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灌溉系统中ZigBee技术的运用

添加时间:2018-03-10 18:45
  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。(来源,东南论文网 WWW.DNLUNWEN.COM)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看门狗设计,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)。