ZigBee通訊技術在節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海南片區規模化高效節水灌溉項目為例，分析了節水灌溉管理控制系統信息化、自動化過程中，對通訊功能的需求，結合目前可選的通訊方式特點，提出在節灌工程中，采用ZigBee通訊技術解決通訊問題，并給出了應用設計的具體建議。

關鍵詞：節水灌溉工程；通訊方式選擇；ZigBee通訊；應用設計

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

1 工程需求

在節水灌溉工程設計中，為了讓投入大量資金建成的管網系統高效有序運行，真正實現科學灌溉、節水灌溉，使灌溉管網和節水設備真正發揮作用，培養使用人群的節水意識。配套的計量管理系統必須同步到位，否則，只要部分用戶沒有按照設計準則進行灌溉，就會導致水資源緊缺，系統灌溉功能或灌溉面積縮水，整個系統不能按照設計要求工作，局部癱瘓甚至系統受到破壞等嚴重的后果。

控制和管理最有效的手段就是用水計量收費。節水灌溉系統管網復雜，節點眾多，計量系統終端數量多，分布相對集中，相互之間距離短，通訊數據流量不大，工作的間歇性比較明顯。

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

據測算，系統運行成本水價0.25元/m3。運行成本水價折合40.5元/畝。由于農業有補貼政策，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。

本工程的通訊系統有以下特點，這也是節水灌溉工程的共同特點。

（1）通訊距離短。根據設計方案，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。（2）系統功耗低。系統終端數量多，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，才能維持系統的運行。（3）系統容量大。每個出水栓可灌溉的面積有限，大面積節水灌溉工程的計量終端數量十分龐大，對系統容量要求較高。（4）數據流量不大。單個終端的信息數據量并不大，只有這杯狀態，時間，水量等較少的數據，而且水量數據等信息變化很慢，數據流量很小。（5）通訊費用低。終端數量多，而且長期連續值守。系統對通訊費用比較敏感，最好自組網，而不采用公眾網絡。（6）設備成本低。終端計量裝置必須包含供電系統、電磁閥、通訊及控制系統。以目前的技術條件看，供電系統、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化集成通訊及控制系統。（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的抵觸情緒，控制管理難以進入良性循環，危及系統的安全和可持續發展能力。

2 通訊方式選擇

根據系統對通訊的要求，對當前比較流行的通訊方式的主要特點的調查分析，完成了表1：

通過表1的比較，ZigBee技術能滿足灌溉系統的要求，在功耗和費用成本方面都具有明顯的優勢。

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

ZigBee技術主要是為工農業現場自動化監控數據傳輸而創立的，它的另外一個突出特點就是容量大。在整個網絡區域內，任何一個ZigBee模塊之間都可以相互通信。每個節點不僅本身可以作為監控對象，直接進行其所連接的傳感器數據采集和監控，還可以自動中轉別的網絡節點傳過來的數據資料，同時又具有中繼站的作用。在ZigBee通訊網絡中，每一個ZigBee網絡節點（FFD）還可在自己信號覆蓋的范圍內，和多個不承擔網絡信息中轉任務的孤立的子節點（RFD）無線連

接。

理論上ZigBee無線數傳網絡平臺組網無線數傳模塊節點數量，可以達到65535個。

通訊距離可以從標準的75m基礎上，不斷擴展。在海南片區灌溉項目中，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達到6個。

ZigBee技術在節水灌溉工程中應用的優勢主要體現在以下幾點：（1）成本低：ZigBee模塊的造價目前已經降到40元人民幣以內，加上ZigBee協議沒有專利費，制造和使用成本極低。（2）容量大：Zigbee網絡由多個星型結構組成，每個星型結構網絡最多可以容納254個從設備和一個主設備。單個區域內可以容納最多100個ZigBee網絡。網絡容量理論節點為65535個，只需要1個主機就能實現全面覆蓋。（3）功耗低：ZigBee的數據傳輸速率低，其發射功率僅為1mW。由于設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設備非常省電。僅靠兩節干電池供電，就可以至少維持通訊系統半年的使用時間，這一點上，其它無線設備均難以匹敵。（4）數據傳輸可靠：ZigBee的自組網的功能讓系統中的每個節點之間都能建立起聯系，信息可通過每個節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，是的數據不會輕易掉線。系統數據傳輸采取了避免碰撞策略，避開了發送數據的路徑競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。一旦傳輸過程中出現問題，系統會自動進行重發。（5）數據傳輸安全：ZigBee采用了AES-128的加密算法，支持鑒權和認證，可以靈活應用基于循環冗余校驗（CRC）的數據包完整性檢查功能。2.4GHz，868MHz及915MHz的使用頻段均為免執照頻段，方便易用。

3 應用設計

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

3.1 系統硬件

（1）采用高性能工業級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 穩定強化措施

（1）采用WDT看門狗設計，加強系統安全性和穩定性。（2）提供TTL串行接口和SPI接口。增強系統的通用性和維護升級便利。（3）預留天線接口，采取防雷保護，增強系統的保護和適應能力。

3.3 便利措施

（1）采用智能型數據模塊，便于數據讀寫和安全性，保護用戶的財務數據安全。（2）豐富的系統配置和維護接口。（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技術在灌溉系統中運用的優點，強化系統的穩定性、持久性，發揮其易用易維護的技術優勢。為節水灌溉系統的管理運行提供強有力的技術手段支撐。

參考文獻：

[1]趙哲.節水灌溉系統設計中ZigBee技術的應用[J].水利技術監督，2015（06）.