利用IIoT進行智慧水資源管理
作者 : John Koon，EE Times Europe特約作者
使用IIoT系統監測用水或水質，需要借助大量感測器來覆蓋所需監測的區域。透過感測器和IIoT系統將能夠提供智慧水監測、漏水檢測、智慧計量、智慧配水、洪水監測、農業智慧用水和水質改善...
地球表面雖然有70%以上被水覆蓋，但97.2%的水都是鹹水。而在2.8%的淡水中，大部份都被凍結成極地冰，總共只有不到1%的水是地下水或地表淡水。在所有的淡水中，只有1%可以飲用。換句話說，地球上只有0.01%的水是可飲用水。
根據世界衛生組織(WHO)的資料，全世界有8.84億人無法獲得飲用水。此外，全世界三分之一的人面臨用水壓力或需要爭奪有限的水量。氣候變化將使這些問題加劇，乾旱和洪水更使得水資源分配不均衡。我們需要有效的水資源管理，經由減少浪費和更有效率地回收廢水來節約用水。此外，防洪減災以保護脆弱的城市和基礎設施也是如此。
另一方面，農業灌溉佔所有淡水量的48%。而在其餘的52%中，能源生產佔22%，工業應用佔6%，而諸如廁沖水、清潔和淋浴等住宅建築物中的活動則佔24%。這些不同領域都存在類似的問題，如漏水和/或用水效率低等。水質差也是一個問題。
那麼，我們可以做些什麼來解決這些問題？工業物聯網(industrial internet of things；IIoT)有助於提供一些可能的解決方案。
更智慧的監控
水循環包含許多階段(圖1)。這些階段又包括需要用水的建築物和家庭。循環中的其他階段則有水壩、湖泊和地下水等再生水源；水生植物、水塔；以及污水處理廠等。所有的階段都可以透過能夠監測用水或水質的IIoT偵測器而實現智慧化。
圖1：智慧水資源管理包括再生資源、水廠、沖水網路、水質偵測器、水塔和建築物等許多階段。（圖片來源:Birdz）
更智慧的漏水檢測、計量與配水
令人驚訝的是，對於屋主來說，水災損害比火災或盜竊造成的風險更大得多。漏水會造成水的浪費。更重要的是，漏水可能會損壞房屋的地板、牆壁和天花板，而且需要昂貴的維修費用。漏水在歐盟(EU)許多國家的大型建築物中也很常見。
在IIoT系統中，可以將濕度感測器安裝在建築物周圍來偵測漏水。感測器會收集資料，並將其發送回雲端進行分析。一旦分析發現異常，發送到智慧閥門的指令將會自動關閉水開關，盡可能地減少漏水。
智慧計量可以透過遠端編程的自動「開啟」或「關閉」指令來限制用水，均衡水的分配並且防止無節制的用水。智慧計量還可以防止不受控和意外的漏水發展成為洪水。
愛爾蘭公司Robeau利用智慧化水資源管理，至今已協助歐盟的機場、餐館、製造廠、辦公室和商業中心節約了25%到40%的水資源。
洪水監控
由於氣候變遷使天氣變得更加極端，造成嚴重的乾旱和大洪水，許多城市正日益面臨洪水問題。在北美和世界上的其他地區，洪水成為一個真正令人擔憂的問題。與過去不同的是，洪水正成為一種全年度的大事件，它可能發生在冬季的暴風雪之後，也可能出現在其他季節的暴雨和颶風之後。儘管衛星成像和天氣預報技術持續進展，但早期發佈、準確的洪水預警以拯救生命和避免財產損失仍然是一項挑戰。
在IIoT監控系統中，搭載GPS標籤的水感測器或超音波深度感測器之分散式網路可以安裝在橋樑、河川、溪流和暴雨排水溝上。感測器可以從不同位置收集水位資料進行分析。一旦分析結果確定有必要發佈早期洪水預警，就可以將行動警報發送到可能受洪水影響的當地企業、急救人員、社區和政府。例如，在美國維州的Virginia Beach和Newport News等許多城市均已部署了洪水監測系統。
農業智慧用水
與任何其他工業或人類活動相較，農業消耗的淡水量更多。由於缺乏監督和即時管理，大量的灌溉用水被浪費。
透過IIoT控制的智慧灌溉系統可以從安裝在農場周圍的感測器收集即時用水數據。根據感測器收集的數據，系統可以根據灌溉需求打開和關閉用水，從而防止濫用或未充份利用。此外，感測器還可以幫助檢測和處理水管洩漏，從而減少水的浪費。
此外，智慧感測器可以幫助農民追蹤溫度、降雨量、濕度和風況。有了感測器來幫忙確保所需的土壤濕度，農作物就能得到有效的灌溉。此外，水感測器還可以監測土壤中的其他變量，例如pH值，因為過高的土壤酸度會阻礙植物吸收養份。評估土壤鹽分也很重要，因為有些作物耐鹽，有些則否。最後，水的氧化還原電位(ORP)顯示其分解污染物的能力，因此追蹤ORP對監測水污染程度也很有用。
根據許多試驗專案顯示，農民可以透過IIoT節約大量的水。例如，法國IIoT解決方案供應商Kerlink正與荷蘭土壤濕度感測器製造商Sensoterra合作。Robeau也與蘇格蘭、愛爾蘭和法國的農場合作，以實現25%的節水。
水質
工業廢水、農業廢水和生活廢水必須經過處理，以去除雜質或污染物。在排放到城市供水網路系統或天然水源之前，所有廢水必須滿足pH值、懸浮固體和電導率的排放標準。可以使用兩種不同的方法來測量污染物：
- 生物需氧量(BOD)用於衡量細菌分解廢水中有機成份所需的氧氣量。
- 廢水中的化學需氧量(COD)用於指示無機和有機化學物質的總量。COD高意味著水中含有大量可氧化的有機物質，這將會降低溶解氧水平，危及高等水生生物。
因此，較高的COD或BOD顯示較高的污染程度或較低的污水處理品質。
IIoT感測器可以測量廢水的pH值、渾濁度、電導率和氧氣水平等變量，這將有助於監測水處理廠的效率。死水也是一種污染源。使用IIoT感測器監測死水，有助於安排定時清洗，以減少污染的可能性。
設計考慮和挑戰
由於工業物聯網感測器安裝在大面積區域，因此感測器和其他系統元件之間的連接至關重要。用於監測水質的感測器通常被淹沒或暴露在戶外環境中，或兩種情況都有，因此它們也必須能承受極端溫度的考驗。在不需要維護或更換電池的情況下，預計它們可以現場運行10至20年，這意味著其功耗必須非常低。最佳化無線通訊頻寬的使用也是必要的。
設計案例1：飲用水水質
GF Piping Systems公司的Hycleen自動化系統用於維護建築物的飲用水衛生(圖2)。該系統具有溫度和流量感測器，可分別連續收集水溫和流量數據。它可以分析數據來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，也對消耗控制的沖洗進行了微調。
首先，在指定期間測量了兩次有效的用水量。然後將數據與目標交換量進行比較。這裡只對差異之處進行沖洗，而不是全部的量，從而將沖洗量降至最低水平，並最佳化能源消耗，而不至於增加軍團菌感染的風險。Hycleen系統可以透過app使用任何智慧型手機或類似裝置進行遠端控制。
Hycleen系統可以整合到建築管理系統中，目前已成功應用於複雜的建築，如歐洲的酒店、醫院、學校、公寓大樓和工業廠房。
圖2：GF Piping Systems的Hycleen自動化系統是基於雲端的水質管理系統示例。它具有溫度和流量感測器，可連續收集有關水溫和流量的數據。（圖片來源：GF Piping Systems）
設計案例2：污染監測
來自Birdz公司的SWARM浮標可測量偏遠水庫的水質。該系統的多參數偵測器可以測量品質或環境參數，如電導率、絕對壓力、溫度、活性氯、濁度和有機物。採集的即時數據透過無線通訊模組直接傳輸到終端用戶或遠端伺服器。此外，浮標維護成本低且能源自給自足，它帶有一個能量模組，包括一個電池和能量回收系統。這些浮標於2018年部署在澳洲的Malmsbury水庫。所需的維護工作非常低——在部署的第一年，該系統只需要更換一次偵測器和打兩次實際維護電話。
展望未來
業界對智慧水管理系統的實施進行了初步投資。使用IIoT系統監測水體或水質，可能需要借助大量感測器來覆蓋需要監測的區域，具體情況取決於應用需求。因此，感測器和IIoT系統的性價比就是一個考慮因素。一旦安裝了系統，未來的報酬就可能很大。這些系統將能夠提供智慧水監測、漏水檢測、智慧計量、智慧配水、洪水監測、農業智慧用水和水質改善。隨著感測器部署到偏遠地區，不斷增強感測器來提高可靠性和能源效率，以及減少維護更至重要。
(參考原文：Smart Water Management Using IIoT，by John Koon)
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