《Inventions》：A Distributed, Energy-Autonomous Multi-Sensor IoT System for Monitoring and Reducing Water Losses in Distribution Networks
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本文提出一种分布式能量自主多传感器物联网系统（beWater Drop），集成流量、压力与声学传感、远程通信（LoRa）与嵌入式液压执行功能，通过边缘计算实现供水管网（WDN）的实时监测与主动控制，为水资源管理提供创新性技术解决方案。
分布式能量自主多传感器物联网系统在供水管网监测与控制中的应用研究
摘要
水资源是人类社会发展的基础性资源，其可持续管理面临自然因素与基础设施老化的双重挑战。本文提出了一种名为beWater Drop的创新型物联网系统，通过集成多传感器监测、边缘计算和自主供能技术，实现对供水管网（Water Distribution Networks, WDN）的实时监控与主动干预。
系统架构与核心技术
beWater Drop系统采用模块化设计，每个节点包含嵌入式系统（ESP32-S3微控制器）、传感模块（数字流量计、压力传感器、模拟/数字麦克风）、执行机构（电机化球阀）和能源系统（太阳能电池板+铅酸电池）。系统通过SysML建模语言进行架构设计，确保各组件协同工作。传感数据通过LoRa技术传输至网关，再经MQTT协议上传至时序数据库（TimescaleDB），最终通过ThingsBoard平台进行可视化展示。
声学监测模块采用双麦克风设计：模拟麦克风通过信号调理电路（施密特触发器）检测声强峰值，数字麦克风（INMP441）通过I2S接口录制音频文件（WAV格式），存储于SPIFFS文件系统。压力与流量数据通过ADC模块采集，采样频率优化至3.3 kSPS以满足实时性需求。
液压控制与通信机制
系统通过H桥电路驱动电机化球阀，实现管道的开闭控制。通信系统采用星型拓扑，节点与网关间通过LoRa传输数据（最远覆盖4公里），网关通过Wi-Fi将数据转发至服务器。节点内置HTTP配置门户，支持远程参数调整（如采样周期、阀门控制策略）。
实验验证与性能分析
模块测试验证了各组件的可靠性：ADC电压测量误差小于1%，声学触发灵敏度可调，LoRa通信在开阔地带传输距离达4公里。系统集成测试模拟真实灌溉场景，成功捕获压力下降曲线（150 kPa至稳定值）与流量脉冲计数，验证了多传感器数据协同分析的有效性。实地部署于马德里理工大学温室灌溉系统，系统在16毫米滴灌管道中稳定运行，成功监测到灌溉周期内的压力波动与流量变化。
创新性与应用前景
beWater Drop系统的核心创新在于将多传感器监测、边缘决策与液压执行集成于单一节点，突破传统SCADA系统的集中式架构限制。其能量自主特性支持无电网环境部署，为偏远地区水资源管理提供解决方案。系统可应用于漏损检测（声学+液压数据关联）、非法用水识别、精准灌溉控制等领域，对提升供水管网效率具有重要实践意义。
结论
本研究通过硬件设计、软件开发与实地验证，证明了分布式物联网系统在供水管网监控中的可行性。系统的多传感器融合策略与边缘控制能力为水资源可持续管理提供了新的技术路径，未来可通过扩展传感器类型（如水质监测）进一步优化系统功能。
