遠程農(nóng)用機井水電計量設備設計與研制

王明飛+田宏武+張石銳 李金雷

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.13.049摘要：為改善傳統(tǒng)農(nóng)用機井水電計量方式，提高計量設備與服務器之間通信質量，設計了一種基于射頻卡的遠程水電計量設備。設備利用射頻識別技術，采用水表電表計量相結合的方式，利用GPRS和無線電臺雙重傳輸方式的同步服務器，實現(xiàn)對機井及用戶狀態(tài)的實時監(jiān)測，完成對灌區(qū)用水的精確管理。試驗結果表明，該計量設備能準確采集用水信息，并及時穩(wěn)定同步服務器數(shù)據(jù)，適應農(nóng)村偏遠地區(qū)。

關鍵詞：水電計量；射頻卡；數(shù)據(jù)傳輸；遠程農(nóng)用機；電路設計；系統(tǒng)軟件設計

中圖分類號： TP29； S274. 4文獻標志碼： A[HK]

文章編號：1002-1302（2017）13-0177-04[HS）][HT9.SS]

收稿日期：2016-03-17

基金項目：公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（編號：201203012-4-1）；北京市科技計劃（編號：D151100004115004）；國家科技支撐計劃（編號：2015BAD20B03）；北京市農(nóng)林科學院院創(chuàng)新能力建設專項（編號：KJCX20141411）。

作者簡介：王明飛（1984—），男，安徽合肥人，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)自動化研究。E-mail：wangmf@nercita.org.cn。

[ZK）]

水資源日益緊缺，而農(nóng)業(yè)灌溉用水占總用水量比例最高[1]。目前，我國北方農(nóng)村地區(qū)水資源開發(fā)不合理，使得人水矛盾日益激化。如何科學體現(xiàn)農(nóng)用水資源的價值，一直是農(nóng)業(yè)灌溉計量設施行業(yè)討論的熱點?，F(xiàn)階段，灌區(qū)內常利用機井開采地下水進行灌溉，但對農(nóng)用機井的管理存在諸多弊端，如計量方式不合理、存在送“人情”水現(xiàn)象、同步計量設備手段單一[2-5]。

因此，本研究設計一種基于IC卡的遠程水電計量設備，以電量折算水量和水表雙結合方式，解決以往單一以水表計量方式存在的問題[6]；計量過程無人干預，杜絕送水現(xiàn)象。本設備以射頻存儲技術為基礎，計量用戶用水，操作簡單易用，能夠實時監(jiān)測用戶用水、機井水位等信息，控制機井水泵，并通過GPRS和無線電臺雙重同步服務器傳輸數(shù)據(jù)，在無公共網(wǎng)絡信號時，仍可正常工作，適應農(nóng)村及偏遠地區(qū)現(xiàn)場無線環(huán)境，為地下水資源統(tǒng)一管理提供保證。

1遠程農(nóng)用機井用水計量系統(tǒng)應用

用水管理中心、用戶和機井構成整個機井水電計量系統(tǒng)的應用主體[7]，如圖1所示。用水管理中心要設置機井編號、用水限額、使用權限、水電折算系數(shù)、水費率、位置等信息，添加用戶的編號、權限、余額等，登記所轄范圍內所有機井和用戶信息。用戶開卡之后，在管理單位充值買水；用戶現(xiàn)場用水，共需刷卡2次，首次刷卡，設備讀取用戶卡中余額，再扣除固定金額，不足固定金額時扣除全部余額，然后啟動水泵，當消費完所扣金額，關水泵，若尚未使用完已扣金額，在第2次刷卡時關水泵并補回剩余費用。

[FK（W10][TPWMF1.tif][FK）]

2遠程農(nóng)用機井水電計量設備總體硬件結構

水電計量設備主要由電源電路、指示模塊、采集單元、控制單元、刷卡模塊、存儲模塊以及通信模塊等組成。設備硬件總體結構如圖2所示。

[FK（W10][TPWMF2.tif][FK）]

核心處理器選用意法半導體公司的STM32F103，該芯片時鐘頻率最高可達72 MHz，片內含有大容量存儲器，集成了AD、DA、USB轉換器及網(wǎng)絡控制器等功能，還包含了多個UART、SPI接口，并支持停機、睡眠和待機3種低功耗模式[8]。

指示模塊分顯示和語音2個部分，其中顯示部分顯示用戶信息，而語音模塊則為用戶提示顯示信息中的關鍵部分，如本次使用金額和用戶余額等；采集單元包括采集水表、電表、壓力、水位等傳感器信息，可為控制單元提供反饋信息；控制單元則完成對水泵的控制；設備通過刷卡模塊實現(xiàn)卡片信息交互；存儲單元暫時保存狀態(tài)和本機地址等信息。為與管理單位服務器同步，設備還設計了通信模塊，其中包括GPRS模塊和RS485模塊。GPRS模塊主要用于上傳用戶用水記錄，而RS485模塊則用于連接無線電臺。

考慮農(nóng)村現(xiàn)場實際情況，在水電計量設備外圍另有電氣保護裝置，包括漏電保護、防雷器件、相序保護和過熱防護等，有效地預防了農(nóng)村電力不穩(wěn)、水泵異?？ㄋ馈⒃O備安全等問題。

2.1電源電路

設備使用380 V交流電輸入，首先由變壓器轉為220 V交流電，再經(jīng)AC-DC模塊轉成DC5 V、DC24 V。模塊選用金升陽公司生產(chǎn)的LH20-10D0524，其輸入電壓動態(tài)范圍寬，負載能力強，具有過壓過流保護功能，滿足后級電路功率瞬態(tài)變化要求，提高了設備運行穩(wěn)定性。DC5 V經(jīng)過LDO芯片（AMS公司，AMS1117）轉化為DC3.3 V，為微處理器、存儲器、卡片讀寫芯片、聲音芯片等供電，為系統(tǒng)控制中的關鍵電源；DC24 V供給繼電器，用于間接控制水泵。在電源拓撲中，另須注意的是供給GPRS的DC12 V，為滿足GPRS模塊（SIMCOM公司，SIM900A）的瞬態(tài)功率要求，選用專用DC-DC模塊（金升陽公司，URB-6WR2），并輔以大容量儲能電容，以保證模塊正常工作。電源設計中的強電與弱電均采用隔離技術，有效消除串擾噪聲。設備中完整電源拓撲結構如圖3所示。[FL）]

2.2讀寫射頻卡電路設計

讀卡器主要由天線、接收電路、EMC電路（去干擾電路）和匹配電路組成。其中主芯片選用恩智浦公司的MRFC522，芯片內置可解調譯碼的模擬電路，支持ISO14443/Mifare通信協(xié)議，具有SPI/IIC/UART通信接口。

當讀卡器感應到MIFARE卡時，能量經(jīng)天線以較小損耗傳輸至接收電路，在MFRC522內部對信號進行解調處理；讀卡器發(fā)射的信號，首先通過EMC電路，以便有效地抑制諧波，再由匹配電路經(jīng)天線傳遞到MIFARE卡中并存儲信息。讀卡電路如圖4所示。讀卡器天線與MIFARE卡之間的能量傳輸使用變壓器原理，讀卡距離主要受讀卡器天線大小、匹配電路品質以及環(huán)境的影響。一般情況下，當讀卡器天線和卡線圈的距離等于讀卡器天線的半徑時，耦合系數(shù)最高，雙方傳遞能量損耗最少。根據(jù)實際需求，設備設計7 cm×11 cm環(huán)形天線，實際測量得到的有效通信距離在8.1 cm左右。[FL）]endprint

[FK（W16][TPWMF4.tif][FK）]

[FL（2K2]2.3通信模塊電路設計

通信模塊電路分為GPRS與無線傳輸電路2個部分。在有GPRS公網(wǎng)信號覆蓋的情況下，設備優(yōu)先使用GPRS通信方式上傳數(shù)據(jù)至服務器中；在農(nóng)村偏遠地區(qū)，GPRS信號較弱甚至沒有，為保證設備與服務器之間穩(wěn)定同步通信，設計了無線電臺控制單元。電臺選用固迪公司的GD230BH，其頻率范圍為223～235 MHz，[JP3]支持GMSK/4FSK調制方式，提供EIA-485數(shù)據(jù)接口，DC12 V供電，最大傳輸距離可達數(shù)十千米。使用時，通過專用設置軟件配置參數(shù)，傳輸協(xié)議選用透明傳輸（圖5）。[JP]

3遠程農(nóng)用機井水電計量設備系統(tǒng)軟件設計

[CM（24]水電計量設備是多任務的實時系統(tǒng)，對各子功能模塊實[CM）]

[FK（W6][TPWMF5.tif][FK）]

時性要求較高，傳統(tǒng)程序順序執(zhí)行方式很難控制子模塊的執(zhí)行時間，不能及時響應突發(fā)事件。μC/OS-Ⅱ是一個可移植裁剪的占先式實時多任務內核，可同時管理的任務多達64個。綜合考慮，采用μC/OS-Ⅱ實時操作系統(tǒng)。設備軟件主要通過采集水表和電表數(shù)據(jù)，獲取用戶本次使用金額，并在MIFARE卡中扣除，同時將用水信息傳送至服務器中。

3.1設備任務設計

μC/OS-Ⅱ中程序運行的基本單位是任務，軟件設計將灌溉控制器中每1個功能子模塊與μC/OS-Ⅱ中的1個任務對應。設備中各任務如圖6所示。[FL）]

[FK（W18][TPWMF6.tif][FK）]

[FL（2K2]程序調用OSStart（ ）啟動μC/OS-Ⅱ，任務得到CPU控制權。OSStart（ ）函數(shù)可用于完成硬件系統(tǒng)的基本設置，啟動時間節(jié)拍，并創(chuàng)建其他應用任務。任務創(chuàng)建后，程序首先讀取存儲器和實時時鐘中數(shù)據(jù)，以便校正設備參數(shù)；當感應到有射頻卡并有權限執(zhí)行開泵時，讀寫卡任務讀取射頻卡中信息，如用戶編號、用戶余額和水井限額剩余等，然后通過顯示任務將卡片信息顯示在設備屏幕中，并在語音任務中提示開泵成功與否；若是關泵，則將信息回寫到用戶卡中并提示本次使用金額和用戶余額等。

采集任務能夠實時地采集各種傳感器信息，如水表、電表、水位、壓力等信息，并將數(shù)據(jù)保存至存儲器中。計量任務從采集任務中獲取水表和電表用量信息，首先根據(jù)電表用量和水電折算系數(shù)，算出本次用水量，再與水表讀數(shù)比較，取兩者之間最大值?？刂迫蝿崭鶕?jù)存儲器中控制指令決定水泵開合。通信任務從存儲器中讀取當前以及過往傳輸失敗的用水記錄并上傳至服務器中，其傳輸優(yōu)先選擇GPRS方式，當傳輸失敗之后，自動啟動無線電臺繼續(xù)傳輸。

3.2通信任務設計

為實現(xiàn)與服務器同步控制，系統(tǒng)設計通信任務，并將其優(yōu)先級設置為最高，其任務軟件流程如圖7所示。

上電初始化后，任務首先發(fā)送1次同步信號，在確定服務器收到信號后，開啟其他任務，之后系統(tǒng)等待關水泵時發(fā)送的信號量，當用戶用水結束后，任務接收到信號量，先使用GPRS發(fā)送用戶用水記錄，等待服務器響應，若連續(xù)上傳2次不成功，自動使用無線電臺上傳數(shù)據(jù)包，等待管理中心無線電臺響應，若仍超時無響應，將此條傳輸失敗的數(shù)據(jù)包返回到設備存儲器中，并通過變量記錄傳輸失敗數(shù)據(jù)包的首地址，以便系統(tǒng)空閑時間再傳。

用戶記錄數(shù)據(jù)包格式為井號+卡號+開始時間+結束時間+本次用電量+本次用水量+水電系數(shù)+水價+剩余金額+水泵狀態(tài)。其中，井號是管理中心統(tǒng)一分配的，卡號是開卡時管理中心分配的，都具有唯一性；水電系數(shù)和水價由管理中心預先設置好。

當用戶掛失時，管理中心須對卡進行注銷，此時須服務器對設備進行設置，在每次設備上傳用戶歷史記錄后為設置信息的時機，該信息包含在中心服務器響應的數(shù)據(jù)包里。此數(shù)據(jù)包格式為井號+本次使用卡號+注銷卡號+機井新添加卡號+最新水電系數(shù)+最新水費率+機井狀態(tài)，其中，注銷卡號指取消這些卡號在此機井的使用權限，而新添卡號指可在此機井使用的新卡號，機井狀態(tài)表明此機井是否已廢棄。

4遠程農(nóng)用機井水電計量設備系統(tǒng)測試與分析

設備穩(wěn)定運行中關鍵環(huán)節(jié)是用戶和機井信息與服務器同步，而雙方通信成功率是系統(tǒng)測試的重點。為驗證本水電計量設備的通信性能，實地試驗在北京市通州區(qū)國際種業(yè)科技園區(qū)基地展開。選取5組設備安裝在5口水井中，設備與控制中心相距約5 km，分別置設備于不同無線信號環(huán)境下，為模擬出無GPRS信號覆蓋情況，將設備1與設備2采用鐵殼密封。設備中GPRS模塊選用SIM900模塊，考慮到信號衍射性[CM（25]能，將無線電臺頻率設置為[KG*5]229[KG*3]MHz。除設備1無線電臺[CM）][FL）]

[FK（W19][TPWMF7.tif；S+2mm][FK）]

[FL（2K2]所用天線增益比為3.5 dbi，其余設備均為2.5 dbi，5組天線架設高度均為4.8 m。用AT+CSQ查詢當前GPRS信號質量，5組設備信號強度分別為0、0、13、26、30，每組設備測試200次，在遠端服務器中打開監(jiān)控上位機軟件，監(jiān)測設備1次用GPRS或無線電臺方式發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包成功次數(shù)。

經(jīng)實地測試結果表明，設備的1次傳輸成功率[9]達到99.7%；在GPRS信號較好地區(qū)，GPRS通信基本能獨立完成整個設備的數(shù)據(jù)傳輸；在GPRS信號微弱地區(qū)，無線電臺能有效替代GPRS通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，但傳輸質量受天線性能的制約。實際使用時，結合系統(tǒng)軟件的重發(fā)機制設計，又可以進一步降低傳輸失敗率。水電計量設備試驗現(xiàn)場如圖8所示。

[FK（W12][TPWMF8.tif][FK）]

5結論

本研究利用GPRS、無線電通信與射頻卡技術，采用水表和電表雙計量方式，并以STM32為核心處理器，μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)為系統(tǒng)軟件，設計了一種適用于農(nóng)村大田的機井灌溉計量設備，為農(nóng)用機井用水的計量提供精確信息，緩解資源短缺與農(nóng)戶需求之間的矛盾?？紤]到農(nóng)村現(xiàn)場無線應用環(huán)境，采用GPRS與大功率無線電臺相搭配的使用方式，在無GPRS信號的情況下，仍然可以實現(xiàn)與管理端服務器的同步；本設備現(xiàn)已在通州地區(qū)得到規(guī)?；瘧谩Ｔ囼灲Y果表明，結合外觀結構上的防水設計，設備工作穩(wěn)定，能長時間連續(xù)作業(yè)不停機，最大覆蓋直徑可達13 km。

[HS2*3]參考文獻：[HJ1.85mm]

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