智能井灌取用水管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

張佼龍　李森

摘 要 為了提高井灌管理的信息化水平，采用了微電腦、集成電路、傳感器、射頻IC卡等技術(shù)，開(kāi)發(fā)了IC卡井灌取用水管理系統(tǒng)。系統(tǒng)以取用水控制器為核心，主要由射頻IC卡、機(jī)井灌溉收費(fèi)機(jī)、機(jī)井灌溉收費(fèi)控制箱、管理系統(tǒng)以及水電計(jì)量單元構(gòu)成。實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控、定時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)、斷電數(shù)據(jù)保護(hù)、遠(yuǎn)程召測(cè)、IC卡充值、遠(yuǎn)程控制水泵、日志記錄、防雷擊等功能。該系統(tǒng)在多個(gè)大中型灌區(qū)得到實(shí)際應(yīng)用，表明技術(shù)領(lǐng)先、功能完備、安裝便捷、使用方便。

關(guān)鍵詞 射頻IC卡；節(jié)水灌溉；GPRS/GSM；管理系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào) TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）17-0230-03

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

智能井灌取用水管理系統(tǒng)是針對(duì)農(nóng)業(yè)井灌進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的智能化監(jiān)控系統(tǒng)，在取用水點(diǎn)安裝射頻IC卡取用水控制器，可通過(guò)對(duì)用水時(shí)間、用水流量、用水電量等計(jì)量方式進(jìn)行收費(fèi)管理；可對(duì)水井水位、水泵電流、電壓等信息進(jìn)行采集，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)水泵啟停、電動(dòng)閥開(kāi)閉等控制。通過(guò)GPRS/GSM等無(wú)線通訊方式與管理中心聯(lián)網(wǎng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各取用水單位。如取用水單位出現(xiàn)人為斷電、外加水泵，水表?yè)p壞等情況，系統(tǒng)顯示故障并報(bào)警。管理中心可根據(jù)需要，控制水泵啟停，對(duì)欠繳水資源費(fèi)的用戶(hù)，經(jīng)授權(quán)可遠(yuǎn)程控制用水單位的電動(dòng)閥門(mén)、水泵啟停，實(shí)現(xiàn)水資源管理與監(jiān)控的自動(dòng)化、一體化。同時(shí)，管理系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)顯示用水戶(hù)信息、用水?dāng)?shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)水井運(yùn)行狀況、自動(dòng)生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表、圖表、IC卡收費(fèi)管理等功能。

1.2 主要功能模塊

1）初始化。通過(guò)上位機(jī)應(yīng)用軟件，通過(guò)桌面讀卡器，利用上位機(jī)管理軟件制作設(shè)置卡，將初始化設(shè)置信息寫(xiě)入射頻卡或者IC卡。用戶(hù)持卡在取水控制器上刷卡，從而將設(shè)置卡的設(shè)置信息寫(xiě)入到取水控制器。初始化設(shè)置的參數(shù)包括取水控制器標(biāo)識(shí)號(hào)、消費(fèi)價(jià)格描述、報(bào)警信息，參數(shù)在數(shù)碼管顯示符號(hào)如表1所示。設(shè)置成功后，蜂鳴器長(zhǎng)鳴一次，逐次顯示下表信息（間隔1秒），最終顯示序號(hào)7的符號(hào)；設(shè)置不成功，短鳴5次，序號(hào)8中的符號(hào)閃爍。

2）計(jì)費(fèi)及扣費(fèi)。共有計(jì)電型、計(jì)水型、計(jì)時(shí)型、電水轉(zhuǎn)換型、水電計(jì)量方式型等5種計(jì)費(fèi)方式。其中計(jì)電型需要外接三相電子式電能表，計(jì)水型需要外接脈沖式水表?？圪M(fèi)程序如下。（1）取水控制器在無(wú)人使用即空閑狀態(tài)的時(shí)候，交流接觸器處于斷開(kāi)狀態(tài)，同時(shí)合閘狀態(tài)指示燈熄滅，數(shù)碼管顯示“-----”。（2）用戶(hù)持卡在取水控制器上第一次劃卡，數(shù)碼管顯示卡內(nèi)剩余余額，“uxxxx”。如果余額低于下限值，則發(fā)出報(bào)警信息，提示“請(qǐng)及時(shí)充值”。如果余額為0，則顯示“余額不足，請(qǐng)充值”。（3）3s后，用戶(hù)第二次刷卡，如果剩余電量（或剩余水量、剩余金額）不為0，接觸器吸合（合閘指示燈亮），水泵開(kāi)始供水。（4）對(duì)于計(jì)電型，電表每走1度電，控制器內(nèi)的剩余電量就減1度電；對(duì)于計(jì)水型，水表每走1t水，控制器內(nèi)的剩余水量就減1噸水；如果計(jì)量時(shí)間，每用電0.1元，控制器內(nèi)的剩余金額就減0.1元。（5）第三次當(dāng)本次用水完成后，用戶(hù)再次劃卡，關(guān)閉水泵，同時(shí)將控制器內(nèi)的剩余電量（或剩余水量、剩余金額）存入用戶(hù)卡內(nèi)并對(duì)用戶(hù)按照用戶(hù)編號(hào)、剩余金額存入取水控制器存儲(chǔ)器，同時(shí)顯示用戶(hù)卡卡內(nèi)余額大約5s，數(shù)碼管顯示“-----”，控制器處于空閑狀態(tài)，以便其他用戶(hù)繼續(xù)使用。（6）在用水過(guò)程中如果余額低于下限值，控制器自動(dòng)發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警，提示農(nóng)戶(hù)“卡內(nèi)余額不足，需要及時(shí)充值”。

2 系統(tǒng)性能分析

2.1 實(shí)驗(yàn)工況

為驗(yàn)證智能井灌取用水管理系統(tǒng)的可用性，根據(jù)《機(jī)井灌溉控制器測(cè)評(píng)方案大綱》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)、戶(hù)外模擬測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)主要包括產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性、電氣部分、使用方便、數(shù)據(jù)傳輸、配套軟件等方面，選擇了2個(gè)樣品，嚴(yán)格按照跌落、振動(dòng)、溫度、濕度、電磁環(huán)境、電壓波動(dòng)、防雷、防雨等8個(gè)項(xiàng)目逐一進(jìn)行檢測(cè)。跌落測(cè)試檢測(cè)，是在距地面1M高度，3次自由跌落；振動(dòng)檢測(cè)是在頻率10Hz～150Hz～10Hz，循環(huán)5次的振動(dòng)試驗(yàn)；溫度檢測(cè)是在溫度-5℃、-65℃環(huán)境各1h后，恢復(fù)常溫；濕度監(jiān)測(cè)是在40℃、90%RH環(huán)境2h后，恢復(fù)正常大氣條件；磁場(chǎng)檢測(cè)是在磁場(chǎng)強(qiáng)度10A/m、磁場(chǎng)50頻率/Hz中對(duì)X、Y、Z的3個(gè)線圈方向，持續(xù)時(shí)間30s進(jìn)行測(cè)試；電壓波動(dòng)抗擾度試驗(yàn)中，在額定電壓380V±15%條件下持續(xù)測(cè)試10min；防雷抗擾度試驗(yàn)中，在電壓±1 000和±2 000條件下測(cè)試；防雨測(cè)試是按照IPX5等級(jí)進(jìn)行防雨測(cè)試。

戶(hù)外模擬測(cè)試主要檢測(cè)產(chǎn)品的固態(tài)存儲(chǔ)功能、數(shù)據(jù)采集、異常處理及IC卡部分功能。模擬實(shí)際用水流程，驗(yàn)證系統(tǒng)量測(cè)精度。

實(shí)際應(yīng)用測(cè)試。為驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，研究人員和灌溉用戶(hù)在某灌區(qū)安裝部署一套產(chǎn)品，進(jìn)行實(shí)際刷卡量測(cè)，并對(duì)比人工測(cè)流，檢測(cè)系統(tǒng)可靠性和易

用性。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)中，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)跌落、振動(dòng)、溫度、濕度、電磁環(huán)境、電壓波動(dòng)、防雷、防雨等8個(gè)項(xiàng)目分別實(shí)驗(yàn)檢測(cè)后，檢測(cè)樣品通電后能夠正常開(kāi)機(jī)，自檢正常，刷卡后參數(shù)顯示正常，評(píng)定為合格。

戶(hù)外模擬測(cè)試中，測(cè)評(píng)了防觸電、設(shè)備接入、計(jì)量精度、數(shù)據(jù)上傳等31個(gè)項(xiàng)目。泵開(kāi)啟后，連續(xù)運(yùn)行10min，水量、電量實(shí)際檢測(cè)值與控制器記錄值對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表2、表3，總體上看，量測(cè)值小于標(biāo)準(zhǔn)值，誤差均小于2%，滿(mǎn)足產(chǎn)品出廠要求，評(píng)定為合格。

實(shí)際應(yīng)用測(cè)試中，針對(duì)刷卡控制泵站啟停反應(yīng)時(shí)間和刷卡計(jì)費(fèi)靈敏度等是否符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和用戶(hù)要求，進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4，啟停各刷卡10次，響應(yīng)10次，響應(yīng)正常率100%，響應(yīng)時(shí)間控制在0.5s內(nèi)。刷卡扣費(fèi)10次，正確率100%，刷卡操作靈敏度，反應(yīng)時(shí)間控制在1s內(nèi)，無(wú)延時(shí)異?，F(xiàn)象，延時(shí)可控率100%。評(píng)定為合格。

綜上所述，針對(duì)智能井灌取用水管理系統(tǒng)主要功能、計(jì)量精度、系統(tǒng)可靠性等方面的測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范，計(jì)量數(shù)據(jù)可靠，有較強(qiáng)的抗干擾措施，運(yùn)行穩(wěn)定。綜合評(píng)定為合格。

3 結(jié)論

智能井灌取用水管理系統(tǒng)，滿(mǎn)足了井灌管理現(xiàn)代化的需求，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室、野外模擬和實(shí)地的多工況產(chǎn)品評(píng)測(cè)，主要有以下結(jié)論：

1）智能井灌取用水管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了定時(shí)上報(bào)、主動(dòng)報(bào)警功、斷電數(shù)據(jù)保護(hù)、遠(yuǎn)程召測(cè)、IC卡充值、遠(yuǎn)程控制水泵啟停及設(shè)置、日志紀(jì)錄及打印

功能。

2）系統(tǒng)水量、電量量測(cè)誤差在2%以?xún)?nèi)，系統(tǒng)刷卡控制反應(yīng)時(shí)間為0.3s～0.7s，在誤差允許范圍內(nèi)，滿(mǎn)足產(chǎn)品技術(shù)要求和用戶(hù)使用

要求。

3）該系統(tǒng)性能可靠、功能全面、運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可維護(hù)性好、易用性強(qiáng)，可以在相似灌區(qū)推廣應(yīng)用。

本系統(tǒng)已獲得水利先進(jìn)實(shí)用產(chǎn)品（技術(shù)）測(cè)評(píng)證書(shū)，并納入了《2016年水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)重點(diǎn)推廣指導(dǎo)目錄》。本系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，提高了井灌效益，解決了農(nóng)業(yè)井灌區(qū)長(zhǎng)期存在的水費(fèi)（電費(fèi)）計(jì)量不準(zhǔn)、拖欠及人為浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)象，改變了以往查表收費(fèi)的落后方式，降低了管理成本，對(duì)以信息化推進(jìn)井灌管理現(xiàn)代化，提高地下水資源管理水平具有重要

意義。

參考文獻(xiàn)

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