农村供水安全数据保障组网方式设计

刘建文，屠佳恒，沈 冰

（1.缙云县水务投资有限公司，浙江 缙云 321404；2.浙江滴石信息技术有限公司，浙江 杭州 310052）

1 问题的提出

2021 年9 月10 日，中华人民共和国水利部部长李国英同志在国务院新闻发布会上表示，“十三五”期间，困扰众多农民祖祖辈辈的吃水难问题历史性地得到解决。然而，随着国家乡村振兴战略的提出与全面推进，对农村居民生活水平提升提出了更高的要求。下一步，水利部将不断提升农村饮水标准，由农村饮水安全转变为农村供水保障，向农村供水现代化进军[1-3]。

“十三五”期间，很多地区建立了信息化和数字化系统，但是目前在农村饮水安全数据传输方面还存在短板和不足，主要表现在通信网络不稳定，一些乡村工程信息化设施管护薄弱等。而导致这些问题的部分原因是单纯依赖运营商的组网模式使得系统稳定性不足、故障率高、管理维护难[4-5]。为响应水利部号召，支持乡村振兴，不断提升农村饮水标准，保障农村高质高效供水，本文在对比原有农村供水工程信息化系统组网结构的基础上，设计一种农村供水安全数据传输保障系统组网方式，来提高农村供水工程保障性监测和管理[6]。

2 现有组网结构

目前，农村供水工程中，通过信息化和数字化建设重点管理的对象主要是水源地和供水站。农村供水工程现有通用信息化系统组网结构见图1。

图1 农村供水工程现有通用信息化系统组网结构图

水源地的信息化管理主要利用遥测终端自带的运营商网络模块采集巡查考勤、水位、水质、雨量、管道压力和图像等数据，然后通过运营商网络（包括GPRS、4G、5G 等）将数据直接传输至上级管理部门自建的监控中心，以及支持远程报警、控制管道阀门启闭等功能，来实现水源地的信息化管理。供水站的信息化与水源地的建设方式类似，只是监测参数更多。

因此，水源地和供水站的信息化管理基本处于独立状态，未能形成统一的调度管理系统。更重要的2 点，一是运营商网络在农村地区分布不均匀，很多偏远地区站点的网络信号不理想，导致遥测终端经常掉线，很难登录监控中心软件平台，导致采集的数据无法正常传输出去。二是自建监控中心的数据处理能力弱以及所有站点直接接入自建监控中心使得遥测终端接入数量多，导致数据接收软件处理能力达不到要求，因此未能实现信息化系统利用的最大化，无法保障农村饮水安全数据稳定传输，对管理造成一定影响。

3 优化后组网结构

为解决上述问题，在系统中增加物联网中心站，然后根据水源地、供水站和中心站三者之间的地理位置关系和运营商网络信号的覆盖程度，对农村供水工程信息化建设的组网方式、数据传输模式进行优化设计，保障遥测终端的永久在线和数据传输通畅，可解决现有数据传输系统稳定性不足、故障率高、管理维护难等问题，极大提高农村饮水工程安全数据的正常传输。本文所涉及的农村供水工程安全数据传输保障系统组网结构见图2。

图2 农村供水工程安全数据传输保障系统组网结构图

由图2 可知，农村供水工程安全数据传输保障系统组网方式有3 种：①水源地→供水站→中心站→云数据中心；②供水站→水源地→中心站→云数据中心；③水源地→中心站→云数据中心，供水站→中心站→云数据中心。

4 组网方式分析

本文涉及的3 种组网方式分析如下：

方式一：水源地→供水站→中心站→云数据中心（见图3）。如果供水站处于水源地和中心站的中间位置，利用物联网模块自建网络进行通信，将水源地与供水站先联网，即数据传输方向为水源地→供水站。数据采集时将水源地的数据先发送至对应供水站的物联网终端，同时水源地和供水站之间的数据可以共享，实现原水输送、制水用水的自动调度与控制。因此，方式一通过光纤、以太网、ZigBee 或LoRa 自建通信网络，能保证水源地与供水站之间的通信稳定可靠。

图3 水源地、供水站与中心站数据传输网络结构图

方式二：供水站→水源地→中心站→云数据中心（见图4）。如果水源地在供水站与中心站之间，同样将供水站与水源地先联网，即数据传输方向为供水站→水源地，数据采集时将供水站的数据先发送至对应水源地的物联网终端上。同时，供水站和水源地之间的数据可以共享，实现原水输送、制水用水的自动调度与控制。因此，方式二自建的通信网络同样可以保证供水站与水源地之间的通信稳定可靠。

图4 供水站、水源地与中心站数据传输网络结构图

方式三：水源地→中心站→云数据中心，供水站→中心站→云数据中心（见图5）。如果水源地、供水站与中心站的位置成分散的三角形分布，则采用水源地→中心站、供水站→中心站的独立通信方式。将水源地数据和供水站数据通过物联网终端分别与中心站的物联网模块直接通信，实现数据传输。同时水源地和供水站之间的数据通过中心站物联网终端也可以共享，实现原水输送、制水用水的自动调度与控制。因此，方式三自建的通信网络同样可以保证水源地与中心站、供水站与中心站之间的通信稳定可靠。

图5 水源地与中心站、供水站与中心站数据传输网络结构图

由于中心站还要实现与云数据中心通信及远距离数据传输，适合选择稳定、安全、廉价的运营商网络如GPRS、4G 或5G，因此中心站的选择必须具备良好的运营商网络，可以是信号较好的供水站、水源地或者村委办公大楼等。中心站不仅要配置物联网模块用于实现与水源地、供水站之间的通信，还要配置运营商网络模块，用于实现与云数据中心的通信（见图6）。

图6 中心站与云数据中心网络结构图

虽然增加中心站，但是设备成本下降。因为原有组网方式在供水站和水源地都需要安装运营商网络模块与监控中心直接通信，而将运营商网络模块转移至中心站后，供水站和水源地只需要安装一个LoRa 物联网模块。相对于运营商网络模块的价格，LoRa 物联网模块可忽略不计，而且LoRa 物联网模块支持超低功耗运行，可大大简化供水站和水源地的供电配置。采用本文设计的中心站方式能明显提升通信网络稳定性，保障数据传输。

5 实验测试

为验证该组网方式的可行性与可靠性，选取运营商网络不稳定的某供水站进行设备登录和数据传输实验测试。物联网模块采用LoRa 通信方式，设备型号为亿佰特工业级模块E90-DTU（433L30），遥测终端模块采用有人4G-DTU，型号为USR-G780 V2。

首先将USR-G780 V2 模块放置在运营商网络不稳定的某供水站进行登录和数据传输测试，并采用目前农村供水工程组网方式。测试过程中发现，仅10 min 左右，设备掉线达3 次，虽然能够连接到远程服务器，但对数据传输造成较大影响。

然后将其中一个LoRa 模块E90-DTU 连接消毒检测和过滤监测传感器，并放置在当前供水站中，将另外一个LoRa 模块E90-DTU 放置在运营商网络村委附近区域，同时通过串口连接至USR-G780 V2，采用优化后的组网方式，两个区域距离800 m左右。测试发现，USR-G780 V2 模块连接远程服务器稳定，而且消毒、过滤数据传输稳定且正确，表明该组网方式比原组网方式性能优越，可用来解决目前农村供水工程中存在的部分供水站和水源地因运营商网络分布不均匀导致的数据通信不稳定问题，有助于保障农村供水安全数据正常传输。

6 结语

本文根据农村供水工程现有信息化和数字化系统中采用运营商网络进行组网存在的问题，并考虑到农村运营商网络覆盖不均匀，优化设计一种以自建物联网和运营商网络相结合的组网方式。可利用光纤、以太网、ZigBee 或LoRa 等自建物联网的方式，灵活实现水源地、供水站和中心站之间稳定的数据传输，有效解决由于之前运营商网络信号覆盖弱导致的数据通信不稳定问题。另外，利用云数据中心强大的数据接收、处理能力以及云平台、PC端和手机APP 的监测数据，可为农村供水保障提供稳定可靠的基础数据，对保障农村供水具有实际意义。