几种常用田间灌溉自动控制通讯技术的比较

邹志鹏　刘虎

摘 要：现代化灌溉农业对对灌水时间、灌水量、灌水部位等都有精确要求，田间灌溉自动控制技术是支撑现代化灌溉农业的一项基础性技术措施。其中通讯技术对田间自动灌溉起到至关重要的作用，是灌溉自动化的核心技术。本文对我国现有的常用田间灌溉通讯技术进行了分类，并对目前主流控制技术进行了介绍及优缺点分析，最后指出不同通讯技术的适应范围及其未来发展方向，以期对现代农业田间灌溉控制系统中通讯技术的规划、设计和施工提供参考依据。

关键词：灌溉；自动控制；通讯技术；解码器；共用网络

中图分类号：S274.3 文献标识码：A DOI 编码：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

在与灌溉控制相关的众多技术中，通讯技术显得至关重要，这是因为灌溉自动化设备分布在广阔的农田中，测量和控制点极其分散，而且没有电源供应，这些技术条件及其苛刻的成本要求使得通讯技术成为田间灌溉自动化系统的核心技术。可以说通讯是灌溉控制的基础，没有通讯就没有灌溉控制。另外，通讯部件也是灌溉控制设备最主要的耗电部件，因此通讯方案的选择直接决定了供电方案的选择、产品形态的选择和安装方法的选择等。

本研究中的灌溉自动化控制是指通过某种控制设备对田间分布的末级灌溉阀门进行远程自动化控制的系统，对灌溉首部和首部干管上的阀门进行的远程控制不在本研究讨论范围之内。与之相应的通讯技术也是指为了控制田间末级灌溉控制阀门而采用的通讯方案。灌溉控制系统的上端一般是在灌溉首部，其下端是灌溉控制阀门，上端和下端之间的距离在100～3 000 m之间。在限定了以上技术条件和使用环境后，再来讨论这个问题目标才更加明确，才能够对工程实践有直接帮助。

1 田间灌溉常用通讯技术分类

1.1 主要控制技术

本领域目前应用的主要控制技术方案包括以下4种。（1）水命令管控制。操作者不经过阀门控制器，直接通过水命令管（加压或泄压）控制阀门开关的控制方式，以色列主要阀门制造商都提供这种产品。（2）电缆控制。操作者不经过阀门控制器，直接通过电缆（供电或断电）控制阀门开关的控制方式，所有的灌溉阀门厂家都有相关产品。（3）解码器（单向通讯）控制。灌溉控制器经过有线通讯电缆向解码器发送开阀或关阀代码，由解码器操作阀门开关的控制方式，这种方式的最主要特点是通讯方式是单向的，即只有灌溉控制器由上至下的命令，没有由下至上的反馈。（4）阀控器/RTU（双向通讯）控制。灌溉控制器经过有线通讯电缆连接阀门控制器，由阀门控制控制器操作阀门开关的控制方式。

1.2 主要通讯链路

本领域目前应用的主要通讯链路包括以下2种。（1）专网无线控制。灌溉控制器经过自建无线通讯网络与阀门控制器建立连接， 由阀控器操作阀门开关的控制方式。（2）公网无线控制。灌溉控制器经过公用无线通讯网络与阀门控制器建立连接， 由阀控器操作阀门开关的控制方式。

1.3 其他相关技术的分类

从是否有就地控制设备（阀控器、RTU、解码器等）可以分为直接控制和间接控制，其中直接控制又可以分为电信号控制和水信号控制，间接控制则必须依赖于通讯。通讯按照有无介质又可分为有线通讯和无线通讯，按照数据流向又可以分为单向通讯和双向通讯。

在无线通讯中有自建网络或利用公用网络两种方式。其中自建无线网络又可按照不同频段分类，还可以按照是否间歇通讯或各类通讯协议等进行分类。而公用无线网络通讯可以按网络类型、网络代级、工作方式等进行分类。

2 几种主流技术简介

（1）有线方式的单向通讯控制（解码器）。这种控制方式采用电缆作为电力和通讯信息的传输介质，通讯距离较远，单个解码器可以带1～8 个脉冲电磁阀，但由于采用单向通讯技术，系统无法知道阀门的真实状态。这种通讯方式的产品由于采用电缆连接可以埋在地下使用，因此产品的防护等级一般都能达到IP68，美国的雨鸟和托罗公司都生产这类产品，解码器的上端是灌溉控制器。

（2）有线方式的双向通讯控制。这种控制方式采用电缆作为电力和通讯信息的传输介质，通讯距离较远，单个控制器可以带1～8 个脉冲电磁阀。以色列的太极公司生产这类产品，但防护等级不高，不能埋地使用，国内上海远恒信息技术有限公司的产品防护等级达到IP68 可以埋在地下使用。

（3）无线方式的自建网络通讯。这种控制方式采用无线通讯信号在控制区域内建立一个专用的无线通讯网络，能够提供这种产品的公司很多，主要采用的无线通讯技术有Zigbee，WIFI，433 MHz 自由通讯，2.4 GHz 自由通讯，等等，这些通讯技术都是通用的无线通讯技术，所有的灌溉设备制造商都没有这方面的专用产品和技术，都是将其他厂家生产的通讯模块集成到自己的产品中，因此从灌溉应用的角度来说这些技术大同小异。

所有此类无线灌溉控制产品都存在两个难以取舍的突出矛盾，第一是通讯距离（发射功率）与耗电之间的矛盾；第二是通讯距离（发射功率）与无线电管理之间的矛盾。当然还有通讯速率与可靠性和传输效率、载波频率与传输效率和抗阻挡能力等多个方面的问题需要产品制造商和工程建设单位认真研究对待。

由于这类产品具有研发简单、产品成本较低、使用中不需布线、安装方便等优势，已经成为灌溉控制产品的主流。主要的设备供应商有美国的托罗、哈希，以色列的太极、艾尔达，国内的上海远恒、石达赛特、联创斯缘等公司都有类似产品。

（4）无线方式的公用网络通讯。公用无线网络控制是利用现有的电信运营商（中国电信、中国移动、中国联通）的无线通讯网络传输灌溉控制命令，这种技术不需要开发人员考虑通讯可靠性问题，也不需要用户对自己所使用的通讯网络进行维护。但是用户或者产品供应商却需要给电信运行商支付相应的通讯费用。

3 各种通讯技术的特点

（1）有线方式的单向通讯控制（解码器）。这种控制方式的产品的特点是产品简单，可靠性高，同时由于它不能反馈现场的阀门状态的信息，比较适合于园林景观等操作人员能直接观察到开关阀门效果的场合。

（2）有线方式的双向通讯控制。这种有线通讯方式的特点是可靠性非常高，而且没有安装高度的限制，在农业应用中有时需要很长距离的通讯传输，有线方式可能无法达到，另外线缆敷设于耕作的田间有可能受到破坏。

（3）无线方式的自建专用网络通讯。这种控制方式的特点是组网灵活，不依赖电信运营商，在一定的条件下不需要缴纳运行费用。同时，由于基于这类通讯技术开发的产品非常多，出现了严重的鱼龙混杂的现象，很多类似产品没有经过常见时间的考验就推向市场，出现很多不可预知的问题。另外关于无线电管理的问题也应引起使用者足够重视，现在市面上的一些产品，包括国外的产品片面追求较大的通讯距离使用较大功率的无线通讯设备，这些设备大多违反了我国的无线电管理条例，大面积使用后一旦受到无委会的处罚将面临全面停用的后果。作为负责任的制造商和关注自己未来的用户一定要选用符合无委会规定的通讯产品，避免今后可能存在的不良影响。

（4）无线方式的公用网络通讯。公用无线网络控制的特点是将通讯这样一个复杂的问题交给专业的通讯公司去做，灌溉产品供应商和使用者只关心灌溉应用的问题，这样将消除通讯不稳定带来的困惑，同时也省去许多的网络维护的工作量。但在取得这些便利的同时却需要向电信运营商支付相应的费用。

4 不同通讯技术的适应范围及未来发展方向

每种通讯技术都有自己的优势和劣势，作为使用者其责任是了解这些优势和劣势，结合自己的工程实践，选择最适合实际工程特点的通讯技术和产品。单向通讯控制方式适合于喷灌及开关阀的结果可以人为判别的场合，如园林灌溉、高尔夫球场、小型农田喷灌等。双向有线通讯的控制方式适用于阀门集中于干管或分干管上，高杆作物，不需要每年耕作的场合。无线专用网络控制方式适合于阀门孤立分散，矮杆作物，控制区域内较少防风林带的场合。无线公网控制方式适合于手机信号覆盖的任何区域，不用考虑作物类型、防风林等情况。

通讯技术在灌溉控制应用中具有鲜明的特点，这些特点造成灌溉通讯将向着两个不同的方向发展，第一个方向是个性化，第二个方向是公用化。个性化是指开发一种专门用于灌溉控制的个性化通讯方式，专门用于灌溉行业的通讯控制，其特征在于长距离、抗阻挡、低速率、低成本、低功耗。公用化是指采用公用无线网络如手机网络，进行灌溉控制，其特征在于现实可用、安全可靠。从时间上来说，灌溉通讯的个性化产品需要市场的规模扩大到相当的程度，还需要相关技术研发成功达到成熟的程度，因此需要很长一段时间。而灌溉产品采用公用网络却不需要等待。因此，从未来十年看，公网无线是发展方向；从未来的十年以后看，个性化通讯网络将成为灌溉控制的方向。还需再明确的是，这里讨论的是田间灌溉阀门到灌溉首部之间的通讯方案，在首部之上现在和将来都是采用公用网络为主要手段。

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