ZigBee通讯技术在节水灌溉工程中的运用

杨智+葛俊荣

摘 要：文章以丽江市拉市镇海南片区规模化高效节水灌溉项目为例，分析了节水灌溉管理控制系统信息化、自动化过程中，对通讯功能的需求，结合目前可选的通讯方式特点，提出在节灌工程中，采用ZigBee通讯技术解决通讯问题，并给出了应用设计的具体建议。

关键词：节水灌溉工程；通讯方式选择；ZigBee通讯；应用设计

中图分类号：TU991.64 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）21-0153-02

1 工程需求

在节水灌溉工程设计中，为了让投入大量资金建成的管网系统高效有序运行，真正实现科学灌溉、节水灌溉，使灌溉管网和节水设备真正发挥作用，培养使用人群的节水意识。配套的计量管理系统必须同步到位，否则，只要部分用户没有按照设计准则进行灌溉，就会导致水资源紧缺，系统灌溉功能或灌溉面积缩水，整个系统不能按照设计要求工作，局部瘫痪甚至系统受到破坏等严重的后果。

控制和管理最有效的手段就是用水计量收费。节水灌溉系统管网复杂，节点众多，计量系统终端数量多，分布相对集中，相互之间距离短，通讯数据流量不大，工作的间歇性比较明显。

以丽江市玉龙县拉市镇海南片区规模化高效节水灌溉项目为例，本项目位于玉龙县拉市镇，项目建设范围为拉市坝区拉市海以南的三个村委会的集中连片耕地。设计建设效节水灌溉工程面积1.67万亩，均为微灌。布置给水栓1949处，每个给水栓设置一套节水灌溉计量管理终端机，用于识别用户并对用户用水计量。用户采用射频卡预存水费、刷卡取水。

据测算，系统运行成本水价0.25元/m3。运行成本水价折合40.5元/亩。由于农业有补贴政策，实际收取的水费不会高于这个价格。平均每个给水栓收取水费347元。

为解决自动计量收费问题，必须首先解决1949个终端的通讯问题。如果采用公众手机卡，按目前最低的套餐10元计算，单是通讯费，每个给水栓每年的通讯费就是120元。水费的1/3都用来付通讯费，显然这个成本太高了。

为了解决大量终端的通讯问题，降低成本，需要采用新的通讯方式。

本工程的通讯系统有以下特点，这也是节水灌溉工程的共同特点。

（1）通讯距离短。根据设计方案，每两个相邻的给水栓之间，的直线距离，不超过100m。所有的给水栓比较集中，分布在南北最大距离5.2km，东西6.8km的范围内。（2）系统功耗低。系统终端数量多，受成本控制，供电困难，只能采用太阳能加蓄电池的供电方式。电磁阀们的启闭能耗较高，其他部分的功耗都必须很低，才能维持系统的运行。（3）系统容量大。每个出水栓可灌溉的面积有限，大面积节水灌溉工程的计量终端数量十分庞大，对系统容量要求较高。（4）数据流量不大。单个终端的信息数据量并不大，只有这杯状态，时间，水量等较少的数据，而且水量数据等信息变化很慢，数据流量很小。（5）通讯费用低。终端数量多，而且长期连续值守。系统对通讯费用比较敏感，最好自组网，而不采用公众网络。（6）设备成本低。终端计量装置必须包含供电系统、电磁阀、通讯及控制系统。以目前的技术条件看，供电系统、电磁阀的成本很难进一步压缩。降低成本的主要方面就在于优化集成通讯及控制系统。（7）可靠。可靠性直接影响到田地的灌溉，灌溉功能障碍频频，会引起用户对控制系统的抵触情绪，控制管理难以进入良性循环，危及系统的安全和可持续发展能力。

2 通讯方式选择

根据系统对通讯的要求，对当前比较流行的通讯方式的主要特点的调查分析，完成了表1：

通过表1的比较，ZigBee技术能满足灌溉系统的要求，在功耗和费用成本方面都具有明显的优势。

ZigBee技术是一种近距离、低速率、低成本、低功耗、低复杂度的双向无线通讯技术。特别适用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输，在低反应时间、有周期性和间歇性数据传输中，低成本、低功耗优势十分明显。

ZigBee技术主要是为工农业现场自动化监控数据传输而创立的，它的另外一个突出特点就是容量大。在整个网络区域内，任何一个ZigBee模块之间都可以相互通信。每个节点不仅本身可以作为监控对象，直接进行其所连接的传感器数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料，同时又具有中继站的作用。在ZigBee通讯网络中，每一个ZigBee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连

接。

理论上ZigBee无线数传网络平台组网无线数传模块节点数量，可以达到65535个。

通讯距离可以从标准的75m基础上，不断扩展。在海南片区灌溉项目中，扩展到150m以后，则每个模块至少可以和周边的4个相邻模块通讯。位于中部的模块，可以通讯的最少模块数达到6个。

ZigBee技术在节水灌溉工程中应用的优势主要体现在以下几点：（1）成本低：ZigBee模块的造价目前已经降到40元人民币以内，加上ZigBee协议没有专利费，制造和使用成本极低。（2）容量大：Zigbee网络由多个星型结构组成，每个星型结构网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备。单个区域内可以容纳最多100个ZigBee网络。网络容量理论节点为65535个，只需要1个主机就能实现全面覆盖。（3）功耗低：ZigBee的数据传输速率低，其发射功率仅为1mW。由于设备休眠激活的时延仅有15ms，方便采用休眠模式，进一步功耗低。因此ZigBee设备非常省电。仅靠两节干电池供电，就可以至少维持通讯系统半年的使用时间，这一点上，其它无线设备均难以匹敌。（4）数据传输可靠：ZigBee的自组网的功能让系统中的每个节点之间都能建立起联系，信息可通过每个节点模块间的线路进行传输，传输信息的可靠性大为提高，众多的路径选择，是的数据不会轻易掉线。系统数据传输采取了避免碰撞策略，避开了发送数据的路径竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。一旦传输过程中出现问题，系统会自动进行重发。（5）数据传输安全：ZigBee采用了AES-128的加密算法，支持鉴权和认证，可以灵活应用基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能。2.4GHz，868MHz及915MHz的使用频段均为免执照频段，方便易用。

3 应用设计

为了使系统工作更加稳定可靠，提高系统的耐久性和使用便利性，在实际设计生产中，还可采取多种措施，在以下三个方面提升强化系统的性能。

3.1 系统硬件

（1）采用高性能工业级ZigBee芯片，以提高芯片的可靠度和耐用性。（2）采用多级休眠和唤醒模式，尽可能降低功耗。（3）采用太阳能+蓄电池方案，每个终端自主供电。

3.2 稳定强化措施

（1）采用WDT看門狗设计，加强系统安全性和稳定性。（2）提供TTL串行接口和SPI接口。增强系统的通用性和维护升级便利。（3）预留天线接口，采取防雷保护，增强系统的保护和适应能力。

3.3 便利措施

（1）采用智能型数据模块，便于数据读写和安全性，保护用户的财务数据安全。（2）丰富的系统配置和维护接口。（3）支持串口软件升级和远程维护。

这些措施，可以进一步突出ZigBee技术在灌溉系统中运用的优点，强化系统的稳定性、持久性，发挥其易用易维护的技术优势。为节水灌溉系统的管理运行提供强有力的技术手段支撑。

参考文献：

[1]赵哲.节水灌溉系统设计中ZigBee技术的应用[J].水利技术监督，2015（06）.