農村供水保障下的安全數據組網方式規劃設計研究

詹健揚

(東莞市水務集團供水有限公司，廣東 東莞 523000)

目前雖然建立的較多的信息化和數字化系統，供水管網具有規模龐大、結構復雜、用水隨機性強的特點；在農村飲用水安全數據傳輸方面還存在著較大的短板和不足，因為農村的供水組網與其他設備組網相比較，有著較為特殊的特點，主要表現在農村本身信息化設備管護薄弱，安裝于室外、環境惡劣、長距離傳輸，如此便會導致系統穩定性不夠、容易出現掉線等故障、管理維護成本較高。

無線傳感網絡在現實生活中應用前景廣闊、潛力巨大，被認為是能夠改變生活的高新技術之一。使用無線傳感網絡對供水管網進行全方位、多層次的監測，具有成本低廉、感知能力強、計算能力強、通信能力強的特點。利用自組織的方式構成多節點智能網絡，保證對管網正常運行進行監測，提升管網運行的安全性和可靠性。

由于農村供水管網的管理與監測的復雜性，利用計算機和網絡技術對供水管網進行全面的智能化管理成為了適應社會發展的必然選擇。目前已進行了利用基于ZigBee無線傳感器網絡的供水管道漏水現象進行研究，利用GPRS進行城鄉供水系統搭建等研究。本文主要通過分析現狀農村供水工程信息化系統存在的問題，規劃研究提出一種高效安全滿足農村現實條件的供水保障安全數據組網方式，保障農村供水工程監測和管理[1-3]。

1 現狀網絡框架

現在大部分的供水系統中，主要對水源地和供水站進行系統化、網絡化管理。具體的網絡框架結構圖如圖1所示。

圖1 現狀農村供水網絡結構流程

這種網絡結構，通過運營商提供的網絡模塊對水源地的水位、水量、水質等數據進行傳輸；然后將所采集的數據實際上傳至網絡終端，數據通過監控中心進行匯總分析后可以實施一定的動作，比如開關閥門、遠程報警。供水站的管理基本與上述水源地的管理模式相同，區別主要是供水站所采集的信息更多[4]。

通過對上述網絡結構進行分析，水源地和供水站的信息管理處于一個相對獨立的狀態，不能形成一個有效統一的調度管理系統。這種模式存在著兩個較大的問題，一是農村地區地勢復雜，導致運營商網絡的覆蓋面不夠統一，信號強度不一，很多偏遠地區站點的網絡信號不理想，導致測試設備經常性地出現掉線問題，與監控中心的數據傳輸不穩定，造成數據不完整等問題。二是監控中心缺乏強有力的大數據處理能力，所有的數據不經處理傳輸到監控中心，所有設備均是直接與監控中心相連接，導致監控中心負荷較大，數據處理能力不達標，且數據處理耗時長，不能充分實現快速有效的處理數據，無法保障數據安全可靠的運輸，存在一定的數據管理盲區，使得網絡信息管理系統可靠性大大降低，帶來了一定供水隱患[5]。

2 優化數據組網方式

為了有效保證組網的穩定運行，一是在現有信息系統上，增設一處作為數據中轉使用的物聯網中心站；二是綜合考慮水源地、中心站、供水站之間的相對距離、位置及網絡覆蓋強度，全面優化農村供水數據安全組網方式和數據傳輸，保障測試設備與數據處理中心之間能夠有效鏈接，數據傳輸穩定，設備不掉線。大大地提高整個網絡架構的穩定性、降低系統故障率，保證整個系統的數據傳輸穩定、處理及時，使整個系統易于維護。經過優化以后的農村供水安全數據組網結構如圖2所示。

由圖2可以看出，優化完善以后的供水保障組網結構數據傳輸方式主要有3種。一是水源地將數據傳輸到供水站，然后數據進入物流中心站，最終進入云數據處理中心；二是供水站較遠的情況，供水站的數據傳輸至水源地后，再依次進入中心站以及云數據中心進行數據處理；三是水源地、供水站到中心站的距離大致相等，這種情況下水源地與供水站的數據直接傳輸到中心站，然后數據進入云數據處理中心進行數據處理。

圖2 優化后的農村供水數據組網

3 組網模式分析

新型的組網模式一共有3種。模式一(圖3)適用于供水站設置在水源地與中心站之間，此情況下通過物聯網模塊先行建立通信，將水遠低于供水站先進行連接，這時數據是從水源地至供水站。實現水源地和供水站的數據先行共享，進行處理后，可以獨立實現水源輸送和水量調節的調度控制。這樣，水源地通過光纖、ZigBee、以太網或LoRa自建通信網絡與供水站進行連接，可以充分保證數據傳輸以及系統穩定可靠。

圖3 模式一數據傳輸網絡結構

模式二(圖4)所使用的條件是水源地在供水站與中心站的中間，供水站與水源地按照同樣的方式進行連接，此時的數據傳輸方式是將供水站的數據傳輸到水源地終端上，進行初步的整合處理。同時，供水站和水源地之間模式與第一種組網方式原理一致，實現原水輸送和水量調節的調度控制目的。經分析，該模式下的布網同樣可靠。

圖4 模式二數據傳輸網絡結構

模式三(圖5)適用于水源地、供水站與中心站的分布不在同一條直線，分布近似的呈三角形的情形，在這種情形下，則采用水源地與供水站直接向中心站直接傳輸數據的獨立通信。將水源地與供水站分別與中心站單獨實現通信，進行數據傳輸；借助中心站實現了數據共享，能夠保障水源輸送、水量調節的調度控制功能。這種模式通過中心站作為數據傳輸的中轉平臺，保證了供水站與水源地之間的數據貢獻，進行數據處理，保證了供水管網的穩定性[6]。

圖5 模式三數據傳輸網絡結構

在上述網絡布局模式中，需要確保中心站與云數據中心之間的通信和遠程傳輸效果。必須選擇性能優異、價格實惠的運營商網絡。中心站應設置在營商網絡信號良好的位置，并應設置在具有良好信號的供水站、水源地和村莊高層建筑。中心站不僅要實現水源地與供水站之間的良好通信，還要攜帶運營商網絡模塊與云數據中心進行數據計算通信。

盡管在上述網絡布局中添加了中央站模塊，但設備的總體組成確實有所減少。因為過去網絡架構需要在每個供水站和水源地具備網絡條件，實現與監控中心的通信，新型的組網方式只需要在中心站具備網絡條件即可。在采購和安裝成本方面，運營商網絡模塊遠遠高于LoRa物聯網模塊，同時物聯網模塊功耗極低，對電力要求低，節約能源[7-8]。

同時盡可能地利用自組網無線通信協議，使用這種通信協議的優點主要有以下幾方面。單字節地質和小數據包。為一個網絡提供254個設備地址，極大地滿足了各個管網監測節點需要。同時每個節點發送數據負載小，可以輕松運行在低端8位單片機及其以上的設備，減少了設備研發成本。符合國內無線通信管理的要求。整個系統整體可以根據實際情況進行二次嘗試等應急操作，確保路線隨時連通，實現自由組網無線通信。而且這套系統不需要專門的中心網關設備，大大地降低了成本。應用范圍廣泛，對現有的點對點無線技術以及模塊有較好的支持，充分利用目前的點對點無線技術和模塊，研發以及材料成本低。同時在后期的功能拓展中也具有較大的優勢。

4 試驗測試

通過選取部分環境條件比較嚴格的位置進行實際組網方式實際運行情況驗證，選取某處運營商網絡不穩定、信號不強的供水站模擬實際情況中水站的運行。使用LoRa通信協議的物聯網模塊，使用易佰特藍牙模塊，其載波頻率區間為410.125～493.125 MHz，發射功率為30 dBm，通信距離可達10 km，遙感終端模塊采用有人物聯網生產的4G-DTU，支持移動，聯通，電信4G高速接入，同時支持移動，聯通3G和2G接入。軟件功能完善，覆蓋絕大多數常規應用場景。

首先對遙感終端模塊所選取的網絡環境不理想的供水站進行測試，配網方式使用過去的網絡架構。在為期半小時的測試過程中，發現設備的掉線次數長達10次，雖然能夠與遠程服務器進行連接，但是出現大量的數據丟包，數據傳輸不完整。

然后對新型組網方式進行測試，將某個LoRa模塊連接消毒監測和過濾監測傳感器，置于當前供水站之中，另將一個LoRa模塊置于處于運營商網絡村委附近的范圍內，通過串口連接物聯網終端模塊，經測量兩個區域距離800 m，經過24 h的測試，服務器數據傳輸過程中不存在掉線情況，并且相關數據全面準確，充分體現了新型組網方式的優越性能，能夠充分彌補目前農村供水過程中存在的數據傳輸丟包，結果不準確的問題，為農村供水提供強有力的技術保障。

5 結 語

本文針對目前農村供水信息化系統建設中存在網絡覆蓋不全面、數據丟包等問題，提出了一種基于距離不同的多模式組網方式。利用多樣的通信協議自行搭建物聯，充分實現水源地、供水站和中心站之間穩定的數據傳輸，解決目前存在的種種問題，能夠為農村供水提供數據和技術支撐。