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無線感測器網路於自來水輸送管線監控之應用與研究
發布日期
2012年
發表位置
作者
黃榮堯、嚴崇一、張隆策

無線感測器網路於自來水輸送管線監控之應用與研究
 

國科會計畫編號:NSC96-2622-E-008-014-CC3

執行期限:96 年11 月1 日至97 年10 月31 日

執行機關:國立中央大學營建管理研究所

計畫主持人:黃榮堯

協同主持人:嚴崇一、張隆策
 

中文摘要

台灣由於自來水輸水管線已相當老舊,據統計每年約有超過25%之供水量漏掉,浪費了大量珍貴水資源,因此如何檢漏並降低漏水率實為當前刻不容緩之課題。小區計量為國內各自來水業務主管單位積極推動之檢漏模式,唯目前仍須倚賴頻繁人力進行定期抄表,且無法獲取時資料。本研究目的即在於探討無線感測器網路於自來水管線監控管理之應用,達到用水資料讀取自動化與即時化之目標。本研究以流量計為研究對象,共設計兩種流量計讀數無線傳輸之模式,第一種模式可簡化現行抄表作業流程,第二種模式除可節省抄表人力,並可將資料即時回傳。本研究並以一流量計為範例進行實證,驗證兩種模式之可行性,以及探討環境因素對無線傳輸之影響,並提出其未來應用之構想。

關鍵詞:無線感測器網路、自來水檢漏、小區計量

英文摘要

Most of the water supply pipelines are seriously aging in Taiwan. Leaks and ruptures become common problems. According to research surveys, 25% of total supplied water in the Taipei area was leaked and wasted. It becomes the most critical issue for the water authority to monitor and repair this underground infrastructure to decrease the percentage of leaking ratio. Among others, District Metering Area (DMA) is the most recommended method utilized for leakage detection. Nevertheless, the current implementation of DMA in Taiwan still relies heavily in laboring for periodical water meter reading. They are labor intensive and the received data is not real-time. This research attempts to automate the process of water meter reading employing the Wireless Sensor Network (WSN) technology. Two WSN models were developed.

The first model employed WSN to receive data from data logger to the field engineer’s computer. It can simplify the current water-meter reading routines to cut down the process time. The second model employed GPRS and can automatically transmit meter reading directly to remote server and require no labor involved. The acquired data is real-time and more useful for decision-making. The preliminary results of a simple case study show the feasibility of the two developed models. Environment parameters affecting the performance of the two models were tested and results reported. In addition, ideas for the application of the developed WSN models for future waster supply pipeline monitoring and management are suggested.

Key words: Wireless Sensor Network (WSN), Water, Leaking, District Metering Area (DMA)

研究計畫內容

1. 緒論

1.1 背景

根據聯合國資料顯示,20 世紀全球人口成長2 倍,用水量卻增長6 倍,全世界目前有40%人口面臨嚴重水資源短缺困境,顯見水資源已成為未來人類必須以更嚴肅態度面對的課題。而臺灣地狹人稠,島中央又有陡峭的中央山脈縱貫南北,因此河川短促,每逢降雨即奔流入海,難以蓄積水量,可供利用水量僅佔總降雨量15%,加以人口密度高,平均每人每年可分配之水資源僅約4,000 噸,為世界平均值34,000 噸的12﹪,因此水資源相對貧乏。另外,依國際人口行動組織(PAI)統計,臺灣地區每人每年可分配之湖泊及河川水流等可再生淡水量僅856 噸,為全球排名第18 位的缺水國家,因此水資源如何有效利用成為亟待解決課題。以台北市地區供水為例,台北市自來水事業處(北水處)供水面積434 平方公里,肩負大臺北地區385 餘萬人飲用水責任。依照北水處之統計資料,民國95年配水量9 億5,824 萬餘立方公尺,售水量6 億748 萬餘立方公尺,扣除其它無收費之用水量(如消防用水),每年有約25%之用水量為漏水,浪費大量之珍貴水資源。而全國其他地區之漏水情形亦十分嚴重,台灣地區歷年來無費用水的比率皆高居30%以上,約為日本的3.5 倍,估計一年所漏掉的水量約8 億公噸,約為二座翡翠水庫的蓄水量!因此,如何建立完整之監控系統且能分析出漏水嚴重之區域並優先予以汰換管線,實為當前各自來水營運單位在漏水管控議題上面臨最大之挑戰。

1.2 研究動機

針對降低漏水率之問題,最有效之作法莫過於汰換老舊之破損管線、加強漏水檢測、並建立完整之監控系統。北水處已規劃20 年之長期計劃,預估每年投入10 億元經費改善現有輸水網路,並預定於民國114 年將漏水率降低至10%(參考圖1)。由於現有管線多十分老舊,安裝之年代久遠,且缺乏完整之營運維護資料,因此,如何建立完整之監控系統且能分析出漏水嚴重之區域並優先予以汰換管線,實為當前各自來水營運單位在漏水管控議題上面臨最大之挑戰。

1 台北市自來水事業處20年計畫目標與預估成效圖【14

小區計量為目前實務上評估漏水率最有效之方法,各自來水業務主管單位均積極推動小區劃分與管理用流量計之佈建。然而現階段之流量計,仍需運用大量人力進行抄表作業,且無法取得即時資訊,因此仍有很大之改善空間。此外,無線感測器網路(Wireless Sensor Network,WSN)技術於近年來逐漸成熟,其自動無線傳輸與即時性恰可彌補現有流量計之缺點,如能應用WSN 技術改善流量計之即時性與自動讀表功能,將可大幅提升小區計量在漏水之監控作用。相同模式並可推展至供水與水質管控,進而整合成完整之水資源監控系統。

1.3 研究目標

有鑑於此,本研究之目的將著重於以下各點:

1. 透過產學合作,設計開發出WSN 技術於流量計無線傳輸之模式與雛型系統。

2. 探討WSN 技術於自來水管線管理之適用性與優缺點。

3. 提出應用WSN 於自來水管線監控之完整系統構想與規劃。

1.4 研究範疇

由於預算上之限制,本計畫並無充足經費購買相關儀器設備與進行多項實驗,因此只能選定流量計作為研究之對象,並以單一流量計之無線化為範例進行實作驗證。實作地點經台北市自來水事業處協助於該處內一窨井進行,實測流量計則為國內廠商弓銓公司製造之速度型豎軸奧多曼式水量計,開發設計之軟體與韌體將只適用於該廠商之水錶。

2. 文獻回顧

2.1 無線感測器網路

傳統的監控系統都是在需要監控的位置裝設感測器(Sensor),並透過佈線方式將感測器蒐集到的資訊回傳至控制中心進行控制決策。近年來由於微型製造的技術、通訊技術及電池技術的改進,促使微小的感測器可具有感應、無線通訊及處理資訊的能力。此類感測器不但能夠感應及偵測環境的目標物及改變,將資料以無線傳輸的方式送回控制中心,甚至可即時運算處理收集到的數據,自行決策並做出即時的控制反應。以下將簡介無線感測器網路的架構原理,並回顧其在公共工程之應用現況。

2.1.1 無線感測器網路架構[12,13]

圖2為一無線感測器網路的基本架構示意圖,主要由一群無線感測器節點(Sensor Node)、資料閘道(Gateway/Sink)、網路、與遠端主機等四個部分所組成。感測器節點通常可密集部署在目標監控區域裡面,所有節點可遵循IEEE 802.15.4通訊協定標準,自行建立起一個Ad-Hoc網路。每一節點透過其內建或外接之感測器蒐集目標物或環境之狀態變化,然後以無線電波方式在Ad-Hoc網路上傳播。所有Ad-Hoc感測器網路上之資訊最後都將匯流至Gateway,然後Gateway再以任何有線或無線之通訊方式,如GPRS、Wifi、WiMax、微波、或ADSL等模式將資料傳送回遠端之控制主機。控制主機再將資料儲存、分析、並做出決策,甚至可將控制訊號反向送回Gateway,再回傳至各感測器節點。

2 無線感測器網路基本架構示意圖

無線感測器節點本身由4 種不同的元件所組成,如圖3 所示,分別為感測單元、處理單元、電力供應單元以及傳輸單元,分別說明如后。

3 無線感測器節點硬體架構圖

感測單元(Sensing Unit

感測單元分為兩個部份:感測元件(Sensor)和訊號轉換元件ADC(Analog-to-Digital)。感測單元可透過內建感測元件或外接儀器去感測四周環境的資料;訊號轉換元件ADC負責將感測元件所感測到的類比訊號經過取樣,轉換成數位訊號送到處理單元加以處理。實務設計上,可根據應用的不同設計多個相輔的感測器架構,例如在火災感測上面,可以同時設計溫度感測、煙霧感測以及燈光感測等感測元件,這樣可以讓使用者增加對環境的了解與掌控。

處理單元(Processing Unit

處理單元可分成處理元件(Processor)和儲存元件(Storage)兩部份。處理元件的功能類似電腦之中央處理器(CPU),負責執行使用者內嵌於處理元件的程式碼,並且去分配和控制在感測器之間不同的元件,同時也可透過傳輸單元接收遠端伺服器或是感測器所發送的訊號封包,解讀封包內容命令型態後,再據以對感測器不同的單位元件下達不同的控制命令。同理,也可以透過傳輸單元對遠端下達自身要求的命令。儲存元件的功能就像是一般個人電腦中硬碟等儲存裝置,主要是儲存經過ADC轉換過後的資料,以及儲存在處理元件中一些需要暫時保留的資料。

傳輸單元(Transceiver Unit

傳輸單元是感測器間互相通訊的橋樑,主要負責將處理單元需要的收發資料透過介質來進行傳送或接收。而要使用哪一種介質傳輸則依照使用者的應用與環境去做選擇,常見的介質有紅外線(Infrared)、無線電波(Radio)以及光纖介質(OpticalMedia)等。

電力供應單元(Power Unit

電力供應單元為負責供應感測器所需電源之元件,若沒有電力供應單元,則感測器將無法運作。通常無線感測器的電源是由電池所供應,所以每個感測器能維持的生命週期有限。所以在無線感測網路的應用中,感測器除了講求能夠長時間運作外,還要節省能量的消耗,而如何在長時間運作與電力消耗之間取得平衡,即為無線感測節點設計時的重要考量之一。

2.1.2 無線感測器網路的應用

無線感測器網路發展至今,已被廣泛討論或應用於許多領域。以下分五大類描述其應用與潛力:

軍事應用

WSN 的軍事應用十分廣泛,其中包含:

 在友軍的人員、裝備及軍火上加裝sensor 以供識別。

 將sensor 投擲於敵軍陣營中,在被敵軍破壞前,希望能完成偵察任務。

 當智慧型軍火的導引器。

 偵察及判定核子、生物和化學攻擊。

環境應用

WSN 也能在環境上大量應用,例如:

 將大量的感測器佈署於森林中,以對任何火災地點的判定提供最快的訊息。

 sensor network 能提供遭受化學污染的位置及檢定出何種化學污染,不需要人親自冒險進入受污染區。

 監測空氣污染、水污染及土壤污染等。

醫療照護應用

 將sensor network 佈署於房子內及人的身上,而達到遠距監測人體各項健康數據及人的各項行為。

 sensor 可放在病人或藥師身上,如此錯誤的藥物處方或是病人拿錯藥的機會可以降低。

智慧生活空間應用

 將含有起動器(actuator)的sensor network 佈署於家中,可以讓人們在遠方或在家裡經由網際網路作許多家事。

其他商業應用

無線感測器網路也有許多商業上的應用,例如:

 工廠自動化的生產線上的品管控制,利用sensor 去偵測不良品。

 傳統辦公室的空調系統是中央控制,因此有些地方可能很冷,有些地方卻很熱。使用sensor network,各個角落的sensor 可以知道當時的環境狀況,進而要求控制當時的氣溫或空氣流動。

2.2 自來水漏水防治相關方法[7,8]

傳統自來水管線防治漏水之方法大致可區分成以下數種:

1. 壓力控制法:係透過用壓力控制的方式來主動減少因管線系統水壓過高所造成滲漏或爆管之漏水情形。

2. 被動修漏法:此法係指不主動檢測漏水量或是查詢漏水地點,而僅被動等待有接到漏水顯現於地面之報告,或是用戶之申訴、水壓不足、用水設備問題時才前往修漏。

3. 定期聽音法:指派檢漏人員分組有系統的沿著路線中所有之止水栓、制水閥及其他管件檢聽漏水雜音之特性,而找出漏水的位置。

近年來國內各自來水主管單位在參考國外先進國家如日本與新加坡在漏水防治之實務做法後,積極推動小區計量(District Metering Area, DMA),作為現階段測漏改善與未來監控管理之主要管理方式。小區計量概念是以區域所屬的淨水廠/配水池/加壓站為基礎,在水公司提供的圖資上切割若干個獨立的概要供水區塊,每個概要區塊再細分為較小規模的地形區塊。區塊切割原則是以用戶1000~3000戶或配水管長度10-20公里為一區塊,其主要目的在於針對該小區進行售水率之調查。所謂售水率是指該小區內所有用戶用水讀表總數除以該區配水表數值,即該小區用水量與進水量之比值。售水率越低之小區,應優先進行管線修漏或汰換之改善工作,可搭配聽音或其他儀器找出漏水嚴重之管線,或是將該區劃分成更小之次區域,再進行售水率之調查分析。

小區計量之檢測方式可區分成小區檢漏與分區計量兩種模式。兩種模式之說明與比較請參考表1。

1 小區檢漏與分區計量之比較

資料來源:弓銓股份有限公司

2.3 無線感測器網路於公共建設監控之應用

雖然無線感測器網路在許多領域已有許多成功案例,包括在智慧型建築與節能之應用也漸受重視,然而在公共工程或民生基礎建設(Civil Infrastructure)上之應用仍屬於起步階段。目前國內相關研究主要著重於土石流與邊坡滑動之監控,洪清江[9]建立一套以無線感測器網路為基礎之坡地降雨及地下水位監測系統,用以即時監控危險山坡地之降雨量及地下水位,避免災害之產生。張晉豪[11]則應用WSN 與GSM 建立一套簡單、有效且即時的邊坡警示通報監測系統。識方科技與中興工程顧問公司也曾應用WSN 於某水力發電廠邊坡滑動監控之實際案例上。此外WSN 也有應用於橋梁與隧道安全監控之相關研究,李明儒[6]提出應用WSN 於長隧道防救災之構想與架構;美國U.C. Berkeley 大學也以WSN 為基礎,發展Infrastructure Health Monitoring System[2],並以舊金山金門大橋為例建立雛型系統。至於將無線感測器網路技術應用於地下管線監控之相關研究在國內仍未見成果,在國外亦不多見。美國Purdue University 曾利用WSN 為印第安那州開發汙水下水道智慧型閥門(Smart Valve)控制系統,及時監控汙水下水道水位與流量,作為閥門開關決策之依據,以避免下大雨時,汙水溢流至河川之問題。另外,美國麻省理工學院也曾與Boston Water and Sewer Commission (BWSC)共同發展PIPENET 雛型系統[3,4],將自來水管線內之水壓、流量、與水質sensor 之量測值,以WSN 架構回傳至遠端辦公室之主機上。圖4 為PIPENET 的WSN 傳輸架構。

4 PIPENET WSN 傳輸架構

3. 雛形範例實作與探討

3.1 範例背景介紹

目前不論台北市自來水事業處或是台灣自來水公司均積極推動小區計量方式作為漏水防治之主要模式,而小區計量最重要的目的在於比較該封閉小區某段時間內總供水量與用水量的差別,藉以推估漏水量,因此水表讀數之取得為一關鍵作業。現階段在實務上,用水量的計算只能靠派人至小區內所有用戶家抄表後再加總計算。而供水量的部分則是在該小區唯一開放的供水管線上加裝管理用水表,以計算總供水量。

在多次訪談台北自來水事業處後瞭解到,小區計量在實務上需要持續性的耗費大量人力進行抄表,包括用戶表與進水量的管理用表。此外,有些管理用表所處位置之作業環境可能相當惡劣,例如位在交通繁忙的馬路上,進行資料下載作業時十分不便且有安全上的顧慮。而在用戶端的讀表上,自動讀表系統(AutoMeter Reading, AMR)的導入為未來之必然趨勢,然而由於目前仍無相關標準法規,且推動影響層面非常廣大,因此短期內難以推動,仍只能依靠人工抄表。

因此,本研究以導入無線感測網路的技術於小區計量管理用表之讀表作業做為實作之雛形範例,使流量計讀數能無線傳輸,以改善抄表員作業上不便。本研究並取得台北市自來水事業處授權同意於該處內一窨井進行實作,實測流量計為國內廠商弓銓公司製造之速度型豎軸奧多曼式水量計,圖5 為水量計實際照片。

5 速度型豎軸奧多曼式水量計

3.2 系統設計

為滿足現行水處作業模式及未來發展趨勢,本研究共設計兩種無線傳輸作業模式,分別為半自動傳輸及GPRS 無線傳輸。以下將分別說明各模式之系統架構與其優缺點探討。

3.2.1 半自動傳輸:

目前國內使用之流量計均具有資料記錄器(Data Logger),可將歷史讀數資料儲存於該紀錄器上。然而由於記憶容量大小限制,抄表作業員需定期至該流量計處下載資料,以避免資料流失。現行作業時,抄表人員需驅車至流量計所在地,從窨井內取出Data Logger,透過專有傳輸線與筆記型電腦聯結,再由下載程式將資料下載至電腦上。如果抄表位置位於交通繁忙之馬路上,作業將十分不便且有安全之顧慮。本研究設計半自動傳輸之作業模式,抄表作業員只需驅車至流量計附近安全位置,插上無線傳輸模組裝置,即可無線下載資料,可配合改善現行作業上遭遇之問題。

模組設計

本模式所使用之硬體與開發之對應軟/韌體說明如下:

硬體:

1. 流量計SAP 轉換器

2. Sensor Mote

3. 蓄電池

4. Base Mote

軟/韌體:

1. Sensor Mote 接收SAP 訊號並寫入其Flash Memory 之韌體

2. Sensor Mote 等待Base Mote 喚醒並傳送資料之韌體

3. Base Mote 喚醒Sensor Mote 並接受資料之韌體

4. 電腦驅動Base Mote 並儲存與顯示Base Mote 接收到資料之軟體

聯結模式說明如下:

1. 流量計每一分鐘讀取一筆資料,透過SAP 解碼後,傳送給Sensor Mote

2. Sensor Mote 接收SAP 傳來之訊號後被喚醒,將資料寫入Flash Memory 後回覆睡眠狀態

3. 當抄表人員至流量計附近時,將Base Mote 插入筆記型電腦USB port,由軟體驅動Base Mote,送出訊號喚醒Sensor Mote

4. Base Mote 與Sensor Mote 遵循IEEE 802.15.4 通訊協定建立網路

5. Sensor Mote 將資料透過網路傳遞至Base Mote再透過控制軟體記錄於電腦內以利後續顯示與分析。

圖6 為半自動傳輸模式之運作示意圖,圖7 為模組之實體圖,其中左圖為Mote,中圖為Sensor Mote 聯結SAP 轉換器並裝於保護殼之圖片,右圖則為與流量計連結後之照片。

6 半自動傳輸模式示意圖

7 模組實圖

實測成果與探討

本研究針對此模式進行以下之測試:

1. 將Sensor Mote 與流量計聯結持續讀取資料直至蓄電池電源耗盡,以測試耗電量與Sensor Mote 讀取資料與寫入Flash 之正確性。

2. 測試Base Mote 喚醒Sensor Mote 並接收資料之功能與正確性

3. 傳輸距離測試

測試結果探討如下:

1. 在電池耗盡前,總共連續讀取1028 筆資料(約17 小時又8 分鐘)

2. 在耗電量之探討上,本實驗使用之蓄電池僅能持續運行17 小時。主要原因在於本研究實驗必須借助水錶廠商所提供之SAP 轉換器來辨別水量計所發送出來的加密訊號,但該SAP 轉換器本身並非專為無線傳輸功用設計之省電裝置,本身耗電量相當大,正常使用都須外接固定電源。由於本研究試驗地點附近沒有固定電源,因此僅能透過蓄電池來維持其電力,因而造成無法持續長時間試驗之結果。本研究需加裝SAP 之原因在於水錶公司基於商業機密,無法提供解碼之數學模式,僅願意提供SAP 轉換器協助解碼。未來實際開發時應可省去SAP,以本次試驗使用之蓄電池,應可維持Sensor Mote持續運作6 個月以上之時間

3. 影響Mote 有效傳輸距離之最主要因素為Mote 天線位置。經實驗結果顯示密閉無透孔之鑄鐵窨井蓋將完全阻隔Mote 之無線訊號;如果窨井蓋上有開孔,當Mote 埋設於窨井蓋下方約40cm 處,則地面上有效接收訊號距離約為2.5 公尺;若將Mote 天線拉出直接貼附於窨井蓋開孔處,則有效傳輸距離在無障礙物遮蔽下可達35 公尺;如將天線完全拉出地面,則傳輸距離可遠達50 公尺以上。

4. Sensor Mote 天線若垂直Base Mote 為最佳通訊模式,如非垂直,有效距離將減低,在本實驗中可降低10 公尺以上。

3.2.2 GPRS 無線傳輸:

上述半自動傳輸模式雖可簡化抄表人員現場作業流程並提高安全性,然而抄表人員仍須定期至流量計所在位置進行無線下載,仍無法有效節省人力成本,且無法獲得即時之資訊。為進一步解決以上兩個限制,本研究設計GPRS 無線傳輸模式做為解決方案。本模式為自動傳輸方式,故不需要抄表員外抄就可以即時下載該流量計之資料。

模組設計

本模式所使用之硬體與開發之對應軟/韌體說明如下:

硬體:

1. 流量計SAP 轉換器

2. Sensor Mote

3. 蓄電池

4. Gateway Mote

5. GPRS 訊號發射模組(含開通GPRS service 之手機SIM 卡)

6. 固定IP 之Server PC

軟/韌體:

1. Sensor Mote 接收SAP 訊號並傳輸至Gateway 之韌體

2. Gateway Mote 接收資料並轉送至GPRS 發射模組之韌體

3. 控制GPRS 訊號發射頻率之韌體

4. 電腦端接收、儲存、與分析資料之軟體

聯結模式說明如下:

1. 流量計每一分鐘讀取一筆資料,透過SAP 解碼後,將資料傳送給Sensor Mote

2. Sensor Mote 接收SAP 傳來之訊號後被喚醒,將資料以RF 傳播出去後回覆睡眠狀態

3. 將Gateway 裝設於流量計附近空曠處,Gateway Mote 接受到Sensor Mote 傳出來之訊號後,將資料轉送至連接之GPRS 發射模組

4. GPRS 發射模組將資料透過GPRS service 傳回該公司預設之訊號接收主機。

5. 該公司之接收主機再透過Internet 將資料轉送至有固定IP 之電腦上

圖8 為GPRS 傳輸模式之示意圖,圖9 為GPRS 發射模組,圖10 為模組實際佈建之照片,其中左下角為聯結流量計之Mote 之保護盒,右下圖則為Gateway與GPRS 發射模組之保護盒。

8 GPRS 無線傳輸模式示意圖

9 GPRS 訊號發射模組與Gateway Mote

10 實際傳輸情形

實測成果與探討

本模式實驗並未將Sensor Mote 之天線拉出地面,第一次試驗時由於將Gateway 放置離流量計較遠之處,導致資料傳輸不穩定,因此於第二次試驗時將Gateway 模組放置於離窨井蓋約2 公尺處之地面上,以確保Gateway 與SensorMote 間之無線傳輸能保持穩定。實驗仍設計一分鐘接收一筆水表流量資料並立即傳送回遠端主機,直到電池耗盡為止。

實驗結果探討如下:

1. 此次實驗共運作約27 小時,接收到流量比數為1609 筆。經比對後發現有0.7%之資料流失率,流失主要發生在Sensor Mote 與Gateway 間之傳輸。Gateway 透過GPRS 傳送之訊號則十分穩定,未發現流失現象。整個傳輸過程之可靠性應用於非critical 的流量計讀數傳輸上應可接受。

2. 圖11 顯示遠端電腦Server 軟體上呈現之連線狀態畫面,圖12 為流量接收視窗之畫面。整個傳輸時程從流量計送出讀數至電腦端接受到資料在數秒內可完成,可達到即時監控之要求。

11 Server 連線狀態

12 流量接收視窗

3.2.3 傳輸模式比較

以下針對兩種模式在成本、人力、工作效力、與資料傳輸可靠性進行比較說明。表2 為比較表。

2 兩傳輸模式之比較

成本

GPRS 傳輸方式在硬體上成本較半自動傳輸高,兩者差異在於GPRS 傳輸多了GPRS 發射模組以及其耗用之電池(假設無法接固定電源)。另外GPRS 傳輸的封包費用,以中華電信資費為例,在小於50 萬封包,1 封包0.005 元,如流量計讀數每筆資料以1 封包傳輸計算,每個月一個水表之傳輸費(以一分鐘一筆為例)約為60*24*30*0.005=216 元,相較下影響不大。

人力、工作效率

半自動傳輸模式仍跟現況作業方式一樣,必須指派及分配抄表人員外出到該地點下載該管線流量,主要差異在於簡化作業流程、縮短工作時間、且降低工作危險性。而GPRS 傳輸模式則完全省去抄表之人力及人員至現場所需之交通費用,僅需每半年左右更換Sensor Mote 的電池,因此可大量減少工作人力與其機會成本,並提升其工作效率。

資料傳輸可靠度

半自動傳輸模式只要下載者能靠近到一定距離內,且無障礙物阻隔,即可穩定傳輸資料,可靠度十分高。而GPRS 無線傳輸模式,除了Mote 與Gateway 間之傳輸外,尚有Gateway 到接收主機與主機到PC server 兩段傳輸,增加了資料遺失之機會,因此可靠度較半自動傳輸模式為低,但由實驗結果可知其可靠度仍可接受。

3.3 環境因子探討

由於無線感測器網路採用的是低功率的無線電波傳輸資料,因此很容易受到現場環境之影響。本節將探討WSN 在自來水管線管理上可能遭遇之環境影響因子及解決對策。

3.3.1

由於臺灣氣候多雨,且流量計埋於地下容易積水,因此Sensor Mote 必須做好相當良好的防水裝置避免內容物浸水而導致儀器故障,本研究因經費的關係尚未採用良好的外殼或訂製優良的防水外殼,僅購買市面上一般材料行的外盒做為本研究之外殼,故未達完全不浸水之設計,未來必須做完整的防水設計。

由於水會阻隔RF 訊號之傳遞,因此如果Sensor Mote 因積水而泡於水中時,即時保護外殼有防水功能,也會因浸於水中而遭阻隔。解決方法為將天線拉出至地面,並以防水設施如壓克力保護。

另外,下大雨時也會對Mote 間之RF 傳遞造成影響,進而降低其有效傳輸距離。因此在選定Gateway 位置時,需將此天候因素考慮在內,以避免下雨即斷訊之窘境。

3.3.2 金屬人孔蓋

由於本實驗之Sensor Mote 皆位於地下管線人孔或窨井中,而現今使用之人孔蓋多以厚達數公分之鑄鐵製成,經實驗發現其將完全阻隔RF 訊號之傳送。但倘若能將天線拉出至地面,則其傳輸距離可到達35 公尺。因此要解決人孔蓋或是其他金屬物造成之阻隔,最有效直接之方法即是將天線拉至地面,並以類似貓眼等硬質抗壓塑膠材料保護,以避免天線因人車輾過而受損。

此外,國外也有研究專利將圓形之人孔蓋轉成RF 發射與接收之天線,化阻力為助力。此為徹底解決此一問題之有效方法,可於後續研究中投入開發國內之相關專利技術。

4. 無線感測器網路於自來水管線監控之應用探討

提升售水率與確保供水品質為目前國內各自來水業務單位面臨最重要之工作,任何缺失均可能造成社會付出重大之成本。因此本章將以此兩項工作重點探討WSN 之可能應用。

4.1 提升售水率與自動讀表

小區計量乃是國內用於提升售水率最主要之方法,其作法乃將供水範圍劃分成許多可獨立計量之小型管網,借由監控總進水量與總用水量來求得可能之漏水率、並以此作為區內管線檢漏、修漏、汰換及水壓管理等作業之基礎。現階段總進水量與用水量之計算仍以人工抄錶方式進行分析,因此無法進行即時之監控與管理。

水錶自動讀表為未來發展之趨勢,假設每一管理中心轄下之供水管線均已劃分成小區進行管理,且都架設有自動讀表之流量計並搭配有壓力計與震動偵測器,並將資料即時回傳至管制中心分析與留存,如有發生破管情形,可藉由異常之壓力或震動變化得知,並推估出可能之位置,利於維修員於第一時間搶救漏水的管線。雖然自動讀表也可透過網路或電話佈線回傳,但WSN 以其相對低成本、快速大量佈建、及機動性高之特性仍將於自動讀表實務上扮演重要角色。

4.2 穩定供水與水質監控之應用

為確保飲用水品質,目前自來水事業處已設置水質電腦監視系統,對各淨水場原水、淨水處理流程、清水及供水區代表點,作24 小時連續偵測,藉由該系統監測預警及診斷功能之充分發揮,確保水質時時穩定安全。現今家庭用水都是由淨水場確認水質安全無慮之後再經由加壓站透過輸配水管網及給水管輸送至各家庭,倘若在輸送的過程中因輸配水管網老舊及腐蝕,而遭受到污染水質的安全進而影響到用戶端飲用水,如此一來在淨水場過濾水質之作業都將化為烏有,因此可在各供水轄區用戶處導入無線感測器網路的技術,作水質即時監控的應用。

假設各供水轄區用戶處都設有無線感測器,如監控含氯量的sensor 或是針對水的HP 值作即時的監控,如此一來將自來水處監控中心將可即時得知該供水轄區水質的狀況,且該轄區水質若遭受到汙染也可以在第一時間得到訊息,並立即派遣專業的維修人員到現場了解狀況並作危急處理,以確保水源輸送至用戶端的水質安全無慮,進而讓用戶端感到安心,也可提升自來水處的形象。

5. 結論與建議

5.1 結論

本研究期望將無線感測器網路導入自來水管線監控管理之應用,經深入瞭解國內現行積極推動之小區計量檢漏方法與未來自動讀表之發展趨勢,選定以小區計量中小區進水量監控管理之流量計為研究對象,設計兩種流量計讀數無線傳輸模式,並以實作雛型系統證明兩種模式之可行性。本研究所設計之半自動傳輸模式可改善現行抄表人員作業之效率及安全性,GPRS 無線傳輸模式則可完全免除抄表人力並可作為未來自動讀表為基礎之監控系統之設計雛型。

本研究同時探討WSN 技術應用於自來水管線監控時可能遭遇之問題與對策,同時也探討勾勒出未來以WSN 技術之自動讀表為基礎之自來水管線監控系統構想。

5.2 建議

為促使本研究兩種模式更完善且可實際應用於實務上,以下提出幾點建議:

1. 本研究所設計之實驗均必須透過水錶廠商之SAP 轉換器才可解碼流量計送出來之訊號,倘若可與該水錶廠商取得合作協議將解碼方式直接內嵌於Sensor Mote,則可克服本研究因SAP 造成電力無法持久之問題,甚至也可與水錶廠商直接合作開發具WSN 無線傳輸能力之水錶介面。

2. 地下管線中人孔中遭遇積水之問題十分普遍,因此後續應加強研發Mote 之防水能力及遭遇積水時仍能將訊號傳出之各種解決方案,方可提高其實用性。

3. Mote RF 訊號遭人孔蓋阻隔之問題為任何無線傳輸模式都會遭遇之問題。本研究雖有提出解決方案,但仍非最佳解決方法。後續研究可針對此問題深入探討其他更佳之解決方案。

4. 無線感測器網路不僅可應用於自來水管線之監控,亦可應用於雨汙水、瓦斯、電力等其他地下管線之管理與監控。

參考文獻

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2. S. Kim, S. Pakzad, etc., “Health Monitoring of Civil Infrastructures Using Wireless Sensor Networks”, IPSN’07, April 25-27, 2007, Cambridge,Massachusetts, USA.

3. I. Stoianov, L. Nachman, S. Madden, “PIPENET: A Wireless Sensor Network for Pipeline Monitoring”, IPSN’07, April 25-27, 2007, Cambridge, Massachusetts,USA.

4. I. Stoianov, C. Maksimovic, N. Graham, “Designing a Continuous Monitoring System for Transimission Pipelines”, Proceedings CCWI 2003 Advances in Water SupplyManagement Conference, London, 2003.

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13. 國立成功大學,NCKU CSIE Advanced Data System Laboratory 網站,無線感測器網路介紹,http://imus.csie.ncku.edu.tw/imus/sensor/sensor_research.html

14. 台北市自來水事業處95 年度下半年度議會工作報告

計畫成果自評

研究內容與原計畫相符程度

本計畫之研究目標與精神基本上與原計畫書相仿,但在研究內容與範疇上因為經費與時間限制,無法依原計畫書提出之構想建立包含流量、水質、壓力等多種sensor 之無線感測網路雛型系統,僅能就單一流量計之無線化進行設計與實作。因此在實作範例之範疇上較原計畫為小,但仍依原計畫完成文獻資料蒐集與分析探討無線感測器於自來水輸送管線監控之可能應用與環境因子對可行性之影響。

是否達成預期目標

本研究雖因預算限制未能真正實作原先規劃之雛型系統,但仍以流量計為例設計兩組無線傳輸模式,並經實驗驗證具可行性;此外也探討了WSN 技術於地下環境之適用性與解決方案;並提出應用WSN 於自來水管線監控之系統構想與規劃。因此本研究已達成預期目標。

研究成果之學術或應用價值

本研究應用之方法為小區計量與WSN 技術之結合,兩者均為發展成熟之應用技術,因此本研究在技術創新上之價值較低,但在實務上因本研究設計之兩種水錶無線傳輸模式皆可實際應用於真實案例中,並協助改善現有作業模式,因此具有極高之應用價值。

是否適合在學術期刊發表或申請專利

本計畫應用WSN 技術開發水錶讀取無線傳輸模式,有具體的研究成果,未來擬發表於相關學術期刊及研討會。至於在申請專利上,現階段之研究成果恐仍不足以申請專利,但如能取得與水錶廠商進一步合作之機會,則有機會開發出具專利之技術與產品。

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