農(nóng)田節(jié)水灌溉計量控制系統(tǒng)的研究

方 正， 徐曉輝， 蘇彥莽， 宋 濤， 鄧一凡， 王利偉

(河北工業(yè)大學電子信息工程學院，天津 300401)

我國是世界上極為缺水的國家之一，農(nóng)業(yè)灌溉用水占總用水量的比例較大，但灌溉用水的有效利用率僅為發(fā)達國家的50%左右[1-5]，因此，提高農(nóng)業(yè)用水效率、發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)、合理配置水資源符合我國的國情，具有重要的戰(zhàn)略地位和作用。目前，農(nóng)田灌溉系統(tǒng)正逐步向適時適量、水肥一體[6]、精確計量[7-8]、自動控制的方向發(fā)展，而現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)灌溉計費方式相對落后，缺少對灌溉水量的精確計量及水資源的統(tǒng)一管理和控制。因此，本研究設(shè)計研制一套農(nóng)田節(jié)水灌溉計量控制系統(tǒng)，射頻IC卡(integrated circuit card，簡稱IC卡，別稱集成電路卡)在系統(tǒng)中作為用戶身份的名片，系統(tǒng)識別用戶身份后，記錄本次灌溉過程中所用的水量和電量，灌溉控制器能夠以手動和自動2種方式實現(xiàn)水肥一體的灌溉。1個用水周期結(jié)束后，管理系統(tǒng)核算用戶的總用水量，根據(jù)定額內(nèi)外不同水價的原則，超出定額的部分加價補交水費，節(jié)約的水量則予以獎勵。該系統(tǒng)的推廣將水費征收方式由原來的按用電量收取改為按用水量收取，使農(nóng)戶的繳費更直接明了，以經(jīng)濟為杠桿提高農(nóng)民的節(jié)水意識，減少水資源的無序開采和浪費，實現(xiàn)了水資源的可持續(xù)開發(fā)利用。

1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，農(nóng)田節(jié)水灌溉計量控制系統(tǒng)主要由灌溉控制器、射頻IC卡及用戶信息管理設(shè)備3個部分組成。灌溉控制器通過計量模塊對用戶的用水量和用電量進行準確計量；射頻IC卡能夠在控制器和用戶之間傳遞數(shù)據(jù)信息；用戶信息管理設(shè)備為射頻IC卡充值，管理用戶水電等信息。用戶在控制器上刷卡，完成用戶身份的識別，灌溉控制器可以通過手動和自動2種方式進行水肥灌溉，系統(tǒng)自動計量用水量和用電量，完成余額的消減，最后由IC卡讀寫模塊余額寫到射頻IC卡中，完成灌溉過程。

2 系統(tǒng)原理

每個用戶持射頻IC卡在系統(tǒng)管理員處開卡沖入額定的水量和電量，該卡能夠在多個機井的灌溉控制器上使用，實現(xiàn)了1張射頻IC卡能夠在多處機井中使用，1處機井能夠容納多個用戶使用的功能。此外，當用戶正在刷卡灌溉時，該卡就不能在其他機井處使用。只有當用戶在該機井使用完畢，并把相應的用水量、用電量數(shù)據(jù)信息寫入用戶射頻IC卡后，該用戶才可以在其他機井處使用。

用戶刷卡完成身份識別，卡內(nèi)的剩余水量和電量會分別顯示出來，當卡內(nèi)的用水量或用電量小于設(shè)定值時自動停止灌溉。該節(jié)水灌溉系統(tǒng)的灌溉方式主要分為手動模式和自動模式，操作模式的切換通過灌溉控制器上的旋轉(zhuǎn)開關(guān)來實現(xiàn)。當旋轉(zhuǎn)開關(guān)的檔位位于手動時，用戶可通過控制器上的船型開關(guān)，根據(jù)灌溉過程中的實際情況，隨時開啟、關(guān)閉灌溉系統(tǒng)的灌溉泵、肥料泵、攪拌泵。灌溉過程中，系統(tǒng)會自動顯示、計量所用水量和電量，灌溉結(jié)束后水量和電量會被自動扣除，系統(tǒng)會自動把余額寫入用戶的射頻IC卡中。當旋轉(zhuǎn)開關(guān)的檔位位于自動時，用戶可以點擊觸摸屏上的設(shè)定按鈕進入灌溉時間的設(shè)置界面。通過調(diào)節(jié)增減按鈕可以分別設(shè)置灌溉泵、肥料泵、攪拌泵的各自運行時間，設(shè)置完成按啟動按鈕即可進行農(nóng)田灌溉施肥。灌溉過程中觸摸屏會實時顯示剩余的灌溉時間和所用水量、電量及各個機泵的工作狀態(tài)，點擊灌溉控制界面的暫停或停止按鈕可以實時終止灌溉，灌溉結(jié)束后水量和電量會被自動扣除，系統(tǒng)會自動把余額寫入用戶的射頻IC卡中。

系統(tǒng)設(shè)定了階梯水價，實行定額限制、超量加價、節(jié)約有獎的原則。系統(tǒng)依據(jù)每個用水戶的用水定額，系統(tǒng)自動算出用戶的平價水量、高價水量，1個用水周期結(jié)束后，用水戶到系統(tǒng)管理員處進行用水量的核定和余額結(jié)算，超出限額的部分依據(jù)階梯水價補交費用，節(jié)約部分則予以經(jīng)濟獎勵，沒有用完的水量可以轉(zhuǎn)到下一個用水周期或者直接退還現(xiàn)金，保證農(nóng)戶用水公平合理。

為防止系統(tǒng)在非正常情況下關(guān)閉導致卡內(nèi)信息丟失，用戶第1次刷卡后和灌溉過程中用戶的卡內(nèi)信息和實時用水用電信息會備份在內(nèi)存中。若系統(tǒng)正常關(guān)閉，則更新卡內(nèi)信息并自動刪除備份記錄。若系統(tǒng)因斷電而沒有正常結(jié)束，則當下一個用戶進行灌溉時，系統(tǒng)將首先比較數(shù)據(jù)存儲器緩存區(qū)信息中的卡號信息與當前用戶的卡號信息，如有匹配項將對用戶卡內(nèi)的信息進行更新。

3 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路主要由單片機、外部存儲器、人機交互模塊、射頻IC卡讀寫模塊、機泵控制模塊、計量模塊、串口通信電路等組成。

3.1 單片機與外部存儲器

選用STC15W4K60S4為主控芯片，它是宏晶科技生產(chǎn)的寬電壓、高速、高可靠、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度是它的8～12倍。該系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)采集、信息顯示和通信等功能，同時還可以為掉電處理數(shù)據(jù)提供保存單元，用于保存隨機存取存儲器RAM中的重要數(shù)據(jù)，如用水量、用水時間及用電量等內(nèi)容，方便在通電之后可以正確取回。該系統(tǒng)選用AT24C64作為數(shù)據(jù)存儲器，AT24C64是支持I2C協(xié)議的EEPROM存儲器，存儲容量為64 kB。雙向串行時鐘線SCL、雙向串行數(shù)據(jù)線SDA與單片機串行連接完成數(shù)據(jù)存儲。

3.2 人機交互模塊設(shè)計

選用迪文科技的DGUS屏來實現(xiàn)人機交互，它不是通過時序或指令控制顯示，而是采用直接變量驅(qū)動顯示的方式，所有的顯示和操作主要基于計算機軟件輔助設(shè)計的觸控配置文件(13 .bin)和變量配置文件(14 .bin)來工作的。使用DGUS屏進行開發(fā)，可以快速開發(fā)全圖形觸摸屏人機界面，同時省去了鍵盤電路的設(shè)計。DGUS屏須要12 V的直流供電電壓，通過連接單片機的RS232或RS485串口完成通信。迪文DGUS屏采用異步、全雙工串口，串口模式為8n1，即每個數(shù)據(jù)傳送采用10個位，包括1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個停止位。

3.3 射頻IC卡讀寫模塊

射頻IC卡選用Philips公司的Mifare1 S50，其工作頻率為13.56 MHz，通信速度為106 Kbit/s，采用EEPROM作為存儲介質(zhì)。以YW-201作為其讀寫模塊，該模塊內(nèi)嵌MF RC500射頻基站，同時支持I2C、UART 2種通訊協(xié)議。射頻天線則使用與MF RC500射頻基站相匹配的YW-300模塊，完成射頻IC卡讀寫過程。YW-300的天線發(fā)射引腳TX1、引腳TX2、接收引腳RX分別與YW-201的TX1、TX2、RX引腳相連；YW-201的發(fā)送引腳TXD、接收引腳RXD分別與單片機的TX2、RX2引腳相連，與單片機通信。YW-201射頻讀寫模塊支持自動尋卡，單片機不用頻繁發(fā)送尋卡指令。

3.4 機泵控制模塊與計量模塊

使用交流固態(tài)繼電器隔離單片機電路與機泵電路，在交流固態(tài)繼電器的輸出端并聯(lián)壓敏電阻與吸收電路，以吸收瞬變尖峰電壓起過壓保護作用，在電源相線上串接熔斷器起過流保護作用。開始灌溉施肥時，單片機輸出高電平，繼電器接通，機泵灌溉施肥；灌溉結(jié)束或余額不足時，單片機輸出低電平，繼電器斷開，機泵停止工作。

以光電耦合器隔離電路的方式連接單片機和脈沖水表，當脈沖水表輸出高電平時，使光電耦合器中的發(fā)光二極管截止，光電耦合器內(nèi)部光電三極管不導通，沒有信號輸出；當脈沖水表輸出低電平時，光電耦合器中的發(fā)光二極管和光電三極管均導通，從而單片機開始計數(shù)。

采用ATT7022作為三相電能的計量芯片，該芯片具有功耗低、精度高、輸入工作動態(tài)范圍大、非線性測量誤差小的特點，可測量各相電壓的有效值、電流有效值、功率因數(shù)等。它通過SPI接口與外部單片機通信，芯片的片選CS、串行時鐘SCLK、數(shù)據(jù)輸入DIN、數(shù)據(jù)輸出DOUT分別連接單片機的同步串行接口SPI的片選信號、串行時鐘輸入、串行數(shù)據(jù)輸入、串行數(shù)據(jù)輸出。此外，為了消除SPI接口的信號振蕩，可以在連接線上串接1個10 Ω的電阻和1個10 pF的電容，實現(xiàn)低通濾波的作用。

3.5 串口通信電路

系統(tǒng)的串口通信選用RS485協(xié)議。RS485協(xié)議采用半雙工工作方式，不但繼承了RS232、RS422協(xié)議的優(yōu)點，而且摒棄了其他協(xié)議的不足。選用MAX1487作為RS485電平信號的收發(fā)器，完成輸入、輸出信號之間的轉(zhuǎn)換。MAX1487芯片的內(nèi)部有1個驅(qū)動器和1個接收器，其中引腳RO為接收器的輸出端，引腳DI為驅(qū)動器的輸入端。在進行電路設(shè)計時與單片機的接收數(shù)據(jù)引腳RXD和發(fā)送數(shù)據(jù)引腳TXD相連即可。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 上位機軟件設(shè)計

農(nóng)田節(jié)水灌溉計量控制系統(tǒng)上位機軟件采用支持Windows XP操作系統(tǒng)的Power-designer軟件來開發(fā)，該軟件是Sybase公司的計算機輔助軟件工程工具集，使用它可以方便地設(shè)計信息管理系統(tǒng)，制作各種概念數(shù)據(jù)模型、物理數(shù)據(jù)模型，并且能夠生成多種客戶端開發(fā)工具。上位機軟件主要是對用戶購水、購電信息進行管理維護，上位機軟件流程如圖2所示。

4.2 下位機軟件設(shè)計

4.2.1 基于DWIN_OS平臺實現(xiàn)定時功能 DWIN_OS平臺采用類似匯編程序的編寫規(guī)范，允許的最大代碼空間是256 kB，在該平臺上編寫的控制程序(23 .bin)可以直接在迪文科技的DGUS屏上運行。DWIN_OS程序在每個運行周期(80、120、160、200 ms)均運行1次，DGUS屏的刷新時間和DWIN_OS的運行時間構(gòu)成整個運行周期，而且OS程序不能出現(xiàn)長的延時循環(huán)等待或死循環(huán)。該程序根據(jù)DGUS屏自身200 ms周期作為定時基準實現(xiàn)倒計時功能，只要時間設(shè)置不為0，同時按下啟動按鍵，則倒計時開始計時，按下暫停鍵則倒計時暫停計時功能，同時保持當前的時間值，再按下啟動則繼續(xù)進行倒計時，倒計時完成后通過發(fā)送命令到串口實現(xiàn)定時工作功能。DWIN_OS程序的流程如圖3所示。

4.2.2 灌溉控制器主程序 灌溉控制器軟件的功能包括控制器主程序的初始化、檢測核實用戶身份、讀取卡中數(shù)據(jù)、計量用水量和用電量、更新用戶卡內(nèi)數(shù)據(jù)信息、顯示用戶水量和電量余額、啟閉機泵。灌溉控制器主程序的流程如圖4所示。

5 結(jié)論與討論

本研究的農(nóng)田節(jié)水灌溉計量控制系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)合了射頻IC卡技術(shù)、單片機自動控制技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)。與傳統(tǒng)灌溉設(shè)備相比，該系統(tǒng)實現(xiàn)了多用戶的信息管理、階梯式的計費模式、水電量的精確計量、灌溉施肥的自動控制和觸摸式的人機交互等功能。該系統(tǒng)的使用大幅度提高了農(nóng)田灌溉系統(tǒng)的自動化程度和農(nóng)田用水的管理水平，而且系統(tǒng)操作方式簡單，農(nóng)戶易于掌握，學習成本較低，有助于幫助農(nóng)戶建立計劃用水和節(jié)約用水的意識。在試驗田中的初步測試結(jié)果表明，該設(shè)備易于推廣、管理靈活、安全可靠、達到了設(shè)計的基本要求。

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