无线传感器网络于自来水输送管线监控之应用与研究

2012-03-01黄荣尧、严崇一、张隆策

无线传感器网络于自来水输送管线监控之应用与研究

国科会计划编号：NSC96-2622-E-008-014-CC3

执行期限：96 年11 月1 日至97 年10 月31 日

执行机关：国立中央大学营建管理研究所

计划主持人：黄荣尧

协同主持人：严崇一、张隆策

中文摘要

台湾由于自来水输水管线已相当老旧，据统计每年约有超过25%之供水量漏掉，浪费了大量珍贵水资源，因此如何检漏并降低漏水率实为当前刻不容缓之课题。小区计量为国内各自来水业务主管单位积极推动之检漏模式，唯目前仍须倚赖频繁人力进行定期抄表，且无法获取时数据。本研究目的即在于探讨无线传感器网络于自来水管线监控管理之应用，达到用水数据读取自动化与实时化之目标。本研究以流量计为研究对象，共设计两种流量计读数无线传输之模式，第一种模式可简化现行抄表作业流程，第二种模式除可节省抄表人力，并可将数据实时回传。本研究并以一流量计为范例进行实证，验证两种模式之可行性，以及探讨环境因素对无线传输之影响，并提出其未来应用之构想。

关键词：无线传感器网络、自来水检漏、小区计量

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)

研究计划内容

1. 绪论

1.1 背景

根据联合国数据显示，20 世纪全球人口成长2 倍，用水量却增长6 倍，全世界目前有40％人口面临严重水资源短缺困境，显见水资源已成为未来人类必须以更严肃态度面对的课题。而台湾地狭人稠，岛中央又有陡峭的中央山脉纵贯南北，因此河川短促，每逢降雨即奔流入海，难以蓄积水量，可供利用水量仅占总降雨量15％，加以人口密度高，平均每人每年可分配之水资源仅约4,000 吨，为世界平均值34,000 吨的12﹪，因此水资源相对贫乏。另外，依国际人口行动组织(PAI)统计，台湾地区每人每年可分配之湖泊及河川水流等可再生淡水量仅856 吨，为全球排名第18 位的缺水国家，因此水资源如何有效利用成为亟待解决课题。以台北市地区供水为例，台北市自来水事业处(北水处)供水面积434 平方公里，肩负大台北地区385 余万人饮用水责任。依照北水处之统计资料，民国95年配水量9 亿5,824 万余立方公尺，售水量6 亿748 万余立方公尺，扣除其它无收费之用水量(如消防用水)，每年有约25%之用水量为漏水，浪费大量之珍贵水资源。而全国其它地区之漏水情形亦十分严重，台湾地区历年来无费用水的比率皆高居30%以上，约为日本的3.5 倍，估计一年所漏掉的水量约8 亿公吨，约为二座翡翠水库的蓄水量！因此，如何建立完整之监控系统且能分析出漏水严重之区域并优先予以汰换管线，实为当前各自来水营运单位在漏水管控议题上面临最大之挑战。

1.2 研究动机

针对降低漏水率之问题，最有效之作法莫过于汰换老旧之破损管线、加强漏水检测、并建立完整之监控系统。北水处已规划20 年之长期计划，预估每年投入10 亿元经费改善现有输水网络，并预定于民国114 年将漏水率降低至10%(参考图1)。由于现有管线多十分老旧，安装之年代久远，且缺乏完整之营运维护数据，因此，如何建立完整之监控系统且能分析出漏水严重之区域并优先予以汰换管线，实为当前各自来水营运单位在漏水管控议题上面临最大之挑战。

图1 台北市自来水事业处20年计划目标与预估成效图【14】

小区计量为目前实务上评估漏水率最有效之方法，各自来水业务主管单位均积极推动小区划分与管理用流量计之布建。然而现阶段之流量计，仍需运用大量人力进行抄表作业，且无法取得实时信息，因此仍有很大之改善空间。此外，无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)技术于近年来逐渐成熟，其自动无线传输与实时性恰可弥补现有流量计之缺点，如能应用WSN 技术改善流量计之实时性与自动读表功能，将可大幅提升小区计量在漏水之监控作用。相同模式并可推展至供水与水质管控，进而整合成完整之水资源监控系统。

1.3 研究目标

有鉴于此，本研究之目的将着重于以下各点：

1. 透过产学合作，设计开发出WSN 技术于流量计无线传输之模式与雏型系统。

2. 探讨WSN 技术于自来水管线管理之适用性与优缺点。

3. 提出应用WSN 于自来水管线监控之完整系统构想与规划。

1.4 研究范畴

由于预算上之限制，本计划并无充足经费购买相关仪器设备与进行多项实验，因此只能选定流量计作为研究之对象，并以单一流量计之无线化为范例进行实作验证。实作地点经台北市自来水事业处协助于该处内一窨井进行，实测流量计则为国内厂商弓铨公司制造之速度型竖轴奥多曼式水量计，开发设计之软件与韧体将只适用于该厂商之水表。

2. 文献回顾

2.1 无线传感器网络

传统的监控系统都是在需要监控的位置装设传感器(Sensor)，并透过布线方式将传感器搜集到的信息回传至控制中心进行控制决策。近年来由于微型制造的技术、通讯技术及电池技术的改进，促使微小的传感器可具有感应、无线通讯及处理信息的能力。此类传感器不但能够感应及侦测环境的目标物及改变，将数据以无线传输的方式送回控制中心，甚至可实时运算处理收集到的数据，自行决策并做出实时的控制反应。以下将简介无线传感器网络的架构原理，并回顾其在公共工程之应用现况。

2.1.1 无线传感器网络架构[12,13]

图2为一无线传感器网络的基本架构示意图，主要由一群无线传感器节点(Sensor Node)、数据网关(Gateway/Sink)、网络、与远程主机等四个部分所组成。传感器节点通常可密集部署在目标监控区域里面，所有节点可遵循IEEE 802.15.4通讯协议标准，自行建立起一个Ad-Hoc网络。每一节点透过其内建或外接之传感器搜集目标物或环境之状态变化，然后以无线电波方式在Ad-Hoc网络上传播。所有Ad-Hoc传感器网络上之信息最后都将汇流至Gateway，然后Gateway再以任何有线或无线之通讯方式，如GPRS、Wifi、WiMax、微波、或ADSL等模式将数据传送回远程之控制主机。控制主机再将数据储存、分析、并做出决策，甚至可将控制讯号反向送回Gateway，再回传至各传感器节点。

图2 无线传感器网络基本架构示意图

无线传感器节点本身由4 种不同的组件所组成，如图3 所示，分别为感测单元、处理单元、电力供应单元以及传输单元，分别说明如后。

图3 无线传感器节点硬件架构图

感测单元（Sensing Unit）

感测单元分为两个部份：感测组件（Sensor）和讯号转换组件ADC（Analog-to-Digital）。感测单元可透过内建感测组件或外接仪器去感测四周环境的数据；讯号转换组件ADC负责将感测组件所感测到的模拟讯号经过取样，转换成数字讯号送到处理单元加以处理。实务设计上，可根据应用的不同设计多个相辅的传感器架构，例如在火灾感测上面，可以同时设计温度感测、烟雾感测以及灯光感测等感测组件，这样可以让使用者增加对环境的了解与掌控。

处理单元（Processing Unit）

处理单元可分成处理组件（Processor）和储存组件（Storage）两部份。处理组件的功能类似计算机之中央处理器（CPU），负责执行使用者内嵌于处理组件的程序代码，并且去分配和控制在传感器之间不同的组件，同时也可透过传输单元接收远程服务器或是传感器所发送的讯号封包，解读封包内容命令型态后，再据以对传感器不同的单位组件下达不同的控制命令。同理，也可以透过传输单元对远程下达自身要求的命令。储存组件的功能就像是一般个人计算机中硬盘等储存装置，主要是储存经过ADC转换过后的数据，以及储存在处理组件中一些需要暂时保留的数据。

传输单元（Transceiver Unit）

传输单元是传感器间互相通讯的桥梁，主要负责将处理单元需要的收发数据透过介质来进行传送或接收。而要使用哪一种介质传输则依照使用者的应用与环境去做选择，常见的介质有红外线（Infrared）、无线电波（Radio）以及光纤介质（OpticalMedia）等。

电力供应单元（Power Unit）

电力供应单元为负责供应传感器所需电源之组件，若没有电力供应单元，则传感器将无法运作。通常无线传感器的电源是由电池所供应，所以每个传感器能维持的生命周期有限。所以在无线感测网络的应用中，传感器除了讲求能够长时间运作外，还要节省能量的消耗，而如何在长时间运作与电力消耗之间取得平衡，即为无线感测节点设计时的重要考虑之一。

2.1.2 无线传感器网络的应用

无线传感器网络发展至今，已被广泛讨论或应用于许多领域。以下分五大类描述其应用与潜力：

军事应用

WSN 的军事应用十分广泛，其中包含：

 在友军的人员、装备及军火上加装sensor 以供识别。

 将sensor 投掷于敌军阵营中，在被敌军破坏前，希望能完成侦察任务。

 当智能型军火的导引器。

 侦察及判定核子、生物和化学攻击。

环境应用

WSN 也能在环境上大量应用，例如：

 将大量的传感器布署于森林中，以对任何火灾地点的判定提供最快的讯息。

 sensor network 能提供遭受化学污染的位置及检定出何种化学污染，不需要人亲自冒险进入受污染区。

 监测空气污染、水污染及土壤污染等。

医疗照护应用

 将sensor network 布署于房子内及人的身上，而达到远距监测人体各项健康数据及人的各项行为。

 sensor 可放在病人或药师身上，如此错误的药物处方或是病人拿错药的机会可以降低。

智能生活空间应用

 将含有起动器(actuator)的sensor network 布署于家中，可以让人们在远方或在家里经由因特网作许多家事。

其它商业应用

无线传感器网络也有许多商业上的应用，例如：

 工厂自动化的生产在线的品管控制，利用sensor 去侦测不良品。

 传统办公室的空调系统是中央控制，因此有些地方可能很冷，有些地方却很热。使用sensor network，各个角落的sensor 可以知道当时的环境状况，进而要求控制当时的气温或空气流动。

2.2 自来水漏水防治相关方法[7,8]

传统自来水管线防治漏水之方法大致可区分成以下数种：

1. 压力控制法：系透过用压力控制的方式来主动减少因管线系统水压过高所造成渗漏或爆管之漏水情形。

2. 被动修漏法：此法系指不主动检测漏水量或是查询漏水地点，而仅被动等待有接到漏水显现于地面之报告，或是用户之申诉、水压不足、用水设备问题时才前往修漏。

3. 定期听音法：指派检漏人员分组有系统的沿着路线中所有之止水栓、制水阀及其它管件检听漏水杂音之特性，而找出漏水的位置。

近年来国内各自来水主管单位在参考国外先进国家如日本与新加坡在漏水防治之实务做法后，积极推动小区计量(District Metering Area, DMA)，作为现阶段测漏改善与未来监控管理之主要管理方式。小区计量概念是以区域所属的净水厂/配水池/加压站为基础，在水公司提供的图资上切割若干个独立的概要供水区块，每个概要区块再细分为较小规模的地形区块。区块切割原则是以用户1000~3000户或配水管长度10-20公里为一区块，其主要目的在于针对该小区进行售水率之调查。所谓售水率是指该小区内所有用户用水读表总数除以该区配水表数值，即该小区用水量与进水量之比值。售水率越低之小区，应优先进行管线修漏或汰换之改善工作，可搭配听音或其它仪器找出漏水严重之管线，或是将该区划分成更小之次区域，再进行售水率之调查分析。

小区计量之检测方式可区分成小区检漏与分区计量两种模式。两种模式之说明与比较请参考表1。

表1 小区检漏与分区计量之比较

资料来源:弓铨股份有限公司

2.3 无线传感器网络于公共建设监控之应用

虽然无线传感器网络在许多领域已有许多成功案例，包括在智能型建筑与节能之应用也渐受重视，然而在公共工程或民生基础建设(Civil Infrastructure)上之应用仍属于起步阶段。目前国内相关研究主要着重于土石流与边坡滑动之监控，洪清江[9]建立一套以无线传感器网络为基础之坡地降雨及地下水位监测系统，用以实时监控危险山坡地之降雨量及地下水位，避免灾害之产生。张晋豪[11]则应用WSN 与GSM 建立一套简单、有效且实时的边坡警示通报监测系统。识方科技与中兴工程顾问公司也曾应用WSN 于某水力发电厂边坡滑动监控之实际案例上。此外WSN 也有应用于桥梁与隧道安全监控之相关研究，李明儒[6]提出应用WSN 于长隧道防救灾之构想与架构；美国U.C. Berkeley 大学也以WSN 为基础，发展Infrastructure Health Monitoring System[2]，并以旧金山金门大桥为例建立雏型系统。至于将无线传感器网络技术应用于地下管线监控之相关研究在国内仍未见成果，在国外亦不多见。美国Purdue University 曾利用WSN 为印第安纳州开发污水下水道智能型阀门(Smart Valve)控制系统，及时监控污水下水道水位与流量，作为阀门开关决策之依据，以避免下大雨时，污水溢流至河川之问题。另外，美国麻省理工学院也曾与Boston Water and Sewer Commission (BWSC)共同发展PIPENET 雏型系统[3,4]，将自来水管线内之水压、流量、与水质sensor 之量测值，以WSN 架构回传至远程办公室之主机上。图4 为PIPENET 的WSN 传输架构。

图4 PIPENET WSN 传输架构

3. 雏形范例实作与探讨

3.1 范例背景介绍

目前不论台北市自来水事业处或是台湾自来水公司均积极推动小区计量方式作为漏水防治之主要模式，而小区计量最重要的目的在于比较该封闭小区某段时间内总供水量与用水量的差别，藉以推估漏水量，因此水表读数之取得为一关键作业。现阶段在实务上，用水量的计算只能靠派人至小区内所有用户家抄表后再加总计算。而供水量的部分则是在该小区唯一开放的供水管在线加装管理用水表，以计算总供水量。

在多次访谈台北自来水事业处后了解到，小区计量在实务上需要持续性的耗费大量人力进行抄表，包括用户表与进水量的管理用表。此外，有些管理用表所处位置之作业环境可能相当恶劣，例如位在交通繁忙的马路上，进行数据下载作业时十分不便且有安全上的顾虑。而在客户端的读表上，自动读表系统(AutoMeter Reading, AMR)的导入为未来之必然趋势，然而由于目前仍无相关标准法规，且推动影响层面非常广大，因此短期内难以推动，仍只能依靠人工抄表。

因此，本研究以导入无线感测网络的技术于小区计量管理用表之读表作业做为实作之雏形范例，使流量计读数能无线传输，以改善抄表员作业上不便。本研究并取得台北市自来水事业处授权同意于该处内一窨井进行实作，实测流量计为国内厂商弓铨公司制造之速度型竖轴奥多曼式水量计，图5 为水量计实际照片。

图5 速度型竖轴奥多曼式水量计

3.2 系统设计

为满足现行水处作业模式及未来发展趋势，本研究共设计两种无线传输作业模式，分别为半自动传输及GPRS 无线传输。以下将分别说明各模式之系统架构与其优缺点探讨。

3.2.1 半自动传输：

目前国内使用之流量计均具有数据记录器(Data Logger)，可将历史读数数据储存于该纪录器上。然而由于记忆容量大小限制，抄表作业员需定期至该流量计处下载数据，以避免数据流失。现行作业时，抄表人员需驱车至流量计所在地，从窨井内取出Data Logger，透过专有传输线与笔记型计算机联结，再由下载程序将数据下载至计算机上。如果抄表位置位于交通繁忙之马路上，作业将十分不便且有安全之顾虑。本研究设计半自动传输之作业模式，抄表作业员只需驱车至流量计附近安全位置，插上无线传输模块装置，即可无线下载数据，可配合改善现行作业上遭遇之问题。

模块设计

本模式所使用之硬件与开发之对应软/韧体说明如下:

硬件:

1. 流量计SAP 转换器

2. Sensor Mote

3. 蓄电池

4. Base Mote

软/韧体:

1. Sensor Mote 接收SAP 讯号并写入其Flash Memory 之韧体

2. Sensor Mote 等待Base Mote 唤醒并传送数据之韧体

3. Base Mote 唤醒Sensor Mote 并接受数据之韧体

4. 计算机驱动Base Mote 并储存与显示Base Mote 接收到数据之软件

联结模式说明如下:

1. 流量计每一分钟读取一笔数据，透过SAP 译码后，传送给Sensor Mote

2. Sensor Mote 接收SAP 传来之讯号后被唤醒，将数据写入Flash Memory 后回复睡眠状态

3. 当抄表人员至流量计附近时，将Base Mote 插入笔记型计算机USB port，由软件驱动Base Mote，送出讯号唤醒Sensor Mote

4. Base Mote 与Sensor Mote 遵循IEEE 802.15.4 通讯协议建立网络

5. Sensor Mote 将数据透过网络传递至Base Mote，再透过控制软件记录于计算机内以利后续显示与分析。

图6 为半自动传输模式之运作示意图，图7 为模块之实体图，其中左图为Mote，中图为Sensor Mote 联结SAP 转换器并装于保护壳之图片，右图则为与流量计连结后之照片。

图6 半自动传输模式示意图

图7 模块实图

实测成果与探讨

本研究针对此模式进行以下之测试:

1. 将Sensor Mote 与流量计联结持续读取数据直至蓄电池电源耗尽，以测试耗电量与Sensor Mote 读取数据与写入Flash 之正确性。

2. 测试Base Mote 唤醒Sensor Mote 并接收数据之功能与正确性

3. 传输距离测试

测试结果探讨如下:

1. 在电池耗尽前，总共连续读取1028 笔数据(约17 小时又8 分钟)

2. 在耗电量之探讨上，本实验使用之蓄电池仅能持续运行17 小时。主要原因在于本研究实验必须借助水表厂商所提供之SAP 转换器来辨别水量计所发送出来的加密讯号，但该SAP 转换器本身并非专为无线传输功用设计之省电装置，本身耗电量相当大，正常使用都须外接固定电源。由于本研究试验地点附近没有固定电源，因此仅能透过蓄电池来维持其电力，因而造成无法持续长时间试验之结果。本研究需加装SAP 之原因在于水表公司基于商业机密，无法提供译码之数学模式，仅愿意提供SAP 转换器协助解碼。未来实际开发时应可省去SAP，以本次试验使用之蓄电池，应可维持Sensor Mote持续运作6 个月以上之时间

3. 影响Mote 有效传输距离之最主要因素为Mote 天线位置。经实验结果显示密闭无透孔之铸铁窨井盖将完全阻隔Mote 之无线讯号；如果窨井盖上有开孔，当Mote 埋设于窨井盖下方约40cm 处，则地面上有效接收讯号距离约为2.5 公尺；若将Mote 天线拉出直接贴附于窨井盖开孔处，则有效传输距离在无障碍物遮蔽下可达35 公尺；如将天线完全拉出地面，则传输距离可远达50 公尺以上。

4. Sensor Mote 天线若垂直Base Mote 为最佳通讯模式，如非垂直，有效距离将减低，在本实验中可降低10 公尺以上。

3.2.2 GPRS 无线传输：

上述半自动传输模式虽可简化抄表人员现场作业流程并提高安全性，然而抄表人员仍须定期至流量计所在位置进行无线下载，仍无法有效节省人力成本，且无法获得实时之信息。为进一步解决以上两个限制，本研究设计GPRS 无线传输模式做为解决方案。本模式为自动传输方式，故不需要抄表员外抄就可以实时下载该流量计之数据。

模块设计

本模式所使用之硬件与开发之对应软/韧体说明如下:

硬件:

1. 流量计SAP 转换器

2. Sensor Mote

3. 蓄电池

4. Gateway Mote

5. GPRS 讯号发射模块(含开通GPRS service 之手机SIM 卡)

6. 固定IP 之Server PC

软/韧体:

1. Sensor Mote 接收SAP 讯号并传输至Gateway 之韧体

2. Gateway Mote 接收数据并转送至GPRS 发射模块之韧体

3. 控制GPRS 讯号发射频率之韧体

4. 计算机端接收、储存、与分析数据之软件

联结模式说明如下:

1. 流量计每一分钟读取一笔数据，透过SAP 译码后，将数据传送给Sensor Mote

2. Sensor Mote 接收SAP 传来之讯号后被唤醒，将数据以RF 传播出去后回复睡眠状态

3. 将Gateway 装设于流量计附近空旷处，Gateway Mote 接受到Sensor Mote 传出来之讯号后，将数据转送至连接之GPRS 发射模块

4. GPRS 发射模块将数据透过GPRS service 传回该公司预设之讯号接收主机。

5. 该公司之接收主机再透过Internet 将数据转送至有固定IP 之计算机上

图8 为GPRS 传输模式之示意图，图9 为GPRS 发射模块，图10 为模块实际布建之照片，其中左下角为联结流量计之Mote 之保护盒，右下图则为Gateway与GPRS 发射模块之保护盒。

图8 GPRS 无线传输模式示意图

图9 GPRS 讯号发射模块与Gateway Mote

图10 实际传输情形

实测成果与探讨

本模式实验并未将Sensor Mote 之天线拉出地面，第一次试验时由于将Gateway 放置离流量计较远之处，导致数据传输不稳定，因此于第二次试验时将Gateway 模块放置于离窨井盖约2 公尺处之地面上，以确保Gateway 与SensorMote 间之无线传输能保持稳定。实验仍设计一分钟接收一笔水表流量数据并立即传送回远程主机，直到电池耗尽为止。

实验结果探讨如下:

1. 此次实验共运作约27 小时，接收到流量比数为1609 笔。经比对后发现有0.7%之资料流失率，流失主要发生在Sensor Mote 与Gateway 间之传输。Gateway 透过GPRS 传送之讯号则十分稳定，未发现流失现象。整个传输过程之可靠性应用于非critical 的流量计读数传输上应可接受。

2. 图11 显示远程计算机Server 软件上呈现之联机状态画面，图12 为流量接收窗口之画面。整个传输时程从流量计送出读数至计算机端接受到数据在数秒内可完成，可达到实时监控之要求。

图11 Server 联机状态

图12 流量接收窗口

3.2.3 传输模式比较

以下针对两种模式在成本、人力、工作效力、与数据传输可靠性进行比较说明。表2 为比较表。

表2 两传输模式之比较

成本

GPRS 传输方式在硬件上成本较半自动传输高，两者差异在于GPRS 传输多了GPRS 发射模块以及其耗用之电池(假设无法接固定电源)。另外GPRS 传输的封包费用，以中华电信资费为例，在小于50 万封包，1 封包0.005 元，如流量计读数每笔数据以1 封包传输计算，每个月一个水表之传输费(以一分钟一笔为例)约为60*24*30*0.005=216 元，相较下影响不大。

人力、工作效率

半自动传输模式仍跟现况作业方式一样，必须指派及分配抄表人员外出到该地点下载该管线流量，主要差异在于简化作业流程、缩短工作时间、且降低工作危险性。而GPRS 传输模式则完全省去抄表之人力及人员至现场所需之交通费用，仅需每半年左右更换Sensor Mote 的电池，因此可大量减少工作人力与其机会成本，并提升其工作效率。

数据传输可靠度

半自动传输模式只要下载者能靠近到一定距离内，且无障碍物阻隔，即可稳定传输数据，可靠度十分高。而GPRS 无线传输模式，除了Mote 与Gateway 间之传输外，尚有Gateway 到接收主机与主机到PC server 两段传输，增加了数据遗失之机会，因此可靠度较半自动传输模式为低，但由实验结果可知其可靠度仍可接受。

3.3 环境因子探讨

由于无线传感器网络采用的是低功率的无线电波传输数据，因此很容易受到现场环境之影响。本节将探讨WSN 在自来水管线管理上可能遭遇之环境影响因子及解决对策。

3.3.1 水

由于台湾气候多雨，且流量计埋于地下容易积水，因此Sensor Mote 必须做好相当良好的防水装置避免内容物浸水而导致仪器故障，本研究因经费的关系尚未采用良好的外壳或订制优良的防水外壳，仅购买市面上一般材料行的外盒做为本研究之外壳，故未达完全不浸水之设计，未来必须做完整的防水设计。

由于水会阻隔RF 讯号之传递，因此如果Sensor Mote 因积水而泡于水中时，实时保护外壳有防水功能，也会因浸于水中而遭阻隔。解决方法为将天线拉出至地面，并以防水设施如压克力保护。

另外，下大雨时也会对Mote 间之RF 传递造成影响，进而降低其有效传输距离。因此在选定Gateway 位置时，需将此天候因素考虑在内，以避免下雨即断讯之窘境。

3.3.2 金属人孔盖

由于本实验之Sensor Mote 皆位于地下管线人孔或窨井中，而现今使用之人孔盖多以厚达数公分之铸铁制成，经实验发现其将完全阻隔RF 讯号之传送。但倘若能将天线拉出至地面，则其传输距离可到达35 公尺。因此要解决人孔盖或是其它金属物造成之阻隔，最有效直接之方法即是将天线拉至地面，并以类似猫眼等硬质抗压塑料材料保护，以避免天线因人车辗过而受损。

此外，国外也有研究专利将圆形之人孔盖转成RF 发射与接收之天线，化阻力为助力。此为彻底解决此一问题之有效方法，可于后续研究中投入开发国内之相关专利技术。

4. 无线传感器网络于自来水管线监控之应用探讨

提升售水率与确保供水质量为目前国内各自来水业务单位面临最重要之工作，任何缺失均可能造成社会付出重大之成本。因此本章将以此两项工作重点探讨WSN 之可能应用。

4.1 提升售水率与自动读表

小区计量乃是国内用于提升售水率最主要之方法，其作法乃将供水范围划分成许多可独立计量之小型管网，借由监控总进水量与总用水量来求得可能之漏水率、并以此作为区内管线检漏、修漏、汰换及水压管理等作业之基础。现阶段总进水量与用水量之计算仍以人工抄表方式进行分析，因此无法进行实时之监控与管理。

水表自动读表为未来发展之趋势，假设每一管理中心辖下之供水管线均已划分成小区进行管理，且都架设有自动读表之流量计并搭配有压力计与震动侦测器，并将资料实时回传至管制中心分析与留存，如有发生破管情形，可藉由异常之压力或震动变化得知，并推估出可能之位置，利于维修员于第一时间抢救漏水的管线。虽然自动读表也可透过网络或电话布线回传，但WSN 以其相对低成本、快速大量布建、及机动性高之特性仍将于自动读表实务上扮演重要角色。

4.2 稳定供水与水质监控之应用

为确保饮用水质量，目前自来水事业处已设置水质计算机监视系统，对各净水场原水、净水处理流程、清水及供水区代表点，作24 小时连续侦测，藉由该系统监测预警及诊断功能之充分发挥，确保水质时时稳定安全。现今家庭用水都是由净水场确认水质安全无虑之后再经由加压站透过输配水管网及给水管输送至各家庭，倘若在输送的过程中因输配水管网老旧及腐蚀，而遭受到污染水质的安全进而影响到客户端饮用水，如此一来在净水场过滤水质之作业都将化为乌有，因此可在各供水辖区用户处导入无线传感器网络的技术，作水质实时监控的应用。

假设各供水辖区用户处都设有无线传感器，如监控含氯量的sensor 或是针对水的HP 值作实时的监控，如此一来将自来水处监控中心将可实时得知该供水辖区水质的状况，且该辖区水质若遭受到污染也可以在第一时间得到讯息，并立即派遣专业的维修人员到现场了解状况并作危急处理，以确保水源输送至客户端的水质安全无虑，进而让客户端感到安心，也可提升自来水处的形象。

5. 结论与建议

5.1 结论

本研究期望将无线传感器网络导入自来水管线监控管理之应用，经深入了解国内现行积极推动之小区计量检漏方法与未来自动读表之发展趋势，选定以小区计量中小区进水量监控管理之流量计为研究对象，设计两种流量计读数无线传输模式，并以实作雏型系统证明两种模式之可行性。本研究所设计之半自动传输模式可改善现行抄表人员作业之效率及安全性，GPRS 无线传输模式则可完全免除抄表人力并可作为未来自动读表为基础之监控系统之设计雏型。

本研究同时探讨WSN 技术应用于自来水管线监控时可能遭遇之问题与对策，同时也探讨勾勒出未来以WSN 技术之自动读表为基础之自来水管线监控系统构想。

5.2 建议

为促使本研究两种模式更完善且可实际应用于实务上，以下提出几点建议：

1. 本研究所设计之实验均必须透过水表厂商之SAP 转换器才可译码流量计送出来之讯号，倘若可与该水表厂商取得合作协议将译码方式直接内嵌于Sensor Mote，则可克服本研究因SAP 造成电力无法持久之问题，甚至也可与水表厂商直接合作开发具WSN 无线传输能力之水表接口。

2. 地下管线中人孔中遭遇积水之问题十分普遍，因此后续应加强研发Mote 之防水能力及遭遇积水时仍能将讯号传出之各种解决方案，方可提高其实用性。

3. Mote RF 讯号遭人孔盖阻隔之问题为任何无线传输模式都会遭遇之问题。本研究虽有提出解决方案，但仍非最佳解决方法。后续研究可针对此问题深入探讨其它更佳之解决方案。

4. 无线传感器网络不仅可应用于自来水管线之监控，亦可应用于雨污水、瓦斯、电力等其它地下管线之管理与监控。

参考文献

1. O. Hunaidi, W.T. Chu, “Acoustical characteristics of leak signals in water distribution pipes,”Applied Acustics 58, pp. 235-254, 1999.

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.

5. 王兆庆，以Wireless Sensor Network 作定位之实作，国立中正大学电机工程研究所硕士论文，民国95 年。

6. 李明儒，“应用无限感测网络提高隧道防救灾机制之研究”，土木工程学系硕士论文，中原大学，中华民国95 年6 月。

7. 林尚祺，“自来水管线漏水检测方法”，自来水会刊第二十四卷第一期，中华民国95 年，pp.94-101。

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10. 俞立平，台北自来水以小区计量降低无计费水量之研究，中华大学营建管理所硕士论文，民国96 年。

11. 张晋豪，“无线感测网络与无线局域网络应用于坡地监测适用性评估”，土木工程学系硕士论文，中原大学，中华民国95 年6 月。

12. 识方科技股份有限公司网站， http://www.bandwavetech.com/。

13. 国立成功大学，NCKU CSIE Advanced Data System Laboratory 网站，无线传感器网络介绍，http://imus.csie.ncku.edu.tw/imus/sensor/sensor_research.html。

14. 台北市自来水事业处95 年度下半年度议会工作报告

计划成果自评

研究内容与原计划相符程度

本计划之研究目标与精神基本上与原计划书相仿，但在研究内容与范畴上因为经费与时间限制，无法依原计划书提出之构想建立包含流量、水质、压力等多种sensor 之无线感测网络雏型系统，仅能就单一流量计之无线化进行设计与实作。因此在实作范例之范畴上较原计划为小，但仍依原计划完成文献资料搜集与分析探讨无线传感器于自来水输送管线监控之可能应用与环境因子对可行性之影响。

是否达成预期目标

本研究虽因预算限制未能真正实作原先规划之雏型系统，但仍以流量计为例设计两组无线传输模式，并经实验验证具可行性；此外也探讨了WSN 技术于地下环境之适用性与解决方案；并提出应用WSN 于自来水管线监控之系统构想与规划。因此本研究已达成预期目标。

研究成果之学术或应用价值

本研究应用之方法为小区计量与WSN 技术之结合，两者均为发展成熟之应用技术，因此本研究在技术创新上之价值较低，但在实务上因本研究设计之两种水表无线传输模式皆可实际应用于真实案例中，并协助改善现有作业模式，因此具有极高之应用价值。

是否适合在学术期刊发表或申请专利

本计划应用WSN 技术开发水表读取无线传输模式，有具体的研究成果，未来拟发表于相关学术期刊及研讨会。至于在申请专利上，现阶段之研究成果恐仍不足以申请专利，但如能取得与水表厂商进一步合作之机会，则有机会开发出具专利之技术与产品。