基于單片機和射頻技術(shù)的機井雙控系統(tǒng)設(shè)計

摘要：傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉對用水量和電量采用人工計時計費，不僅浪費勞動力，而且計時計費往往不準確。為改善現(xiàn)狀，基于電子技術(shù)、測控技術(shù)、IC射頻通信技術(shù)、GPRS通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等現(xiàn)代科技手段，設(shè)計開發(fā)了一種基于單片機和射頻技術(shù)的機井雙控系統(tǒng)，以完善農(nóng)田灌溉設(shè)備和供水計量設(shè)施，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)用水的綜合管理。該系統(tǒng)基于單片機擴展渦輪流量計和電能計量模塊對水、電量進行準確測量，采用射頻IC卡對水量、電量實現(xiàn)控制;用戶通過射頻IC卡實現(xiàn)水泵/電磁閥啟、停控制，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將刷卡信息、水量/電量信息發(fā)送至遠程中心站，由具體的資費管理系統(tǒng)進行灌溉計費、扣費。設(shè)備可連接智能電表、水表，用于灌溉電量、水量測量;同時IC卡可基于液晶顯示屏實時顯示已用水量和已用電量，為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的實現(xiàn)奠定了一定的應(yīng)用基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：機井雙控;單片機;射頻IC卡;農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化

0 ? ?引言

近年來，我國農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)由傳統(tǒng)的大水漫灌逐漸向滴灌、噴灌發(fā)展，節(jié)省了大量的水資源。但目前多數(shù)灌溉方式仍然由人工掌握灌溉裝置的啟停和水的用量，不能及時掌握實時用水量和用電量。因此，對于該環(huán)節(jié)的智能化升級迫在眉睫。目前，已經(jīng)開始探索將嵌入式技術(shù)與灌溉相結(jié)合，實現(xiàn)對取水和用電進行控制。如方正等設(shè)計了一種農(nóng)田節(jié)水灌溉計量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)深度融合，同時結(jié)合IC卡射頻技術(shù)和單片機自動控制技術(shù)，集成了購水、購電、用戶信息采集等功能[1]。查懷宇設(shè)計了一種基于GPRS技術(shù)的射頻卡控制器終端，以低功耗芯片STM8L152R8T6為核心，根據(jù)現(xiàn)實生活中農(nóng)業(yè)灌溉的需求情況，所設(shè)計的射頻卡控制器能識別用戶卡、設(shè)置卡、管理卡等眾多射頻卡，不同卡有不同的功能[2]。黨倩瀅等提出了一種基于RFID技術(shù)的農(nóng)田機井灌溉管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用嵌入式微控制器LPC2103及射頻芯片MF-RC522來構(gòu)建，通過射頻IC卡作為信息傳輸?shù)拿浇椋赃_到節(jié)水及提高效率的目的[3]。呂奧將RFID技術(shù)及GPRS技術(shù)相結(jié)合運用到智能灌溉領(lǐng)域，開發(fā)了農(nóng)業(yè)灌溉控制終端機，實現(xiàn)灌溉用水的計算機遠程計量、控制和管理功能[4]。上述方法和技術(shù)均已實現(xiàn)基于射頻技術(shù)對水量進行采集和控制，但實際灌溉過程中，還需要考慮消耗的電量。

本文在充分考慮機井灌溉控制研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出基于單片機、傳感器和射頻技術(shù)實現(xiàn)對灌溉過程中水量和電量的動態(tài)監(jiān)測，并可以基于射頻技術(shù)實現(xiàn)精確的灌溉，以節(jié)約水資源。

1 ? ?總體方案設(shè)計

為實現(xiàn)基于射頻卡的灌溉的啟動和關(guān)閉功能、實時計算水量和電量功能，本文設(shè)計了如圖1所示的機井雙控方案。

如圖1所示，以單片機為控制核心，通過渦輪流量計采集當(dāng)前流量，并根據(jù)運行時間，計算出已用水量，電能計量模塊可以對系統(tǒng)運行消耗電量進行采集;射頻模塊控制水泵電機啟?；蚬艿篱y門開閉，實現(xiàn)刷卡用水、刷卡停水;通過顯示模塊，能夠顯示用戶IC卡號、姓名、機井累計取水量、當(dāng)前用戶IC卡余額、累計用水量、機井當(dāng)前水位等數(shù)據(jù)信息;鍵盤模塊可以對管理員開放，實現(xiàn)對設(shè)備的功能禁用和權(quán)限開放等方式的設(shè)置。

2 ? ?硬件設(shè)計

硬件設(shè)計中主要介紹了基于單片機控制器擴展主要接口電路的過程。如圖2所示，為基于單片機的控制器設(shè)計原理圖，已經(jīng)將需要的引腳功能引出并進行了編號。

圖3所示為射頻IC卡原理圖，可以實現(xiàn)對射頻卡的信息讀入和分析，從而實現(xiàn)灌溉控制。

圖4所示為繼電器控制原理圖。

3 ? ?軟件設(shè)計及調(diào)試

系統(tǒng)軟件主要是通過軟件編程驅(qū)動設(shè)計的硬件電路能夠正常工作，具體功能包括單片機對各個模塊即傳感器模塊、射頻模塊、顯示模塊、繼電器模塊等的控制?？偝绦蛘＿\行的情況下可以實現(xiàn)水電雙控、智能灌溉的功能。

本系統(tǒng)主要由控制管理模塊、傳感器模塊、射頻模塊三部分組成?？刂乒芾砟K主要由單片機、鍵盤模塊和顯示模塊等部分組成，實現(xiàn)機井雙控系統(tǒng)中控制命令的輸出和重要信息的顯示等功能，液晶顯示屏顯示人機交互結(jié)果。傳感器模塊主要是由渦輪流量計、電能計量模塊組成，可以實現(xiàn)對水量和電量的實時監(jiān)測;射頻模塊主要用于讀取用戶的水流量及電量，并且可以啟動和停止水泵和開閉管道閥門。

經(jīng)過實際驗證，本文所設(shè)計的機井雙控系統(tǒng)達到了預(yù)期效果，實現(xiàn)了預(yù)期功能。

4 ? ?結(jié)論

本文在充分考慮機井灌溉控制研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出基于單片機、傳感器和射頻技術(shù)實現(xiàn)對灌溉過程中水量和電量的動態(tài)監(jiān)測，并可基于射頻技術(shù)實現(xiàn)精確的灌溉，以節(jié)約水資源。具體成果和結(jié)論如下：

（1）設(shè)計了基于單片機和射頻模塊的機井雙控控制系統(tǒng)硬件，實現(xiàn)了基本的硬件功能;

（2）設(shè)計了基于硬件的機井雙控軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了對硬件功能的驅(qū)動;

（3）實驗結(jié)果證明了本文設(shè)計的方案的有效性和可行性。

[參考文獻]

[1] 方正，徐曉輝，蘇彥莽，等.農(nóng)田節(jié)水灌溉計量控制系統(tǒng)的研究[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，46（2）：173-175.

[2] 查懷宇.基于GPRS技術(shù)的射頻卡控制器終端設(shè)計[D].濟南：山東大學(xué)，2019.

[3] 黨倩瀅，淡丹，楊文健，等.基于RFID技術(shù)的農(nóng)田機井灌溉管理系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2017，25（20）：51-55.

[4] 呂奧.智能灌溉終端機設(shè)計[D].太原：太原科技大學(xué)，2017.

收稿日期：2020-07-22

作者簡介：李濤（1984—），男，陜西乾縣人，工程師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。