[发明专利]基于ZigBee通信技术的阀门控制器及其控制方法

说明书

所属技术领域

本发明涉及节水灌溉设施的远程无线自动控制，特别是膜下滴灌自动化控制系统中的阀门控制器和控制方法。

背景技术

现有膜下滴灌是一种结合了以色列滴灌技术和国内覆膜技术优点的新型节水技术。水、肥、农药等通过滴灌带直接作用于作物根系，加上地膜覆盖，棵间蒸发甚微，十分利于作物的生长发育。采用这种技术后既省水，滴水均匀，作物增产又有保证，得到较好的推广应用，在新疆已经推广应用了800多万亩。

在农业信息化指导思想下，新疆建设兵团已经着手于滴灌系统信息化试点的建设，利用湿度检测仪器、阀门控制器和远程控制中心等设备武装膜下滴灌系统，实现了远程土壤含水量计量检测；灌水时间和阀门开/关自动控制的功能。省去人工采样实验程序，节约劳力和节省时间，保证了灌溉精度。但是，由于滴灌技术推广过程的阶段性限制，当前阀门控制器基本还停留在基于有线网络(通常采用RS485总线)和基于433MHZ无线星型网络的自动化滴灌控制器，在实际应用过程中还存在诸多弊端。

有线通信方式的主要缺点是：需要挖掘电缆沟埋设长距离的电缆，成本高，施工过程非常复杂，建设周期长，每年灌溉季节过后都需要回收地分支电缆，在第二年重新接线。同时局限性太大，适应性差，维护，检修、扩展都十分不易。433MHZ无线星型通信方式的缺点是：星型网适应性差，若节点与控制中心之间有大的阻挡物或作物将严重影响该节点通信，甚至不能通信。由于通信控制在433MHZ频段，不仅设备数量受到限制，而且每个节点采用不同信道与控制中心通信，一个信道的可用带宽大都被限制在10kbps或更低，各信道的频谱宽度小，相互间干扰大，抗干扰能力弱，加之，一般未采用加密通信方式，无法分辨同频段的干扰信号，从而引起误操作。

在整体控制方面系统功能单一。现有的滴灌控制系统采用电磁阀门(电磁头)进行供水开/关控制。由于电磁阀门无法实现状态反馈控制，必须采用间接方式反馈，即压力开关，而这种方式无法准确判断阀门的真正状态，达到流量的精确计量和灌溉水量的精确控制。

近年来，ZigBee通信技术快速发展。这种通信方式其构架简单、功耗低、成本低廉，满足多种无线要求，在自动控制设备、传感器等领域显示出极强的优势。但是，要将ZigBee通信技术引入到膜下滴灌自动化控制系统中却非常不容易。因为在野外，电源的稳定供给十分困难。要想将交流电输送到各个控制节点几乎不可能。要使用电池供电就必须最大限度的降低功耗，最大限度地延长电池使用周期。

发明内容

本发明的目的是在野外大规模布置阀门控制器的情况下将ZigBee无线技术应用到远程阀门控制中来。通过硬件与软件的充分配合，彻底解决系统功耗问题，仅使用电池对系统供电，实现远程阀门控制与状态采集，同时易于工程安装实施从而大规模推广应用。

本发明的基本思路是采用基于ZigBee技术的无线数据传输网络，传输命令控制电磁阀的开关，同时传输压力传感器反馈水压数据，从而实现远程控制阀门开关和智能计量。实现ZigBee通信方式采用自动调节节点的发射功率以降低功耗，同时通过软件配合ZigBee协议栈实现全网时间同步，达到全网同时休眠同时唤醒，平时将电磁阀控制器设为休眠模式，定时唤醒并向控制中心询问，以延长电池的使用寿命。

每一次灌溉开始前只需要预设灌溉所需水量，然后控制中心发送控制命令。通过现有无线网络，如GSM、CDMA和WLAN等传送至远程控制终端RTU，然后通过RTU转发至ZigBee无线网络并自动路由。远程的阀门控制节点接收到控制命令开/关相应电磁阀；同时，阀门控制器开启压力传感器电源，自动采集水压数据，并回发数据到控制中心。控制中心接收到水压数据，自动查找该水压下相对应的流速，并根据该次灌溉所需水量，自动计算灌溉时间。当灌溉时间到达时，控制中心自动发出命令，关闭电磁阀。整个灌溉过程只需要预设灌溉所需水量，不需要人工干预，非常智能化。在硬件设置上充分考虑低功耗的要求。

本发明的目的是这样达到的：