鄒志鵬　劉虎

摘 要：現(xiàn)代化灌溉農業(yè)對對灌水時間、灌水量、灌水部位等都有精確要求，田間灌溉自動控制技術是支撐現(xiàn)代化灌溉農業(yè)的一項基礎性技術措施。其中通訊技術對田間自動灌溉起到至關重要的作用，是灌溉自動化的核心技術。本文對我國現(xiàn)有的常用田間灌溉通訊技術進行了分類，并對目前主流控制技術進行了介紹及優(yōu)缺點分析，最后指出不同通訊技術的適應范圍及其未來發(fā)展方向，以期對現(xiàn)代農業(yè)田間灌溉控制系統(tǒng)中通訊技術的規(guī)劃、設計和施工提供參考依據(jù)。

關鍵詞：灌溉；自動控制；通訊技術；解碼器；共用網絡

中圖分類號：S274.3 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.06.015

Abstract：Modern irrigation agriculture has more precise requirements on irrigation time， irrigation amount， and position et al. Field irrigation automatic control technology is one of the basic technical measures to support the modernization of irrigation agriculture. The communication technology to the vital role in the field of automatic irrigation is the core technology of irrigation automation. This article has carried on the classification to our country existing irrigation of commonly used communication technology， and the main control technology at present are introduced and their advantages and disadvantages were analyzed， finally pointed out the applicable scope and the future development direction of different communication technology. This paper could provide reference for the planning， design and construction of modern agricultural irrigation control technology in communication system.

Key words：irrigation；auto-control；communication technology；decoder；shared network

在與灌溉控制相關的眾多技術中，通訊技術顯得至關重要，這是因為灌溉自動化設備分布在廣闊的農田中，測量和控制點極其分散，而且沒有電源供應，這些技術條件及其苛刻的成本要求使得通訊技術成為田間灌溉自動化系統(tǒng)的核心技術?？梢哉f通訊是灌溉控制的基礎，沒有通訊就沒有灌溉控制。另外，通訊部件也是灌溉控制設備最主要的耗電部件，因此通訊方案的選擇直接決定了供電方案的選擇、產品形態(tài)的選擇和安裝方法的選擇等。

本研究中的灌溉自動化控制是指通過某種控制設備對田間分布的末級灌溉閥門進行遠程自動化控制的系統(tǒng)，對灌溉首部和首部干管上的閥門進行的遠程控制不在本研究討論范圍之內。與之相應的通訊技術也是指為了控制田間末級灌溉控制閥門而采用的通訊方案。灌溉控制系統(tǒng)的上端一般是在灌溉首部，其下端是灌溉控制閥門，上端和下端之間的距離在100～3 000 m之間。在限定了以上技術條件和使用環(huán)境后，再來討論這個問題目標才更加明確，才能夠對工程實踐有直接幫助。

1 田間灌溉常用通訊技術分類

1.1 主要控制技術

本領域目前應用的主要控制技術方案包括以下4種。（1）水命令管控制。操作者不經過閥門控制器，直接通過水命令管（加壓或泄壓）控制閥門開關的控制方式，以色列主要閥門制造商都提供這種產品。（2）電纜控制。操作者不經過閥門控制器，直接通過電纜（供電或斷電）控制閥門開關的控制方式，所有的灌溉閥門廠家都有相關產品。（3）解碼器（單向通訊）控制。灌溉控制器經過有線通訊電纜向解碼器發(fā)送開閥或關閥代碼，由解碼器操作閥門開關的控制方式，這種方式的最主要特點是通訊方式是單向的，即只有灌溉控制器由上至下的命令，沒有由下至上的反饋。（4）閥控器/RTU（雙向通訊）控制。灌溉控制器經過有線通訊電纜連接閥門控制器，由閥門控制控制器操作閥門開關的控制方式。

1.2 主要通訊鏈路

本領域目前應用的主要通訊鏈路包括以下2種。（1）專網無線控制。灌溉控制器經過自建無線通訊網絡與閥門控制器建立連接， 由閥控器操作閥門開關的控制方式。（2）公網無線控制。灌溉控制器經過公用無線通訊網絡與閥門控制器建立連接， 由閥控器操作閥門開關的控制方式。

1.3 其他相關技術的分類

從是否有就地控制設備（閥控器、RTU、解碼器等）可以分為直接控制和間接控制，其中直接控制又可以分為電信號控制和水信號控制，間接控制則必須依賴于通訊。通訊按照有無介質又可分為有線通訊和無線通訊，按照數(shù)據(jù)流向又可以分為單向通訊和雙向通訊。

在無線通訊中有自建網絡或利用公用網絡兩種方式。其中自建無線網絡又可按照不同頻段分類，還可以按照是否間歇通訊或各類通訊協(xié)議等進行分類。而公用無線網絡通訊可以按網絡類型、網絡代級、工作方式等進行分類。

2 幾種主流技術簡介

（1）有線方式的單向通訊控制（解碼器）。這種控制方式采用電纜作為電力和通訊信息的傳輸介質，通訊距離較遠，單個解碼器可以帶1～8 個脈沖電磁閥，但由于采用單向通訊技術，系統(tǒng)無法知道閥門的真實狀態(tài)。這種通訊方式的產品由于采用電纜連接可以埋在地下使用，因此產品的防護等級一般都能達到IP68，美國的雨鳥和托羅公司都生產這類產品，解碼器的上端是灌溉控制器。

（2）有線方式的雙向通訊控制。這種控制方式采用電纜作為電力和通訊信息的傳輸介質，通訊距離較遠，單個控制器可以帶1～8 個脈沖電磁閥。以色列的太極公司生產這類產品，但防護等級不高，不能埋地使用，國內上海遠恒信息技術有限公司的產品防護等級達到IP68 可以埋在地下使用。

（3）無線方式的自建網絡通訊。這種控制方式采用無線通訊信號在控制區(qū)域內建立一個專用的無線通訊網絡，能夠提供這種產品的公司很多，主要采用的無線通訊技術有Zigbee，WIFI，433 MHz 自由通訊，2.4 GHz 自由通訊，等等，這些通訊技術都是通用的無線通訊技術，所有的灌溉設備制造商都沒有這方面的專用產品和技術，都是將其他廠家生產的通訊模塊集成到自己的產品中，因此從灌溉應用的角度來說這些技術大同小異。

所有此類無線灌溉控制產品都存在兩個難以取舍的突出矛盾，第一是通訊距離（發(fā)射功率）與耗電之間的矛盾；第二是通訊距離（發(fā)射功率）與無線電管理之間的矛盾。當然還有通訊速率與可靠性和傳輸效率、載波頻率與傳輸效率和抗阻擋能力等多個方面的問題需要產品制造商和工程建設單位認真研究對待。

由于這類產品具有研發(fā)簡單、產品成本較低、使用中不需布線、安裝方便等優(yōu)勢，已經成為灌溉控制產品的主流。主要的設備供應商有美國的托羅、哈希，以色列的太極、艾爾達，國內的上海遠恒、石達賽特、聯(lián)創(chuàng)斯緣等公司都有類似產品。

（4）無線方式的公用網絡通訊。公用無線網絡控制是利用現(xiàn)有的電信運營商（中國電信、中國移動、中國聯(lián)通）的無線通訊網絡傳輸灌溉控制命令，這種技術不需要開發(fā)人員考慮通訊可靠性問題，也不需要用戶對自己所使用的通訊網絡進行維護。但是用戶或者產品供應商卻需要給電信運行商支付相應的通訊費用。

3 各種通訊技術的特點

（1）有線方式的單向通訊控制（解碼器）。這種控制方式的產品的特點是產品簡單，可靠性高，同時由于它不能反饋現(xiàn)場的閥門狀態(tài)的信息，比較適合于園林景觀等操作人員能直接觀察到開關閥門效果的場合。

（2）有線方式的雙向通訊控制。這種有線通訊方式的特點是可靠性非常高，而且沒有安裝高度的限制，在農業(yè)應用中有時需要很長距離的通訊傳輸，有線方式可能無法達到，另外線纜敷設于耕作的田間有可能受到破壞。

（3）無線方式的自建專用網絡通訊。這種控制方式的特點是組網靈活，不依賴電信運營商，在一定的條件下不需要繳納運行費用。同時，由于基于這類通訊技術開發(fā)的產品非常多，出現(xiàn)了嚴重的魚龍混雜的現(xiàn)象，很多類似產品沒有經過常見時間的考驗就推向市場，出現(xiàn)很多不可預知的問題。另外關于無線電管理的問題也應引起使用者足夠重視，現(xiàn)在市面上的一些產品，包括國外的產品片面追求較大的通訊距離使用較大功率的無線通訊設備，這些設備大多違反了我國的無線電管理條例，大面積使用后一旦受到無委會的處罰將面臨全面停用的后果。作為負責任的制造商和關注自己未來的用戶一定要選用符合無委會規(guī)定的通訊產品，避免今后可能存在的不良影響。

（4）無線方式的公用網絡通訊。公用無線網絡控制的特點是將通訊這樣一個復雜的問題交給專業(yè)的通訊公司去做，灌溉產品供應商和使用者只關心灌溉應用的問題，這樣將消除通訊不穩(wěn)定帶來的困惑，同時也省去許多的網絡維護的工作量。但在取得這些便利的同時卻需要向電信運營商支付相應的費用。

4 不同通訊技術的適應范圍及未來發(fā)展方向

每種通訊技術都有自己的優(yōu)勢和劣勢，作為使用者其責任是了解這些優(yōu)勢和劣勢，結合自己的工程實踐，選擇最適合實際工程特點的通訊技術和產品。單向通訊控制方式適合于噴灌及開關閥的結果可以人為判別的場合，如園林灌溉、高爾夫球場、小型農田噴灌等。雙向有線通訊的控制方式適用于閥門集中于干管或分干管上，高桿作物，不需要每年耕作的場合。無線專用網絡控制方式適合于閥門孤立分散，矮桿作物，控制區(qū)域內較少防風林帶的場合。無線公網控制方式適合于手機信號覆蓋的任何區(qū)域，不用考慮作物類型、防風林等情況。

通訊技術在灌溉控制應用中具有鮮明的特點，這些特點造成灌溉通訊將向著兩個不同的方向發(fā)展，第一個方向是個性化，第二個方向是公用化。個性化是指開發(fā)一種專門用于灌溉控制的個性化通訊方式，專門用于灌溉行業(yè)的通訊控制，其特征在于長距離、抗阻擋、低速率、低成本、低功耗。公用化是指采用公用無線網絡如手機網絡，進行灌溉控制，其特征在于現(xiàn)實可用、安全可靠。從時間上來說，灌溉通訊的個性化產品需要市場的規(guī)模擴大到相當?shù)某潭龋€需要相關技術研發(fā)成功達到成熟的程度，因此需要很長一段時間。而灌溉產品采用公用網絡卻不需要等待。因此，從未來十年看，公網無線是發(fā)展方向；從未來的十年以后看，個性化通訊網絡將成為灌溉控制的方向。還需再明確的是，這里討論的是田間灌溉閥門到灌溉首部之間的通訊方案，在首部之上現(xiàn)在和將來都是采用公用網絡為主要手段。

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