楊智+葛俊榮

摘 要：文章以麗江市拉市鎮(zhèn)海南片區(qū)規(guī)?；咝Ч?jié)水灌溉項(xiàng)目為例，分析了節(jié)水灌溉管理控制系統(tǒng)信息化、自動(dòng)化過(guò)程中，對(duì)通訊功能的需求，結(jié)合目前可選的通訊方式特點(diǎn)，提出在節(jié)灌工程中，采用ZigBee通訊技術(shù)解決通訊問(wèn)題，并給出了應(yīng)用設(shè)計(jì)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(jì)

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

1 工程需求

在節(jié)水灌溉工程設(shè)計(jì)中，為了讓投入大量資金建成的管網(wǎng)系統(tǒng)高效有序運(yùn)行，真正實(shí)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(shí)。配套的計(jì)量管理系統(tǒng)必須同步到位，否則，只要部分用戶沒(méi)有按照設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行灌溉，就會(huì)導(dǎo)致水資源緊缺，系統(tǒng)灌溉功能或灌溉面積縮水，整個(gè)系統(tǒng)不能按照設(shè)計(jì)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(jì)量收費(fèi)。節(jié)水灌溉系統(tǒng)管網(wǎng)復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)眾多，計(jì)量系統(tǒng)終端數(shù)量多，分布相對(duì)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(xiàng)目為例，本項(xiàng)目位于玉龍縣拉市鎮(zhèn)，項(xiàng)目建設(shè)范圍為拉市壩區(qū)拉市海以南的三個(gè)村委會(huì)的集中連片耕地。設(shè)計(jì)建設(shè)效節(jié)水灌溉工程面積1.67萬(wàn)畝，均為微灌。布置給水栓1949處，每個(gè)給水栓設(shè)置一套節(jié)水灌溉計(jì)量管理終端機(jī)，用于識(shí)別用戶并對(duì)用戶用水計(jì)量。用戶采用射頻卡預(yù)存水費(fèi)、刷卡取水。

據(jù)測(cè)算，系統(tǒng)運(yùn)行成本水價(jià)0.25元/m3。運(yùn)行成本水價(jià)折合40.5元/畝。由于農(nóng)業(yè)有補(bǔ)貼政策，實(shí)際收取的水費(fèi)不會(huì)高于這個(gè)價(jià)格。平均每個(gè)給水栓收取水費(fèi)347元。

為解決自動(dòng)計(jì)量收費(fèi)問(wèn)題，必須首先解決1949個(gè)終端的通訊問(wèn)題。如果采用公眾手機(jī)卡，按目前最低的套餐10元計(jì)算，單是通訊費(fèi)，每個(gè)給水栓每年的通訊費(fèi)就是120元。水費(fèi)的1/3都用來(lái)付通訊費(fèi)，顯然這個(gè)成本太高了。

為了解決大量終端的通訊問(wèn)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(diǎn)，這也是節(jié)水灌溉工程的共同特點(diǎn)。

（1）通訊距離短。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，每?jī)蓚€(gè)相鄰的給水栓之間，的直線距離，不超過(guò)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(yáng)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(yùn)行。（3）系統(tǒng)容量大。每個(gè)出水栓可灌溉的面積有限，大面積節(jié)水灌溉工程的計(jì)量終端數(shù)量十分龐大，對(duì)系統(tǒng)容量要求較高。（4）數(shù)據(jù)流量不大。單個(gè)終端的信息數(shù)據(jù)量并不大，只有這杯狀態(tài)，時(shí)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(fèi)用低。終端數(shù)量多，而且長(zhǎng)期連續(xù)值守。系統(tǒng)對(duì)通訊費(fèi)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(jì)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(jìn)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?？煽啃灾苯佑绊懙教锏氐墓喔?，灌溉功能障礙頻頻，會(huì)引起用戶對(duì)控制系統(tǒng)的抵觸情緒，控制管理難以進(jìn)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(duì)通訊的要求，對(duì)當(dāng)前比較流行的通訊方式的主要特點(diǎn)的調(diào)查分析，完成了表1：

通過(guò)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(fèi)用成本方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

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(wú)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在低反應(yīng)時(shí)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(shì)十分明顯。

ZigBee技術(shù)主要是為工農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸而創(chuàng)立的，它的另外一個(gè)突出特點(diǎn)就是容量大。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)，任何一個(gè)ZigBee模塊之間都可以相互通信。每個(gè)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以作為監(jiān)控對(duì)象，直接進(jìn)行其所連接的傳感器數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)資料，同時(shí)又具有中繼站的作用。在ZigBee通訊網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（FFD）還可在自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)，和多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)（RFD）無(wú)線連

接。

理論上ZigBee無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)組網(wǎng)無(wú)線數(shù)傳模塊節(jié)點(diǎn)數(shù)量，可以達(dá)到65535個(gè)。

通訊距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m基礎(chǔ)上，不斷擴(kuò)展。在海南片區(qū)灌溉項(xiàng)目中，擴(kuò)展到150m以后，則每個(gè)模塊至少可以和周邊的4個(gè)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(dá)到6個(gè)。

ZigBee技術(shù)在節(jié)水灌溉工程中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：（1）成本低：ZigBee模塊的造價(jià)目前已經(jīng)降到40元人民幣以內(nèi)，加上ZigBee協(xié)議沒(méi)有專利費(fèi)，制造和使用成本極低。（2）容量大：Zigbee網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)星型結(jié)構(gòu)組成，每個(gè)星型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備。單個(gè)區(qū)域內(nèi)可以容納最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)容量理論節(jié)點(diǎn)為65535個(gè)，只需要1個(gè)主機(jī)就能實(shí)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(shí)延僅有15ms，方便采用休眠模式，進(jìn)一步功耗低。因此ZigBee設(shè)備非常省電。僅靠?jī)晒?jié)干電池供電，就可以至少維持通訊系統(tǒng)半年的使用時(shí)間，這一點(diǎn)上，其它無(wú)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(gè)節(jié)點(diǎn)之間都能建立起聯(lián)系，信息可通過(guò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊間的線路進(jìn)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(huì)輕易掉線。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采取了避免碰撞策略，避開(kāi)了發(fā)送數(shù)據(jù)的路徑競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個(gè)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(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)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(yàn)（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(jì)

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(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，還可采取多種措施，在以下三個(gè)方面提升強(qiáng)化系統(tǒng)的性能。

3.1 系統(tǒng)硬件

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

3.2 穩(wěn)定強(qiáng)化措施

（1）采用WDT看門狗設(shè)計(jì)，加強(qiáng)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(qiáng)系統(tǒng)的通用性和維護(hù)升級(jí)便利。（3）預(yù)留天線接口，采取防雷保護(hù)，增強(qiáng)系統(tǒng)的保護(hù)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(hù)用戶的財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)安全。（2）豐富的系統(tǒng)配置和維護(hù)接口。（3）支持串口軟件升級(jí)和遠(yuǎn)程維護(hù)。

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

參考文獻(xiàn)：

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