农村供水保障下的安全数据组网方式规划设计研究

2023-03-08詹健扬

水利科学与寒区工程 2023年1期

詹健扬

(东莞市水务集团供水有限公司，广东东莞 523000)

目前虽然建立的较多的信息化和数字化系统，供水管网具有规模庞大、结构复杂、用水随机性强的特点；在农村饮用水安全数据传输方面还存在着较大的短板和不足，因为农村的供水组网与其他设备组网相比较，有着较为特殊的特点，主要表现在农村本身信息化设备管护薄弱，安装于室外、环境恶劣、长距离传输，如此便会导致系统稳定性不够、容易出现掉线等故障、管理维护成本较高。

无线传感网络在现实生活中应用前景广阔、潜力巨大，被认为是能够改变生活的高新技术之一。使用无线传感网络对供水管网进行全方位、多层次的监测，具有成本低廉、感知能力强、计算能力强、通信能力强的特点。利用自组织的方式构成多节点智能网络，保证对管网正常运行进行监测，提升管网运行的安全性和可靠性。

由于农村供水管网的管理与监测的复杂性，利用计算机和网络技术对供水管网进行全面的智能化管理成为了适应社会发展的必然选择。目前已进行了利用基于ZigBee无线传感器网络的供水管道漏水现象进行研究，利用GPRS进行城乡供水系统搭建等研究。本文主要通过分析现状农村供水工程信息化系统存在的问题，规划研究提出一种高效安全满足农村现实条件的供水保障安全数据组网方式，保障农村供水工程监测和管理[1-3]。

1 现状网络框架

现在大部分的供水系统中，主要对水源地和供水站进行系统化、网络化管理。具体的网络框架结构图如图1所示。

图1 现状农村供水网络结构流程

这种网络结构，通过运营商提供的网络模块对水源地的水位、水量、水质等数据进行传输；然后将所采集的数据实际上传至网络终端，数据通过监控中心进行汇总分析后可以实施一定的动作，比如开关阀门、远程报警。供水站的管理基本与上述水源地的管理模式相同，区别主要是供水站所采集的信息更多[4]。

通过对上述网络结构进行分析，水源地和供水站的信息管理处于一个相对独立的状态，不能形成一个有效统一的调度管理系统。这种模式存在着两个较大的问题，一是农村地区地势复杂，导致运营商网络的覆盖面不够统一，信号强度不一，很多偏远地区站点的网络信号不理想，导致测试设备经常性地出现掉线问题，与监控中心的数据传输不稳定，造成数据不完整等问题。二是监控中心缺乏强有力的大数据处理能力，所有的数据不经处理传输到监控中心，所有设备均是直接与监控中心相连接，导致监控中心负荷较大，数据处理能力不达标，且数据处理耗时长，不能充分实现快速有效的处理数据，无法保障数据安全可靠的运输，存在一定的数据管理盲区，使得网络信息管理系统可靠性大大降低，带来了一定供水隐患[5]。

2 优化数据组网方式

为了有效保证组网的稳定运行，一是在现有信息系统上，增设一处作为数据中转使用的物联网中心站；二是综合考虑水源地、中心站、供水站之间的相对距离、位置及网络覆盖强度，全面优化农村供水数据安全组网方式和数据传输，保障测试设备与数据处理中心之间能够有效链接，数据传输稳定，设备不掉线。大大地提高整个网络架构的稳定性、降低系统故障率，保证整个系统的数据传输稳定、处理及时，使整个系统易于维护。经过优化以后的农村供水安全数据组网结构如图2所示。

由图2可以看出，优化完善以后的供水保障组网结构数据传输方式主要有3种。一是水源地将数据传输到供水站，然后数据进入物流中心站，最终进入云数据处理中心；二是供水站较远的情况，供水站的数据传输至水源地后，再依次进入中心站以及云数据中心进行数据处理；三是水源地、供水站到中心站的距离大致相等，这种情况下水源地与供水站的数据直接传输到中心站，然后数据进入云数据处理中心进行数据处理。

图2 优化后的农村供水数据组网

3 组网模式分析

新型的组网模式一共有3种。模式一(图3)适用于供水站设置在水源地与中心站之间，此情况下通过物联网模块先行建立通信，将水远低于供水站先进行连接，这时数据是从水源地至供水站。实现水源地和供水站的数据先行共享，进行处理后，可以独立实现水源输送和水量调节的调度控制。这样，水源地通过光纤、ZigBee、以太网或LoRa自建通信网络与供水站进行连接，可以充分保证数据传输以及系统稳定可靠。

图3 模式一数据传输网络结构

模式二(图4)所使用的条件是水源地在供水站与中心站的中间，供水站与水源地按照同样的方式进行连接，此时的数据传输方式是将供水站的数据传输到水源地终端上，进行初步的整合处理。同时，供水站和水源地之间模式与第一种组网方式原理一致，实现原水输送和水量调节的调度控制目的。经分析，该模式下的布网同样可靠。

图4 模式二数据传输网络结构

模式三(图5)适用于水源地、供水站与中心站的分布不在同一条直线，分布近似的呈三角形的情形，在这种情形下，则采用水源地与供水站直接向中心站直接传输数据的独立通信。将水源地与供水站分别与中心站单独实现通信，进行数据传输；借助中心站实现了数据共享，能够保障水源输送、水量调节的调度控制功能。这种模式通过中心站作为数据传输的中转平台，保证了供水站与水源地之间的数据贡献，进行数据处理，保证了供水管网的稳定性[6]。

图5 模式三数据传输网络结构

在上述网络布局模式中，需要确保中心站与云数据中心之间的通信和远程传输效果。必须选择性能优异、价格实惠的运营商网络。中心站应设置在营商网络信号良好的位置，并应设置在具有良好信号的供水站、水源地和村庄高层建筑。中心站不仅要实现水源地与供水站之间的良好通信，还要携带运营商网络模块与云数据中心进行数据计算通信。

尽管在上述网络布局中添加了中央站模块，但设备的总体组成确实有所减少。因为过去网络架构需要在每个供水站和水源地具备网络条件，实现与监控中心的通信，新型的组网方式只需要在中心站具备网络条件即可。在采购和安装成本方面，运营商网络模块远远高于LoRa物联网模块，同时物联网模块功耗极低，对电力要求低，节约能源[7-8]。

同时尽可能地利用自组网无线通信协议，使用这种通信协议的优点主要有以下几方面。单字节地质和小数据包。为一个网络提供254个设备地址，极大地满足了各个管网监测节点需要。同时每个节点发送数据负载小，可以轻松运行在低端8位单片机及其以上的设备，减少了设备研发成本。符合国内无线通信管理的要求。整个系统整体可以根据实际情况进行二次尝试等应急操作，确保路线随时连通，实现自由组网无线通信。而且这套系统不需要专门的中心网关设备，大大地降低了成本。应用范围广泛，对现有的点对点无线技术以及模块有较好的支持，充分利用目前的点对点无线技术和模块，研发以及材料成本低。同时在后期的功能拓展中也具有较大的优势。

4 试验测试

通过选取部分环境条件比较严格的位置进行实际组网方式实际运行情况验证，选取某处运营商网络不稳定、信号不强的供水站模拟实际情况中水站的运行。使用LoRa通信协议的物联网模块，使用易佰特蓝牙模块，其载波频率区间为410.125～493.125 MHz，发射功率为30 dBm，通信距离可达10 km，遥感终端模块采用有人物联网生产的4G-DTU，支持移动，联通，电信4G高速接入，同时支持移动，联通3G和2G接入。软件功能完善，覆盖绝大多数常规应用场景。

首先对遥感终端模块所选取的网络环境不理想的供水站进行测试，配网方式使用过去的网络架构。在为期半小时的测试过程中，发现设备的掉线次数长达10次，虽然能够与远程服务器进行连接，但是出现大量的数据丢包，数据传输不完整。

然后对新型组网方式进行测试，将某个LoRa模块连接消毒监测和过滤监测传感器，置于当前供水站之中，另将一个LoRa模块置于处于运营商网络村委附近的范围内，通过串口连接物联网终端模块，经测量两个区域距离800 m，经过24 h的测试，服务器数据传输过程中不存在掉线情况，并且相关数据全面准确，充分体现了新型组网方式的优越性能，能够充分弥补目前农村供水过程中存在的数据传输丢包，结果不准确的问题，为农村供水提供强有力的技术保障。