農(nóng)村供水安全數(shù)據(jù)保障組網(wǎng)方式設(shè)計(jì)

劉建文，屠佳恒，沈 冰

（1.縉云縣水務(wù)投資有限公司，浙江 縉云 321404；2.浙江滴石信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310052）

1 問(wèn)題的提出

2021 年9 月10 日，中華人民共和國(guó)水利部部長(zhǎng)李國(guó)英同志在國(guó)務(wù)院新聞發(fā)布會(huì)上表示，“十三五”期間，困擾眾多農(nóng)民祖祖輩輩的吃水難問(wèn)題歷史性地得到解決。然而，隨著國(guó)家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的提出與全面推進(jìn)，對(duì)農(nóng)村居民生活水平提升提出了更高的要求。下一步，水利部將不斷提升農(nóng)村飲水標(biāo)準(zhǔn)，由農(nóng)村飲水安全轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)村供水保障，向農(nóng)村供水現(xiàn)代化進(jìn)軍[1-3]。

“十三五”期間，很多地區(qū)建立了信息化和數(shù)字化系統(tǒng)，但是目前在農(nóng)村飲水安全數(shù)據(jù)傳輸方面還存在短板和不足，主要表現(xiàn)在通信網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，一些鄉(xiāng)村工程信息化設(shè)施管護(hù)薄弱等。而導(dǎo)致這些問(wèn)題的部分原因是單純依賴(lài)運(yùn)營(yíng)商的組網(wǎng)模式使得系統(tǒng)穩(wěn)定性不足、故障率高、管理維護(hù)難[4-5]。為響應(yīng)水利部號(hào)召，支持鄉(xiāng)村振興，不斷提升農(nóng)村飲水標(biāo)準(zhǔn)，保障農(nóng)村高質(zhì)高效供水，本文在對(duì)比原有農(nóng)村供水工程信息化系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種農(nóng)村供水安全數(shù)據(jù)傳輸保障系統(tǒng)組網(wǎng)方式，來(lái)提高農(nóng)村供水工程保障性監(jiān)測(cè)和管理[6]。

2 現(xiàn)有組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

目前，農(nóng)村供水工程中，通過(guò)信息化和數(shù)字化建設(shè)重點(diǎn)管理的對(duì)象主要是水源地和供水站。農(nóng)村供水工程現(xiàn)有通用信息化系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 農(nóng)村供水工程現(xiàn)有通用信息化系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

水源地的信息化管理主要利用遙測(cè)終端自帶的運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)模塊采集巡查考勤、水位、水質(zhì)、雨量、管道壓力和圖像等數(shù)據(jù)，然后通過(guò)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)（包括GPRS、4G、5G 等）將數(shù)據(jù)直接傳輸至上級(jí)管理部門(mén)自建的監(jiān)控中心，以及支持遠(yuǎn)程報(bào)警、控制管道閥門(mén)啟閉等功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)水源地的信息化管理。供水站的信息化與水源地的建設(shè)方式類(lèi)似，只是監(jiān)測(cè)參數(shù)更多。

因此，水源地和供水站的信息化管理基本處于獨(dú)立狀態(tài)，未能形成統(tǒng)一的調(diào)度管理系統(tǒng)。更重要的2 點(diǎn)，一是運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)村地區(qū)分布不均勻，很多偏遠(yuǎn)地區(qū)站點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不理想，導(dǎo)致遙測(cè)終端經(jīng)常掉線(xiàn)，很難登錄監(jiān)控中心軟件平臺(tái)，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)無(wú)法正常傳輸出去。二是自建監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)處理能力弱以及所有站點(diǎn)直接接入自建監(jiān)控中心使得遙測(cè)終端接入數(shù)量多，導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收軟件處理能力達(dá)不到要求，因此未能實(shí)現(xiàn)信息化系統(tǒng)利用的最大化，無(wú)法保障農(nóng)村飲水安全數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，對(duì)管理造成一定影響。

3 優(yōu)化后組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

為解決上述問(wèn)題，在系統(tǒng)中增加物聯(lián)網(wǎng)中心站，然后根據(jù)水源地、供水站和中心站三者之間的地理位置關(guān)系和運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的覆蓋程度，對(duì)農(nóng)村供水工程信息化建設(shè)的組網(wǎng)方式、數(shù)據(jù)傳輸模式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保障遙測(cè)終端的永久在線(xiàn)和數(shù)據(jù)傳輸通暢，可解決現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)穩(wěn)定性不足、故障率高、管理維護(hù)難等問(wèn)題，極大提高農(nóng)村飲水工程安全數(shù)據(jù)的正常傳輸。本文所涉及的農(nóng)村供水工程安全數(shù)據(jù)傳輸保障系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 農(nóng)村供水工程安全數(shù)據(jù)傳輸保障系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

由圖2 可知，農(nóng)村供水工程安全數(shù)據(jù)傳輸保障系統(tǒng)組網(wǎng)方式有3 種：①水源地→供水站→中心站→云數(shù)據(jù)中心；②供水站→水源地→中心站→云數(shù)據(jù)中心；③水源地→中心站→云數(shù)據(jù)中心，供水站→中心站→云數(shù)據(jù)中心。

4 組網(wǎng)方式分析

本文涉及的3 種組網(wǎng)方式分析如下：

方式一：水源地→供水站→中心站→云數(shù)據(jù)中心（見(jiàn)圖3）。如果供水站處于水源地和中心站的中間位置，利用物聯(lián)網(wǎng)模塊自建網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，將水源地與供水站先聯(lián)網(wǎng)，即數(shù)據(jù)傳輸方向?yàn)樗吹亍┧?。?shù)據(jù)采集時(shí)將水源地的數(shù)據(jù)先發(fā)送至對(duì)應(yīng)供水站的物聯(lián)網(wǎng)終端，同時(shí)水源地和供水站之間的數(shù)據(jù)可以共享，實(shí)現(xiàn)原水輸送、制水用水的自動(dòng)調(diào)度與控制。因此，方式一通過(guò)光纖、以太網(wǎng)、ZigBee 或LoRa 自建通信網(wǎng)絡(luò)，能保證水源地與供水站之間的通信穩(wěn)定可靠。

圖3 水源地、供水站與中心站數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

方式二：供水站→水源地→中心站→云數(shù)據(jù)中心（見(jiàn)圖4）。如果水源地在供水站與中心站之間，同樣將供水站與水源地先聯(lián)網(wǎng)，即數(shù)據(jù)傳輸方向?yàn)楣┧尽吹兀瑪?shù)據(jù)采集時(shí)將供水站的數(shù)據(jù)先發(fā)送至對(duì)應(yīng)水源地的物聯(lián)網(wǎng)終端上。同時(shí)，供水站和水源地之間的數(shù)據(jù)可以共享，實(shí)現(xiàn)原水輸送、制水用水的自動(dòng)調(diào)度與控制。因此，方式二自建的通信網(wǎng)絡(luò)同樣可以保證供水站與水源地之間的通信穩(wěn)定可靠。

圖4 供水站、水源地與中心站數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

方式三：水源地→中心站→云數(shù)據(jù)中心，供水站→中心站→云數(shù)據(jù)中心（見(jiàn)圖5）。如果水源地、供水站與中心站的位置成分散的三角形分布，則采用水源地→中心站、供水站→中心站的獨(dú)立通信方式。將水源地?cái)?shù)據(jù)和供水站數(shù)據(jù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)終端分別與中心站的物聯(lián)網(wǎng)模塊直接通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)水源地和供水站之間的數(shù)據(jù)通過(guò)中心站物聯(lián)網(wǎng)終端也可以共享，實(shí)現(xiàn)原水輸送、制水用水的自動(dòng)調(diào)度與控制。因此，方式三自建的通信網(wǎng)絡(luò)同樣可以保證水源地與中心站、供水站與中心站之間的通信穩(wěn)定可靠。

圖5 水源地與中心站、供水站與中心站數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

由于中心站還要實(shí)現(xiàn)與云數(shù)據(jù)中心通信及遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，適合選擇穩(wěn)定、安全、廉價(jià)的運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)如GPRS、4G 或5G，因此中心站的選擇必須具備良好的運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，可以是信號(hào)較好的供水站、水源地或者村委辦公大樓等。中心站不僅要配置物聯(lián)網(wǎng)模塊用于實(shí)現(xiàn)與水源地、供水站之間的通信，還要配置運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)模塊，用于實(shí)現(xiàn)與云數(shù)據(jù)中心的通信（見(jiàn)圖6）。

圖6 中心站與云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

雖然增加中心站，但是設(shè)備成本下降。因?yàn)樵薪M網(wǎng)方式在供水站和水源地都需要安裝運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)模塊與監(jiān)控中心直接通信，而將運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)模塊轉(zhuǎn)移至中心站后，供水站和水源地只需要安裝一個(gè)LoRa 物聯(lián)網(wǎng)模塊。相對(duì)于運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)模塊的價(jià)格，LoRa 物聯(lián)網(wǎng)模塊可忽略不計(jì)，而且LoRa 物聯(lián)網(wǎng)模塊支持超低功耗運(yùn)行，可大大簡(jiǎn)化供水站和水源地的供電配置。采用本文設(shè)計(jì)的中心站方式能明顯提升通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，保障數(shù)據(jù)傳輸。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為驗(yàn)證該組網(wǎng)方式的可行性與可靠性，選取運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的某供水站進(jìn)行設(shè)備登錄和數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)測(cè)試。物聯(lián)網(wǎng)模塊采用LoRa 通信方式，設(shè)備型號(hào)為億佰特工業(yè)級(jí)模塊E90-DTU（433L30），遙測(cè)終端模塊采用有人4G-DTU，型號(hào)為USR-G780 V2。

首先將USR-G780 V2 模塊放置在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的某供水站進(jìn)行登錄和數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試，并采用目前農(nóng)村供水工程組網(wǎng)方式。測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，僅10 min 左右，設(shè)備掉線(xiàn)達(dá)3 次，雖然能夠連接到遠(yuǎn)程服務(wù)器，但對(duì)數(shù)據(jù)傳輸造成較大影響。

然后將其中一個(gè)LoRa 模塊E90-DTU 連接消毒檢測(cè)和過(guò)濾監(jiān)測(cè)傳感器，并放置在當(dāng)前供水站中，將另外一個(gè)LoRa 模塊E90-DTU 放置在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)村委附近區(qū)域，同時(shí)通過(guò)串口連接至USR-G780 V2，采用優(yōu)化后的組網(wǎng)方式，兩個(gè)區(qū)域距離800 m左右。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，USR-G780 V2 模塊連接遠(yuǎn)程服務(wù)器穩(wěn)定，而且消毒、過(guò)濾數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定且正確，表明該組網(wǎng)方式比原組網(wǎng)方式性能優(yōu)越，可用來(lái)解決目前農(nóng)村供水工程中存在的部分供水站和水源地因運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)分布不均勻?qū)е碌臄?shù)據(jù)通信不穩(wěn)定問(wèn)題，有助于保障農(nóng)村供水安全數(shù)據(jù)正常傳輸。

6 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)農(nóng)村供水工程現(xiàn)有信息化和數(shù)字化系統(tǒng)中采用運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)存在的問(wèn)題，并考慮到農(nóng)村運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)覆蓋不均勻，優(yōu)化設(shè)計(jì)一種以自建物聯(lián)網(wǎng)和運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的組網(wǎng)方式?？衫霉饫w、以太網(wǎng)、ZigBee 或LoRa 等自建物聯(lián)網(wǎng)的方式，靈活實(shí)現(xiàn)水源地、供水站和中心站之間穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，有效解決由于之前運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋弱導(dǎo)致的數(shù)據(jù)通信不穩(wěn)定問(wèn)題。另外，利用云數(shù)據(jù)中心強(qiáng)大的數(shù)據(jù)接收、處理能力以及云平臺(tái)、PC端和手機(jī)APP 的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可為農(nóng)村供水保障提供穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)保障農(nóng)村供水具有實(shí)際意義。