ZigBee通訊技術(shù)在節(jié)水灌溉工程中的運用

楊智+葛俊榮

摘 要：文章以麗江市拉市鎮(zhèn)海南片區(qū)規(guī)模化高效節(jié)水灌溉項目為例，分析了節(jié)水灌溉管理控制系統(tǒng)信息化、自動化過程中，對通訊功能的需求，結(jié)合目前可選的通訊方式特點，提出在節(jié)灌工程中，采用ZigBee通訊技術(shù)解決通訊問題，并給出了應(yīng)用設(shè)計的具體建議。

關(guān)鍵詞：節(jié)水灌溉工程；通訊方式選擇；ZigBee通訊；應(yīng)用設(shè)計

中圖分類號：TU991.64 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）21-0153-02

1 工程需求

在節(jié)水灌溉工程設(shè)計中，為了讓投入大量資金建成的管網(wǎng)系統(tǒng)高效有序運行，真正實現(xiàn)科學(xué)灌溉、節(jié)水灌溉，使灌溉管網(wǎng)和節(jié)水設(shè)備真正發(fā)揮作用，培養(yǎng)使用人群的節(jié)水意識。配套的計量管理系統(tǒng)必須同步到位，否則，只要部分用戶沒有按照設(shè)計準(zhǔn)則進行灌溉，就會導(dǎo)致水資源緊缺，系統(tǒng)灌溉功能或灌溉面積縮水，整個系統(tǒng)不能按照設(shè)計要求工作，局部癱瘓甚至系統(tǒng)受到破壞等嚴(yán)重的后果。

控制和管理最有效的手段就是用水計量收費。節(jié)水灌溉系統(tǒng)管網(wǎng)復(fù)雜，節(jié)點眾多，計量系統(tǒng)終端數(shù)量多，分布相對集中，相互之間距離短，通訊數(shù)據(jù)流量不大，工作的間歇性比較明顯。

以麗江市玉龍縣拉市鎮(zhèn)海南片區(qū)規(guī)模化高效節(jié)水灌溉項目為例，本項目位于玉龍縣拉市鎮(zhèn)，項目建設(shè)范圍為拉市壩區(qū)拉市海以南的三個村委會的集中連片耕地。設(shè)計建設(shè)效節(jié)水灌溉工程面積1.67萬畝，均為微灌。布置給水栓1949處，每個給水栓設(shè)置一套節(jié)水灌溉計量管理終端機，用于識別用戶并對用戶用水計量。用戶采用射頻卡預(yù)存水費、刷卡取水。

據(jù)測算，系統(tǒng)運行成本水價0.25元/m3。運行成本水價折合40.5元/畝。由于農(nóng)業(yè)有補貼政策，實際收取的水費不會高于這個價格。平均每個給水栓收取水費347元。

為解決自動計量收費問題，必須首先解決1949個終端的通訊問題。如果采用公眾手機卡，按目前最低的套餐10元計算，單是通訊費，每個給水栓每年的通訊費就是120元。水費的1/3都用來付通訊費，顯然這個成本太高了。

為了解決大量終端的通訊問題，降低成本，需要采用新的通訊方式。

本工程的通訊系統(tǒng)有以下特點，這也是節(jié)水灌溉工程的共同特點。

（1）通訊距離短。根據(jù)設(shè)計方案，每兩個相鄰的給水栓之間，的直線距離，不超過100m。所有的給水栓比較集中，分布在南北最大距離5.2km，東西6.8km的范圍內(nèi)。（2）系統(tǒng)功耗低。系統(tǒng)終端數(shù)量多，受成本控制，供電困難，只能采用太陽能加蓄電池的供電方式。電磁閥們的啟閉能耗較高，其他部分的功耗都必須很低，才能維持系統(tǒng)的運行。（3）系統(tǒng)容量大。每個出水栓可灌溉的面積有限，大面積節(jié)水灌溉工程的計量終端數(shù)量十分龐大，對系統(tǒng)容量要求較高。（4）數(shù)據(jù)流量不大。單個終端的信息數(shù)據(jù)量并不大，只有這杯狀態(tài)，時間，水量等較少的數(shù)據(jù)，而且水量數(shù)據(jù)等信息變化很慢，數(shù)據(jù)流量很小。（5）通訊費用低。終端數(shù)量多，而且長期連續(xù)值守。系統(tǒng)對通訊費用比較敏感，最好自組網(wǎng)，而不采用公眾網(wǎng)絡(luò)。（6）設(shè)備成本低。終端計量裝置必須包含供電系統(tǒng)、電磁閥、通訊及控制系統(tǒng)。以目前的技術(shù)條件看，供電系統(tǒng)、電磁閥的成本很難進一步壓縮。降低成本的主要方面就在于優(yōu)化集成通訊及控制系統(tǒng)。（7）可靠。可靠性直接影響到田地的灌溉，灌溉功能障礙頻頻，會引起用戶對控制系統(tǒng)的抵觸情緒，控制管理難以進入良性循環(huán)，危及系統(tǒng)的安全和可持續(xù)發(fā)展能力。

2 通訊方式選擇

根據(jù)系統(tǒng)對通訊的要求，對當(dāng)前比較流行的通訊方式的主要特點的調(diào)查分析，完成了表1：

通過表1的比較，ZigBee技術(shù)能滿足灌溉系統(tǒng)的要求，在功耗和費用成本方面都具有明顯的優(yōu)勢。

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低速率、低成本、低功耗、低復(fù)雜度的雙向無線通訊技術(shù)。特別適用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸，在低反應(yīng)時間、有周期性和間歇性數(shù)據(jù)傳輸中，低成本、低功耗優(yōu)勢十分明顯。

ZigBee技術(shù)主要是為工農(nóng)業(yè)現(xiàn)場自動化監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸而創(chuàng)立的，它的另外一個突出特點就是容量大。在整個網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)，任何一個ZigBee模塊之間都可以相互通信。每個節(jié)點不僅本身可以作為監(jiān)控對象，直接進行其所連接的傳感器數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料，同時又具有中繼站的作用。在ZigBee通訊網(wǎng)絡(luò)中，每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（FFD）還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點（RFD）無線連

接。

理論上ZigBee無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺組網(wǎng)無線數(shù)傳模塊節(jié)點數(shù)量，可以達到65535個。

通訊距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m基礎(chǔ)上，不斷擴展。在海南片區(qū)灌溉項目中，擴展到150m以后，則每個模塊至少可以和周邊的4個相鄰模塊通訊。位于中部的模塊，可以通訊的最少模塊數(shù)達到6個。

ZigBee技術(shù)在節(jié)水灌溉工程中應(yīng)用的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點：（1）成本低：ZigBee模塊的造價目前已經(jīng)降到40元人民幣以內(nèi)，加上ZigBee協(xié)議沒有專利費，制造和使用成本極低。（2）容量大：Zigbee網(wǎng)絡(luò)由多個星型結(jié)構(gòu)組成，每個星型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備。單個區(qū)域內(nèi)可以容納最多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)容量理論節(jié)點為65535個，只需要1個主機就能實現(xiàn)全面覆蓋。（3）功耗低：ZigBee的數(shù)據(jù)傳輸速率低，其發(fā)射功率僅為1mW。由于設(shè)備休眠激活的時延僅有15ms，方便采用休眠模式，進一步功耗低。因此ZigBee設(shè)備非常省電。僅靠兩節(jié)干電池供電，就可以至少維持通訊系統(tǒng)半年的使用時間，這一點上，其它無線設(shè)備均難以匹敵。（4）數(shù)據(jù)傳輸可靠：ZigBee的自組網(wǎng)的功能讓系統(tǒng)中的每個節(jié)點之間都能建立起聯(lián)系，信息可通過每個節(jié)點模塊間的線路進行傳輸，傳輸信息的可靠性大為提高，眾多的路徑選擇，是的數(shù)據(jù)不會輕易掉線。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采取了避免碰撞策略，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的路徑競爭和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。一旦傳輸過程中出現(xiàn)問題，系統(tǒng)會自動進行重發(fā)。（5）數(shù)據(jù)傳輸安全：ZigBee采用了AES-128的加密算法，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，可以靈活應(yīng)用基于循環(huán)冗余校驗（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能。2.4GHz，868MHz及915MHz的使用頻段均為免執(zhí)照頻段，方便易用。

3 應(yīng)用設(shè)計

為了使系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定可靠，提高系統(tǒng)的耐久性和使用便利性，在實際設(shè)計生產(chǎn)中，還可采取多種措施，在以下三個方面提升強化系統(tǒng)的性能。

3.1 系統(tǒng)硬件

（1）采用高性能工業(yè)級ZigBee芯片，以提高芯片的可靠度和耐用性。（2）采用多級休眠和喚醒模式，盡可能降低功耗。（3）采用太陽能+蓄電池方案，每個終端自主供電。

3.2 穩(wěn)定強化措施

（1）采用WDT看門狗設(shè)計，加強系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性。（2）提供TTL串行接口和SPI接口。增強系統(tǒng)的通用性和維護升級便利。（3）預(yù)留天線接口，采取防雷保護，增強系統(tǒng)的保護和適應(yīng)能力。

3.3 便利措施

（1）采用智能型數(shù)據(jù)模塊，便于數(shù)據(jù)讀寫和安全性，保護用戶的財務(wù)數(shù)據(jù)安全。（2）豐富的系統(tǒng)配置和維護接口。（3）支持串口軟件升級和遠程維護。

這些措施，可以進一步突出ZigBee技術(shù)在灌溉系統(tǒng)中運用的優(yōu)點，強化系統(tǒng)的穩(wěn)定性、持久性，發(fā)揮其易用易維護的技術(shù)優(yōu)勢。為節(jié)水灌溉系統(tǒng)的管理運行提供強有力的技術(shù)手段支撐。

參考文獻：

[1]趙哲.節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計中ZigBee技術(shù)的應(yīng)用[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2015（06）.