幾種常用田間灌溉自動(dòng)控制通訊技術(shù)的比較

鄒志鵬　劉虎

摘 要：現(xiàn)代化灌溉農(nóng)業(yè)對(duì)對(duì)灌水時(shí)間、灌水量、灌水部位等都有精確要求，田間灌溉自動(dòng)控制技術(shù)是支撐現(xiàn)代化灌溉農(nóng)業(yè)的一項(xiàng)基礎(chǔ)性技術(shù)措施。其中通訊技術(shù)對(duì)田間自動(dòng)灌溉起到至關(guān)重要的作用，是灌溉自動(dòng)化的核心技術(shù)。本文對(duì)我國現(xiàn)有的常用田間灌溉通訊技術(shù)進(jìn)行了分類，并對(duì)目前主流控制技術(shù)進(jìn)行了介紹及優(yōu)缺點(diǎn)分析，最后指出不同通訊技術(shù)的適應(yīng)范圍及其未來發(fā)展方向，以期對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)田間灌溉控制系統(tǒng)中通訊技術(shù)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：灌溉；自動(dòng)控制；通訊技術(shù)；解碼器；共用網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：S274.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guān)的眾多技術(shù)中，通訊技術(shù)顯得至關(guān)重要，這是因?yàn)楣喔茸詣?dòng)化設(shè)備分布在廣闊的農(nóng)田中，測量和控制點(diǎn)極其分散，而且沒有電源供應(yīng)，這些技術(shù)條件及其苛刻的成本要求使得通訊技術(shù)成為田間灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)的核心技術(shù)?？梢哉f通訊是灌溉控制的基礎(chǔ)，沒有通訊就沒有灌溉控制。另外，通訊部件也是灌溉控制設(shè)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(chǎn)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(dòng)化控制是指通過某種控制設(shè)備對(duì)田間分布的末級(jí)灌溉閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制的系統(tǒng)，對(duì)灌溉首部和首部干管上的閥門進(jìn)行的遠(yuǎn)程控制不在本研究討論范圍之內(nèi)。與之相應(yīng)的通訊技術(shù)也是指為了控制田間末級(jí)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(shù)條件和使用環(huán)境后，再來討論這個(gè)問題目標(biāo)才更加明確，才能夠?qū)こ虒?shí)踐有直接幫助。

1 田間灌溉常用通訊技術(shù)分類

1.1 主要控制技術(shù)

本領(lǐng)域目前應(yīng)用的主要控制技術(shù)方案包括以下4種。（1）水命令管控制。操作者不經(jīng)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(guān)的控制方式，以色列主要閥門制造商都提供這種產(chǎn)品。（2）電纜控制。操作者不經(jīng)過閥門控制器，直接通過電纜（供電或斷電）控制閥門開關(guān)的控制方式，所有的灌溉閥門廠家都有相關(guān)產(chǎn)品。（3）解碼器（單向通訊）控制。灌溉控制器經(jīng)過有線通訊電纜向解碼器發(fā)送開閥或關(guān)閥代碼，由解碼器操作閥門開關(guān)的控制方式，這種方式的最主要特點(diǎn)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(jīng)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(guān)的控制方式。

1.2 主要通訊鏈路

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

1.3 其他相關(guān)技術(shù)的分類

從是否有就地控制設(shè)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(hào)控制和水信號(hào)控制，間接控制則必須依賴于通訊。通訊按照有無介質(zhì)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(wǎng)絡(luò)或利用公用網(wǎng)絡(luò)兩種方式。其中自建無線網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行分類。而公用無線網(wǎng)絡(luò)通訊可以按網(wǎng)絡(luò)類型、網(wǎng)絡(luò)代級(jí)、工作方式等進(jìn)行分類。

2 幾種主流技術(shù)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(zhì)，通訊距離較遠(yuǎn)，單個(gè)解碼器可以帶1～8 個(gè)脈沖電磁閥，但由于采用單向通訊技術(shù)，系統(tǒng)無法知道閥門的真實(shí)狀態(tài)。這種通訊方式的產(chǎn)品由于采用電纜連接可以埋在地下使用，因此產(chǎn)品的防護(hù)等級(jí)一般都能達(dá)到IP68，美國的雨鳥和托羅公司都生產(chǎn)這類產(chǎn)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(zhì)，通訊距離較遠(yuǎn)，單個(gè)控制器可以帶1～8 個(gè)脈沖電磁閥。以色列的太極公司生產(chǎn)這類產(chǎn)品，但防護(hù)等級(jí)不高，不能埋地使用，國內(nèi)上海遠(yuǎn)恒信息技術(shù)有限公司的產(chǎn)品防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP68 可以埋在地下使用。

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

所有此類無線灌溉控制產(chǎn)品都存在兩個(gè)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(dāng)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(gè)方面的問題需要產(chǎn)品制造商和工程建設(shè)單位認(rèn)真研究對(duì)待。

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

（4）無線方式的公用網(wǎng)絡(luò)通訊。公用無線網(wǎng)絡(luò)控制是利用現(xiàn)有的電信運(yùn)營商（中國電信、中國移動(dòng)、中國聯(lián)通）的無線通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸灌溉控制命令，這種技術(shù)不需要開發(fā)人員考慮通訊可靠性問題，也不需要用戶對(duì)自己所使用的通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)。但是用戶或者產(chǎn)品供應(yīng)商卻需要給電信運(yùn)行商支付相應(yīng)的通訊費(fèi)用。

3 各種通訊技術(shù)的特點(diǎn)

（1）有線方式的單向通訊控制（解碼器）。這種控制方式的產(chǎn)品的特點(diǎn)是產(chǎn)品簡單，可靠性高，同時(shí)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(guān)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(diǎn)是可靠性非常高，而且沒有安裝高度的限制，在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中有時(shí)需要很長距離的通訊傳輸，有線方式可能無法達(dá)到，另外線纜敷設(shè)于耕作的田間有可能受到破壞。

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

（4）無線方式的公用網(wǎng)絡(luò)通訊。公用無線網(wǎng)絡(luò)控制的特點(diǎn)是將通訊這樣一個(gè)復(fù)雜的問題交給專業(yè)的通訊公司去做，灌溉產(chǎn)品供應(yīng)商和使用者只關(guān)心灌溉應(yīng)用的問題，這樣將消除通訊不穩(wěn)定帶來的困惑，同時(shí)也省去許多的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的工作量。但在取得這些便利的同時(shí)卻需要向電信運(yùn)營商支付相應(yīng)的費(fèi)用。

4 不同通訊技術(shù)的適應(yīng)范圍及未來發(fā)展方向

每種通訊技術(shù)都有自己的優(yōu)勢和劣勢，作為使用者其責(zé)任是了解這些優(yōu)勢和劣勢，結(jié)合自己的工程實(shí)踐，選擇最適合實(shí)際工程特點(diǎn)的通訊技術(shù)和產(chǎn)品。單向通訊控制方式適合于噴灌及開關(guān)閥的結(jié)果可以人為判別的場合，如園林灌溉、高爾夫球場、小型農(nóng)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(wǎng)絡(luò)控制方式適合于閥門孤立分散，矮桿作物，控制區(qū)域內(nèi)較少防風(fēng)林帶的場合。無線公網(wǎng)控制方式適合于手機(jī)信號(hào)覆蓋的任何區(qū)域，不用考慮作物類型、防風(fēng)林等情況。

通訊技術(shù)在灌溉控制應(yīng)用中具有鮮明的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)造成灌溉通訊將向著兩個(gè)不同的方向發(fā)展，第一個(gè)方向是個(gè)性化，第二個(gè)方向是公用化。個(gè)性化是指開發(fā)一種專門用于灌溉控制的個(gè)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(wǎng)絡(luò)如手機(jī)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行灌溉控制，其特征在于現(xiàn)實(shí)可用、安全可靠。從時(shí)間上來說，灌溉通訊的個(gè)性化產(chǎn)品需要市場的規(guī)模擴(kuò)大到相當(dāng)?shù)某潭龋€需要相關(guān)技術(shù)研發(fā)成功達(dá)到成熟的程度，因此需要很長一段時(shí)間。而灌溉產(chǎn)品采用公用網(wǎng)絡(luò)卻不需要等待。因此，從未來十年看，公網(wǎng)無線是發(fā)展方向；從未來的十年以后看，個(gè)性化通訊網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)為主要手段。

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