专利申请号201520107540.X提出了一种饮用水温度控制装置，其加热单元和温度检测单元均置于加热水箱内部；温度检测单元与温度控制单元连接，温度检测单元在检测到加热水箱内的水温满足预设条件时，向温度控制单元发送电信号；温度控制单元与加热单元电连接，根据接收到的所述温度检测单元发送的电信号控制所述加热单元的通电状态。本装置可用于各种饮水设备，彻底解决了现有饮水设备加热不充分的问题。再如，中国专利申请号：201310416446.8公开了一种制造与供给热水控制方法，应用于开放式储热水槽，利用控制装置，并设置液位感测装置、离开制热装置温度传感器、供给热水温度传感器等，侦测和控制开放式储热水槽内热水量、制热水温度和供给热水温度，及其设定的水位差和温度差值，并配合热泵或热回收等制热系统、补给水、制热循环水泵及供给热水泵等控制装置，依不同供给热水量及节能需求控制，使热水供给装置具有快速制热供给热水功能、满足热水需量排程供给热水功能和离峰用电时段全量制热水功能等三种供给热水方法，使热水供给装置具有提高扩充储热水槽供给热水的释热效率和热泵系统制热循环的制热运转效率。

上述各专利技术方案，虽各有其优点，但各专利技术方案均只是解决用水的某一方面问题，其功能较为单一，而在人们的日常用水中，涉及水的用途非常多，现有技术却无法一体式解决。随着时代的发展，科技的进步，健康便捷的生活，优秀智能的家居，越来越成为人们追求的目标。此于此，本发明提出了一种基于NB-IoT技术的用水控制系统。

技术实现要素：

针对现有技术的上述现状，本发明以应用NB-IoT技术的通信模块为基础，构建一整个用水控制系统，并且其在传统的饮水机等基础上，加装上相应的传感器，针对饮用水等的质量作实时地监测与控制，以确保饮用水的质量，使用户能放心、安全地使用。

本发明优选方案的目的之一在于：针对其它生活用水，本发明通过添加智能手机控制与PC端控制等方式，实现了智能化的安全用水方式。

本发明优选方案的再一目的在于：将日常用水的水量、用水时间等等关键参数进行云端统计整理，智能分析控制用水习惯，更好地控制家庭用水，既节约了水资源，又减少了家庭开销，方便了生活，符合现代化生活的需求。

为达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种基于NB-IoT的用水控制系统，包括操作应用层、数据收集层、分析控制层；其中，操作应用层面向用水设备，于用水设备上安装传感器，传感器收集相应的参数，并通过NB-IoT传递至数据收集层；

数据收集层收集操作应用层传递而来的数据，并上传给分析控制层；

分析控制层对数据进行分析处理，并给出相应的操作处理。

优选的，用水设备包括饮水机、热水器、水龙头中的一种或多种。

优选的，饮水机上安装水质传感器，水质传感器用于探测包括PH值、ORP、荧光法溶解氧氧气浓度、电导、盐度、温度。

优选的，热水器上安装括温湿度传感器，温湿度传感器用于探测水温、压力、用量参数，并设有低水位、低水压报警功能。

优选的，水龙头上安装水量传感器。

优选的，数据收集层包括PC机、智能手机中的一种或多种。

优选的，分析控制层通过所述的PC机和/或智能手机来实现，通过PC机的控制软件或智能手机的APP对数据进行分析处理。

优选的，数据收集层还包括云服务器，所述的PC机或智能手机将数据同时上传至云服务器。

优选的，分析控制层还包括云服务器的云端数据统计功能，将所述云服务器收集的数据进行分析处理。

优选的，云端数据统计基于Python语言进行编写。

优选的，分析控制层包括自动下单、APP查询与控制功能操作中的一种或多种。

NB-IoT技术为服务于当下热门的M2M(机器终端到机器终端)协议的一种技术手段，具有窄频、低功耗、覆盖范围广、低时延、支持设备数量巨大等诸多明显的优点。本发明正是基于目前正在国内蓬勃发展的NB-IoT(窄带物联网)技术，提出的一种用水控制系统，其可以适用于家庭、宾馆、办公场所等。

本发明基于NB-IoT(窄带物联网)这一技术，以普通家庭、宾馆、办公场所等必备的饮水机、热水器、PC(个人电脑)、智能手机为基本组件，分别搭配相应的交互终端，实现日常用水的智能控制，从而能够实现节能、健康、便捷的用水目的。

附图说明

图1是本发明一种优选基于NB-IoT的用水控制系统功能框图。

图2是数据收集层与操作应用层之间的流程图。

图3是目前的NB-IoT技术的三种部署方式。

图4是操作应用层、数据收集层以及分析控制层间的流程框图。

图5是一统计得到的历年PH值的汇总例子。

具体实施方式

以下是本发明的优选实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

本发明实施例基于目前正在国内蓬勃发展的NB-IoT(窄带物联网)技术的家庭用水控制设计，以普通家庭必备的饮水机、热水器、PC(个人电脑)、智能手机等为基本组件，分别搭配特定的交互终端，以实现家庭用水的智能化控制，从而实现了节能、健康、便捷的用水控制，适应现代化生活的需求。

本发明中涉及的NB-IoT(窄带物联网)技术，是未来极速发展的物联网系统的一种实现技术，其在国内主要由华为公司进行主导，其主要特点是：低成本、低功耗、高连接设备数。随着智能生活的普及应用，万物互联是未来一种不能避免的发展趋势，不同种类、不同功能的机器之间的信息交互成为未来IT(信息技术)企业所关注与探索的目标。本文中提到的NB-IoT(窄带物联网)技术，正是能够较好地服务于此种需求，其能够在使用极低的功耗(使用AA电池供电)、极低的成本(初步估计通信模块成本会低于5美金)、极大的覆盖范围(比现有的网络增益20dB，覆盖面积理论增加100倍)的前提下，实现高寿命(5～10年)与高设备连接数(每个扇区最多都可支持十万个设备连接)；此外，本发明技术方案涉及的芯片，制造成本低，非常适用于大规模布网商用。

本发明以NB-IoT(窄带物联网)技术的通信模块为基础，构建一整个家庭用水控制模型，主要实现的方式包括：在传统的饮水机等的基础上，加装上不同的传感器，针对饮用水的质量做实时的监测和控制，保证饮用水的放心和安全；另外，针对生活用水，添加智能手机控制与PC端控制等，实现了安全智能的用水方式；最后，将日常用水的水量，用水时间等等关键参数进行云端统计整理，智能分析控制用水习惯，更好地控制家庭用水，既节约了水资源，又减少了家庭开销，方便了生活。

本发明基于NB-IoT(窄带物联网)的用水控制系统主要可以分为三层结构：操作应用层、数据收集层、分析控制层，其各功能模块框图如图1所示。

其中，操作应用层主要为面向用户日常接触到的饮水机、热水器、水龙头等常用用水装置或设备，还可以包括其他用水设备，其主要用过内置各传感器与带有NB-IoT技术的终端设备，进行包括温度、用量、余量、时间等参数的探测和收集，以及进行水源的分配与管理。

数据收集层主要依靠家庭用PC(个人电脑)、手持智能手机、云端服务器等，对上一层的进行温度、用量、时间、余量等各相关数据的收集整理，并进行上传。

分析控制层主要包括PC端用智能控制软件、手机端用APP、云端数据统计等部分，对上一层上报的数据进行分析处理，进而给出正确的操作处理。

下面对本发明的优选实施例作详细说明，包括对本发明所涉的三层框架以及三层构架之间的相互协同关系予以更为详细的描述。

本实施例设计的基于NB-IoT(窄带物联网)技术的用水控制系统主要可以分为三层构架：分别是操作应用层、数据收集层、分析控制层，此三层构架之间的信息可以交互，彼此影响，以形成一个完整的控制系统，以解决现有技术零散控制存在的问题。

本实施例基于NB-IoT(窄带物联网)技术的用水控制系统可通过智能手机端的APP(安卓系统程序)或PC机上的客户端等进行对应的控制，不同的层级之间侧重的主要技术不同，下面对不同的层级所涉及的技术内容进行说明。

第一层：操作应用层

该层主要由饮水机、热水器、水龙头以及其他用水装置(如洗衣机用水设备、座便器用水设备)等多种用水设备组成，不同的用水设备上加装上不同的传感器，各传感器用于探测不同的参数。各设备上的传感器收集各项参数，收集起来的参数都传递到第二层即数据收集层。

其中，在该层构架中，饮水机是日常家庭生活、工作场所中使用非常广泛的用水设备，人们每天都需要喝水，水质的优劣直接影响人们的身体健康状况，因此，饮水机及其相关设备是本发明中最重要的用水设备。在本实施例中，饮水机上主要安装的传感器包括水质传感器，该水质传感器用于探测包括PH值、ORP(氧化还原电位)、荧光法溶解氧氧气浓度、电导、盐度、温度等等多个参数，用户可以通过第三层的客户端进行详细参数查询，以判断饮用水的水质状况，若水质出现了问题，那么用户可以很及时了解到相关情况，以便进行相关的操作来提高水质的质量，符合安全饮用水的要求。

饮水机上的传感器通过NB-IoT(窄带物联网)与第二层即数据收集层的PC机或智能手机进行通信，其将收集到的各项数据传递至数据收集层的PC机或智能手机。

在该操作应用层的构架中，热水器也是日常生活中使用广泛的用水设备，热水器上主要安装的传感器包括温湿度传感器，温湿度传感器用于探测水温、压力、用量等参数，并且设置有低水位、低水压报警功能，保证实际用水安全。

在一般状态下，饮水机直接与水源连通。由于热水器中的水一般不符合饮用水的标准，而为了使用的便携性，在本实施例中，热水器中的水通过过滤装置后，可以直接通入饮水机中，供人们饮用。该过滤装置需达到饮用水过滤的标准要求。

热水器上的传感器通过NB-IoT窄带物联网与第二层即数据收集层的PC机或智能手机进行通信，其将收集到的各项数据传递至数据收集层的PC机或智能手机。

在该操作应用层的构架中，还涉及水龙头结构，水龙头的应用比饮水机、热水器等用水设备的就去更为广泛，因此，对其进行智能化控制具有非常积极的意义。在本实施例的结构中，水龙头上主要安装的传感器包括水量传感器，此外，其与供水源端的之间还安装有过滤装置，供水源端进入的水不一定能符合日常用水标准，通过相应的过滤装置的过滤作用后，使其达到相应的用水标准，该用水标准根据不同的用水要求而定。而其中涉及的水量传感器主要监测水压和水位，对于供水的异常情况(长时间处于打开状态、水压急剧下降或升高等)优先发出报警，并且做出切断水源的处理，极大地提高了用水的安全可靠性。

在一般状态下，热水器直接与水源连通。在本实施例中，水龙头与热水器之间可以通过水管连通，以将水龙头中的水通往热水器中使用。

水龙头上的传感器可以通过NB-IoT窄带物联网与第二层即数据收集层的PC机或智能手机进行通信，其将收集到的各项数据传递至数据收集层的PC机或智能手机，也可以与热水器中的传感器一起通过NB-IoT窄带物联网将收集到的数据传递至第二层即数据收集层的PC机或智能手机。

本实施例的操作应用层还涉及了其他用水设备，例如洗衣机、座便器等设备，此类用水设备也是应用广泛而且非常重要的用水设备，有必要对其进行智能化控制。

其他用水设备一般状态下，其与水源直接连通。当然，其也可以通过水管与上述的水龙头相通。在此类用水设备上也安装有传感器，主要是水量传感器，其主要作用是监测水压、水位，对于水流的异常情况，如长时间处于打开状态、水压急剧下降或升高等，会发出警报，并且做出关闭水阀的处理，极大地提高了此类设备用水的安全性。

其他用水设备上的传感器可以通过NB-IoT窄带物联网与第二层即数据收集层的PC机或智能手机进行通信，其将收集到的各项数据传递至数据收集层的PC机或智能手机；也可以与水龙头、热水器中的传感器一起通过NB-IoT窄带物联网将收集到的数据传递至第二层即数据收集层的PC机或智能手机。

第二层：数据收集层

本层主要涉及到的技术为NB-IoT窄带物联网技术，该技术是一种3GPP(第三代合作伙伴计划)标准定义的LPWA(低功耗广域网)解决方案，旨在克服物联网主流蜂窝标准设置中功耗高和距离限制、采用授权频谱的技术之一。

随着社会的进步，IoT(物联网)时代逐渐到来，“万物互联”的未来发展方向，对于技术的革新提出了更高的要求。IoT(物联网)将有数百亿物体接入网络，而以往通信网络是为人服务，比如，近距离无线接入技术和移动蜂窝网技术看重高速率带宽、允许频繁充电，而物联网中物与物的通信则不然，业务特性、连接需求、场景差异化较大，因而催生了LPWA(低功耗广域网)的兴起，以构建低带宽、低功耗且强覆盖的网络应对物联网时代的到来。其中，NB-IoT技术就主要针对上述应用场景发展起来。

NB-IoT终端的射频带宽设计为180kHz，上下保护带各10khz，共计200khz，即GSM(全球移动通信系统)的一个载波带宽。下行子载波间隔为15khz，采用OFDMA(正交频分多址接入)调试技术，速率最高支持250kbps；NB-IoT支持单音终端和多音终端，上行单音模式有3.75khz和15khz两种间隔，多音模式为15khz子载波间隔，采用SC-FDMA(单载波频分多址接入)调制技术，速率最高分别支持250kbps(对应15khz子载波间隔)和20kbps(对应3.75khz子载波间隔)。

如图3所示，目前的NB-IoT技术主要有三种部署方式：

1、独立模式：采用独立在运营商外的频段，适用于对GSM频带的重耕。

2、保护带模式：利用LTE系统边缘无用的边带进行部署。

3、带内模式：可利用LTE载波中间的任何资源块进行部署。

与传统的蓝牙或wifi(无线保真)技术相比，NB-IoT窄带物联网技术有以下几个显著的特点：

1、大连接数

在同一基站的情况下，NB-IoT窄带物联网可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数。举例来说，受限于带宽，运营商给家庭中每个路由器仅开放8-16个接入口，而一个家庭中往往有多部手机、笔记本、平板电脑，未来要想实现全屋智能、上百种传感设备需要联网就成了一个棘手的难题。而NB-IoT窄带物联网则足以轻松满足未来智慧家庭中大量设备联网需求。

2、广覆盖

NB-IoT比LTE(长期演进)提升20dB增益，其不仅可以满足农村之类地区的广覆盖需求，且对于厂区、地下车库、井盖这类对深度覆盖有要求的应用也同样适用。以井盖监测为例，现有GPRS的方式需要设置一根伸出的天线，可想而知，来往的车辆、行人等极易将其损坏，而NB-IoT只需要部署得当，就可以较好的解决这一难题。

3、超低功耗

低功耗特性是物联网应用一项重要指标，特别对于一些不能经常更换电池的设备和场合，例如，安置于高山荒野等偏远地区中的各类传感监测设备。由于NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用，因此，NB-IoT设备功耗可以做到非常小，设备续航时间可以从过去的几个月提升到几年，大幅提升了设备的续航时间，这对现实的应用具有极其重要的作用。

4、低成本

以中国移动为例，900MHZ里面有一个比较宽的频带，只需要清出来一部分2G的频段，就可以直接进行LTE和NB-IoT的同时部署。低速率、低功耗、低带宽同样给NB-IoT芯片以及模块带来低成本优势。

5、稳定可靠

NB-IoT直接部署于GSM/LTE网络，但不占用现有网络的语音和数据带宽，以保证传统业务和未来物联网业务可同时稳定、可靠的进行。除此之外，与wifi模式相比，NB-IoT的数据安全系数更高。

数据收集层主要包括家庭用PC机、个人用智能手机客户端以及云端服务器等，其主要功能为收集来自上一层即操作应用层的数据，主要包括PH值、ORP(氧化还原电位)、荧光法溶解氧氧气浓度、电导、盐度、温度、用水量、用水时间(包括用水时间点和用水时长)、目前水余量(针对热水器和饮水机)、水压等等参数。

本数据收集层与操作应用层之间的流程图详见图2：

水源将水流通入饮水机、热水器、水龙头以及其他用水设备，当然，在通入饮水机前，应先通过过滤装置。

各用水设备上安装的传感器(如饮水机上安装的水质传感器、热水器上安装的温湿度传感器、水龙头上安装的水量传感器、其他用水设备上安装相应的传感器)取得相应的数据，并对所有的数据进行总计整理，再通过NB-IoT网络传递到家用PC机或者用户智能手机端，从而用户可以在户外或者工作单位对家用的各参数进行便捷的查看。

随后，各传感器所收集的数据会进行判断，将各数据与预设的参数相比，判断其是否处于正常的范围，如果正常，则继续上传到第三层即分析控制层进行显示并控制；如果不正常，则进行切断水源等操作。

在本实施例中，所有的数据都会上传到云端服务器进行保存，进行个人、家庭、办公室的用水习惯的大数据统计分析，以便用户能够清楚地了解其用水习惯，更有效地控制用水，养成良好的用水习惯。

第三层：分析控制层

该层的硬件是第二层数据收集层中对应的硬件，其主要是第二层硬件的功能延伸即其功能通过第二层的硬件来实现，主要构成包括(第二层中的)电脑PC端的其它详细功能，如图1中提到的自动下单功能、智能手机端对应的APP查询与功能，以及云服务器端的大数据统计功能。

其中，在本实施例中，服务器端的大数据统计基于Python语言进行编写，Python语法简洁而清晰，具有丰富和强大的类库，其常被昵称为胶水语言，其能够把用其他语言制作的各种模块(尤其是C/C++)很简便地联系于一起。一种常见的应用情形是：使用Python快速生成程序的原型(有时甚至是程序的最终界面)，Python语言中有很多既有的数学模型，针对用户信息可以进行便捷的统计和查询。因此，针对生活或工作中出现的不良的用水习惯(忘记关闭水龙头、厕所冲水水量浪费大、饮用水存放时间过长已不适宜饮用等现象)进行统计分析，并且能够长期大量地分析水质水量对家庭或办公场所开销的影响，从而能够综合地评估家庭或办公场所用水情况是否健康以及合理。如图5所示为一例子，其是统计得到的历年PH值的汇总图样，通过该图可以清楚地了解水质中历年PH值的情况，以便更好地为后续用水提供参考。

操作应用层、数据收集层以及分析控制层间的流程框图如图4所示：

操作应用层通过相应的传感器收集用水量、用水时间、水余量、温度、PH值、ORP(氧化还原电位)、荧光法溶解氧氧气浓度、电导、盐度、温度、水压等参数，而后将各参数汇总，并传递至数据收集层。

数据收集层如PC端、智能手机端对各数据进行比对分析并判断其是否处于正常的范围之内，若不是，则返回操作应用层继续收集数据；若是，则传递至分析控制层进行分析及控制操作，并上传云端服务器进行统计分析。

分析控制层可以进行各种控制功能操作，如自动下单、APP查询等。

本发明以NB-IoT技术的通信模块为基础，构建一整个用水控制系统，并且在传统的用水设备如饮水机等的基础上，加装上不同的传感器，针对饮用水、其他用水的质量做实时的监测和控制，保证饮用水以及其他用水的安全使用。

本发明针对生活用水，添加智能手机控制、PC端控制等，实现了安全智能的用水方式，符合现代化生活的需求。

本发明还能将日常用水的水量、用水时间等等关键参数进行云端统计整理，智能分析控制用水习惯，更好地控制家庭用水，既节约了水资源，又减少了家庭开销，方便了生活，提高了生活质量。

本文中所描述的优选实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。