利用蜂窝物联网减少水资源浪费

作者：Lorenzo Amicucci, Nordic Semiconductor

水的消耗量正在超过供应量。美国国家地理学会称，人们的用水量是一个世纪前的八倍[1] ，这一问题导致出现 “水资源缺口”，即可再生水源无法满足需求。这个问题在干旱时期更加严重，并且对于高收入国家和低收入国家的影响同样严重。这问题可能对健康、农业、工业、环境和社会造成重大冲击。

造成水资源缺口的原因有很多，并且往往难以解决，其中包括气候变化、人口增长、城市快速发展，甚至是污染。但有两大因素是可以应对解决的，一是基础设施老化薄弱，二是水资源管理不善。

识别和报告漏水情况

在欧洲，基础设施老化导致大量水资源流失。虽然荷兰只有约5%的供水量因漏水而流失，但保加利亚（60%）、爱尔兰（53%）和罗马尼亚（41%）都存在严重的问题。在整个欧洲大陆，每年约有25%的水资源因管道泄漏而流失[2]。 

欧盟(EU)正在采取行动，要求供水机构监控和报告漏损率，并且制定漏损率超过规定水平时的行动计划。这项分阶段的指令要到2028年才会全面实施，但具有前瞻性思维的供水机构现在就开始行动，采用先进技术来帮助遏制水资源的流失。

为了尽量减少漏水造成水量损失，供水机构需要可靠而快速的方法来确定漏水的时间和地点。传统的方法是派遣维修人员到疑似漏水地点进行进一步检测。最近，甚至有人使用经过训练的嗅探犬来嗅出经过处理的饮用水的气味，从而找到爆裂的水管。这些方法虽然有效，却需要花费宝贵的时间，而且成本高昂。所以，它们现在被更高效的物联网传感器和蜂窝物联网无线连接方法所取代。

基于蜂窝物联网的状态监测

可以在整个供水网络中部署物联网传感器，利用声学技术持续监测水管的状态和活动。当水管开始漏水时，可以听到清晰的高音，所以监测水管中的噪音水平非常有效。传感器必须持续不断地 “倾听”，因为随着漏水的增加，噪音水平往往会降低，而且很难从其他背景噪音中分辨出漏水。这些数据会通过蜂窝物联网无线连接定期传送到云端，在云端可使用先进的机器学习 (ML) 算法，确定随着时间推移出现的异常情况是否表明出现潜在的泄漏。如果怀疑有漏水现象便需要人工干预，派遣维修人员进行调查，最大限度地减少潜在的漏水损失。

挪威南部霍尔滕市政府（Horten Municipality）已经在试用这种技术，以检测该地区饮用水网络的泄漏情况。在挪威公共卫生研究所（Norwegian Institute of Public Health）的支持下，市政府与智能状态监测解决方案提供商7Sense合作，部署了采用Nordic Semiconductor集成LTE-M/NB-IoT调制解调器和全球导航卫星系统(GNSS)的nRF91 系列低功耗模块驱动的一组物联网传感器，以实现到2028年漏水损耗率达到18%的可持续发展目标。

在过去三年中，该市的漏损率稳定在16%至17%，而此项目将通过查找难以发现的微小漏点（通常在私人管道连接处发现），帮助维持或进一步降低漏损率。

蜂窝物联网模块解决挑战性问题

Nordic Semiconductor的蜂窝物联网模块系列具有强大的处理能力、充足的内存资源、无线电灵敏度和低功耗等独特优势，非常适合执行此任务和其他智能城市远程状态监测任务。

nRF91系列蜂窝物联网模块集成了功能强大的Arm Cortex-M33可编程应用处理器，配备1 MB非易失性存储器 (NVM) 和 256 KB RAM，用于收集和处理来自声学传感器的数据。这些模块还提供充足的处理开销，可根据需要安装其他传感器。例如，霍尔滕市政府最终版本的管道监控解决方案将包括一个三轴加速度计，用于监控传感器在管道上的位置，以确保传感器不会被无意移动，例如维修人员在进行其他工作时不小心接触到传感器。

同时，nRF91系列模块具有+23 dBM最大发射功率，即使在信号条件不佳的地区亦确保可通过LTE-M和NB-IoT进行远距离通信。对于将系统安装在地下几米深处的应用(如水管监测应用)，这是必不可少的。出于同样的原因，低功耗还能确保维护人员不必频繁在难以到达的地方更换电池，随着传感器网络扩展到数千个或数万个，重要性也与日俱增。

在霍尔滕市政府的项目中，传感器的电池寿命超过五年，这部分归功于nRF91系列的低功耗特性，如支持PSM和eDRX省电模式。

随着欧盟和其他国家继续立法规定可接受的饮用水漏损阈值，我们将看到物联网传感器和蜂窝物联网的应用越来越广泛，以帮助供水机构和政府实现这些目标。目前，“零水漏损”可能仍是难以达成的梦想，但尽力缩小水资源缺口，对全球人口和环境来说仍然至关重要。

参考资料

1.   堵漏：减少水资源损失及其经济影响的创新解决方案。《全球水资源情报》，2025年3月

2.  欧盟敦促监测并减少水漏损。《欧洲水务新闻》2022 年 12 月