基于LABVIEW的家庭用水监测分析系统

张 玮 黄 凯 杨 森

(1. 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 江苏常州 213164;2. 江苏科技大学电子信息学院 江苏镇江 212003 )

基于LABVIEW的家庭用水监测分析系统

张 玮1黄 凯2杨 森2

(1. 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 江苏常州 213164;2. 江苏科技大学电子信息学院 江苏镇江 212003 )

目前一些家庭用老式指针水表无法实现智能化的监测、分析，本设计旨在解决老式水表远程抄表、数据实时记录、数据实时分析的功能。使用微型摄像头监测水表数据，上位机界面对水表数据进行采集和分析，展现了数据远程传输给人们生活带来的方便。

LABVIEW； 家庭用水； 监测分析； 大数据

0 引言

我国是一个缺水国家，赖以生存的水资源，正日益短缺。为了方便对家庭用水情况的掌握，使家庭用户以及用水管理部门更加方便地做好水资源的管理和调度，本设计通过微型摄像头采集水表的数据并使用LABVIEW编程[1]实现良好的人机交互界面，让用户直观地掌握一段时间内水资源的消耗情况，同时也可以将水资源的使用数据发送到相关部门进行大数据分析，将数据投入实际应用中，合理地使用水资源。

1 系统总体方案设计

本项目设计通过摄像头定时捕捉水表图像，对图像进行一系列的处理分析，加上利用LABVIEW进行算法运算后得到有关水资源利用情况的数据与波形图，通过LABVIEW设计样式、排布合理[2]的界面，直观地向大家展现数据值以及数据的波动情况，终端部分由本地终端接收并分析家庭用水数据，直接供用户查询，再由家庭终端提交相关数据给总终端，为有关部门计算缴费额、调配水源提供依据。此外，通过Email也可定期根据家庭用水情况向用户发送用水建议。整体硬件主要由水表、摄像头模块、本地终端和总终端构成。系统整体硬件框图如图1所示。

图1 系统整体硬件框图

2 硬件设计

系统硬件由水表、黑盒子、摄像头、安装有LABVIEW编程软件的本地终端、安装有LABVIEW编程软件的总终端构成[3]。其中黑盒子用于给摄像头提供稳定的光源，夜间也可使用。摄像头可选无线，便于远程发送图像信息，也直接与家庭中的终端设备连接。总体硬件方便搭建，同时方便添加其他设备进行功能完善。水表数据采集部分连接情况如图2所示。

图2 整体硬件图

2.1 水表

水表采用老式的指针加数字的指针式水表。这种水表在老型住宅比较普遍，也是当前中国比较普遍存在的水表，该水表自身不具有将水表数据向外分享的功能，本设计也是针对这点而进行的设计。

2.2 黑盒子

利用黑色纸盒或者铁片等剪成圆柱状或者方柱状的罩子，内部配有可调节亮度的LED灯。黑盒子能够为摄像头在任何天气条件和时间下提供较为稳定的光源，提高数据识别的准确度。

2.3 摄像头

摄像头选用普通低照度摄像机+红外灯，VGA(640x480)摄像头正对水表表面。可以根据需要设置为定时采集图像数据也可以随时采集图像数据。通过无线WIFI或者有线网络途径传送给用户终端，用户终端程序经过二位化处理、形态觉运算、低通滤波、高斯滤波、图像寻取边缘监测等步骤得到相应的指针角度，最后得出相应的数值[4-5]。

2.4 安装有LABVIEW编程软件的本地终端及总终端

本地终端直接获得本地水表的数据，并通过前面板直观地显示给家庭用户，让用户自身能够关注家庭用水情况。总终端是通过接收本地终端发送的数据，用于统计显示，为相关收费部门和管理部门做数据支持，这样可以省去挨家挨户抄表的步骤，节省了大量的人力资源。同时，大数据可以更好地组织物联网，方便对地方水资源进行调配。

3 软件设计

本设计通过摄像头采集图像，然后通过LABVIEW编程软件对图像进行数据化的处理，最后通过运算分析，将得到的最后结果以图形方式显示在前面板，显示形式可以有波形图、柱形图、折线图等。

3.1 本地终端程序

本地终端主要功能为直接采集本地数据，并通过运算得到最后的结果，将其显示在本地的前面板中，供家庭用户自我了解家庭用水情况。本地终端的程序框图如图3所示。

图3 本地终端的程序框图

3.2 总终端程序

总终端主要是负责收集各个本地终端的最终用水数据，将其建立一个可通过用户名和密码查看的数据库。同时，利用大数据进行数据分析，得出某块区域(如整个县、市、省)用水情况，根据数据绘得相应的折线图、柱状图等，从而可以使得相关部门更加合理地调配水资源，缓解国内可饮用水资源分布不均的问题。总终端的程序框图如图4所示。上位机家庭及一定区域的用水量监测界面如图5所示。

图4 总终端的程序框图

图5 系统上位机软件界面

客户端显示的是各个房间，如厨房、洗手间、阳台一段时间内的水流量时间变化波形图以及详细数据。水表画面用于显示水表的实时图像，方便检查是否出错。3个时区用水统计：统计一天中0～8点、9～16点、17～24点三个时间段的用水量。

服务器端显示某一区域的实时流量数据、昨日流量数据、前日流量数据和三天流量汇总数据。界面中可以切换不同区域，进行分区域显示。这里不同区域可以指小区、街区等范围，利用按钮右侧的下拉按钮在其中可选择A区、B区、C区。

将所采集到的各项数据进行分析，绘制一个节水表，智能分析家庭用水。通过对于家庭用水的深度分析，每一周做一次汇总，并将相关用水节水建议通过短信或手机APP告知用户，帮助用户对用水习惯做相应调整，避免水资源的浪费。

汇总的大数据可以根据需要进行各种挖掘分析，对各个地区不同时间段合理供水，在各个区域，甚至全国范围内进行合理水资源调配，缓解部分地区的水资源紧张问题。

4 结束语

基于LABVIEW的家庭用水监测分析系统是通过摄像头、稳定光源设备、PC、LABVIEW等硬件和软件共同对家庭用水和大数据进行分析的系统[6-7]，可远程监控水表数据，实时了解家庭用水情况，定期给用户发送用水建议。另外也可以联合现在流行的微信，QQ等软件，非常方便地让用户了解家庭用水状况。

该系统对各个家庭而言，可以进行用水量的采集，用水设备的远程控制，给予家庭节水建议方案；对于国家层面，节省了抄表的人力资源，各个家庭的小数据汇总成大数据可以进行数据分析和资源合理调配。水资源用量，需求的大数据的分析以及相应的供水量调整，对于南水北调工程和水资源紧缺、水资源严重分布不均的问题意义非凡，其应用前景也将随着社会的发展而变得越来越好。

[1] 陈琳, 钱声强. 基于LABVIEW的远程实验平台构建[J]. 常州信息职业技术学院学报, 2012(2)： 16-18.

[2] 金仁江, 肖志华. 基于LabVIEW的多通道温度测控系统设计[J]. 常州信息职业技术学院学报, 2011(2)： 20-22.

[3] 曹卫彬. 虚拟仪器典型测控系统变成实践[M]. 北京： 电子工业出版社， 2012： 25-28.

[4] 黄松岭. 虚拟仪器设计基础教程[M]. 北京： 清华大学出版社, 2008： 50-58.

[5] 伊恩·艾瑞斯. 大数据思维与决策[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2014： 15-20.

[6] 李江全， 等. 虚拟仪器设计测控应用典型实例[M]. 北京： 电子工业出版社， 2010： 62-68.

[7] 张重雄. 虚拟仪器技术分析与设计[M]. 北京： 电子工业出版社， 2007： 35-38.

[责任编辑：李娟]

Domestic Water Monitoring and Analysis System Based on LABVIEW

ZHANG Wei1HUANG Kai2YANG Sen2

(1. Institute of Electronic and Electrical, Changzhou College of Information Technology, Changzhou 213164, China;2. School of Electronic Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

Now, the traditional domestic pointer water meter cannot realize intelligent monitoring and analysis. The design in this paper aims to solve problems of the traditional water meter remote reading, real-time data recording, and real-time data analysis. Monitoring the water meter data with the use of micro camera and collecting and analyzing the water meter data with the upper computer interface show convenience that the data remote transmission brings to people's life.

LABVIEW; domestic water; monitoring and analysis; big data

2016-07-24

张 玮(1980-)，女，讲师、工程师，硕士，从事研究方向：应用电子

TP 274

A

1672-2434(2016)06-0026-03