水電雙計(jì)遠(yuǎn)程控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉露露，高宇恒，趙俊鋒

（南陽(yáng)理工學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473004）

2021年2月1 日河南省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳部門(mén)下發(fā)《關(guān)于做好高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項(xiàng)目區(qū)用水計(jì)量設(shè)施安裝工作通知》，農(nóng)用智能灌溉設(shè)備設(shè)計(jì)與制造被提上日程，因此亟待創(chuàng)造出健全的水價(jià)改革管理機(jī)制及智能化的計(jì)量設(shè)施，來(lái)緩解當(dāng)前用水和計(jì)量方式不合理的情況。近些年來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)高速發(fā)展，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)普及，物聯(lián)網(wǎng)已逐漸滲透人們的生活中。即使在農(nóng)村，智能手機(jī)和4G網(wǎng)絡(luò)也相當(dāng)普及。這就為計(jì)量設(shè)備智能化，使用移動(dòng)支付的新方式創(chuàng)造了條件。本課題正是在這種情況下設(shè)計(jì)出一款水電雙計(jì)遠(yuǎn)程控制器。

1 水電雙計(jì)遠(yuǎn)程控制器總體設(shè)計(jì)

智能化用水計(jì)量設(shè)施已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要需求，政府相關(guān)文件提出要實(shí)現(xiàn)灌溉過(guò)程用水用電數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，支持計(jì)費(fèi)、充值，用水受水價(jià)改革系統(tǒng)統(tǒng)一管理。目前大部分地區(qū)已經(jīng)完成了基礎(chǔ)設(shè)施的安裝工作，但是仍然存在部分地區(qū)未能將智能灌溉設(shè)施實(shí)施到位，人們采用機(jī)械和人力灌溉的方式依然存在。此外，以往的農(nóng)業(yè)灌溉采取的“以電測(cè)水”或者只計(jì)電費(fèi)而不計(jì)水費(fèi)的方式，造成了水資源的浪費(fèi)，不利于綜合水價(jià)改革[1]。所以需設(shè)計(jì)一款基于農(nóng)用智能灌溉的能夠精準(zhǔn)計(jì)量用水和用電量并能夠準(zhǔn)確換算消費(fèi)金額的控制器，且能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，方便遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理。

水電雙計(jì)的遠(yuǎn)程控制器核心是精準(zhǔn)測(cè)量灌溉過(guò)程中用電量和用水量，并將其轉(zhuǎn)化為消費(fèi)金額上傳至遠(yuǎn)程控制終端。除此之外，還能夠?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)，手機(jī)APP數(shù)據(jù)查看管理及繳費(fèi)等功能。該控制器由硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)2部分組成。硬件部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)于用水量和用電量的采樣，水電計(jì)量模塊與數(shù)據(jù)處理模塊之間的通信電路設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)處理模塊與遠(yuǎn)程管理中心網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，人機(jī)交互模塊電路設(shè)計(jì)。軟件部分主要對(duì)水電采集模塊與數(shù)據(jù)處理中心程序參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)處理模塊初始化程序設(shè)計(jì)，4G遠(yuǎn)傳驅(qū)動(dòng)程序及人機(jī)交互模塊程序設(shè)計(jì)等[2]。針對(duì)以上設(shè)計(jì)需求，控制器總體設(shè)計(jì)方案圖如圖1所示。

圖1 總體方案設(shè)計(jì)圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 水量計(jì)量部分硬件設(shè)計(jì)

MBUS通信協(xié)議是水量計(jì)量模塊的核心，是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。采用支持MBUS CJ/T188協(xié)議水表；命令報(bào)文格式為二進(jìn)制，MBUS主站和水表只要能夠識(shí)別ASCⅠⅠ即可識(shí)別命令完成數(shù)據(jù)傳輸。

MBUS全稱Meter Bus，是歐洲提出的儀表抄表數(shù)據(jù)總線，其使用了2根無(wú)極性總線連接，分別為M+和M-，雖然標(biāo)的有正負(fù)，但實(shí)際接線并不區(qū)分正負(fù)極。并且這2根通信線電壓較高，遠(yuǎn)程傳輸電能線損較小，總線同時(shí)具備通信和供電的功能。MBUS主站和從站的數(shù)據(jù)傳送方式不同，分別采用電壓調(diào)制和電流調(diào)制。主站向從站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，用電壓值的高低跳變傳輸數(shù)據(jù)，總線電壓為36 V時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)“1”，當(dāng)總線電壓減小至24 V時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)“0”。從站水表向MBUS主站返回?cái)?shù)據(jù)采用電流信號(hào)，此時(shí)電壓保持36 V，從站向主站發(fā)送“1”時(shí)，總線電流為最小的1.5 mA；當(dāng)發(fā)送“0”時(shí)，總線中電流增加11～20 mA[3]。

2.2 電量計(jì)量部分硬件設(shè)計(jì)

HT7038芯片通過(guò)采樣電阻得到三相電壓和三相電流值，并通過(guò)芯片內(nèi)部的計(jì)算、校正和補(bǔ)償，得到有功功率、有功能量等參數(shù)并儲(chǔ)存于芯片內(nèi)部寄存器中，通過(guò)SPⅠ串口與4G模塊交換數(shù)據(jù)，即可將用電量數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)處理模塊。HT7038芯片提供三路電壓通道，三路電流通道，具有SPⅠ通信接口，并且能提供有功和無(wú)功功率脈沖輸出。

以A相為例，HT7880電壓通道最大模擬輸入電壓為500 mV。電壓采樣電路采用7個(gè)330 k的電阻與1個(gè)1.2 k的電阻串聯(lián)設(shè)計(jì)，7個(gè)330 k的電阻主要是負(fù)責(zé)分壓，1.2 k的電阻作為采樣電阻[4]。HT7038的VAP引腳接在采樣電阻與分壓電阻之間，采集該點(diǎn)的電壓信號(hào)。本設(shè)計(jì)按照220 V額定電壓計(jì)算，采樣電阻的電壓為114 mV，電壓通道輸入的有效值為1～500 mV，滿足芯片設(shè)計(jì)要求。VAN引腳是與VAP引腳相對(duì)應(yīng)的差分引腳，使其經(jīng)1.2 k的電阻后接地，形成對(duì)地差分，保證了電壓采樣的準(zhǔn)確性。

同樣以A相為例，經(jīng)電流互感器所得電流引入采樣電路得到弱電信號(hào)，經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)，接入HT7038的ⅠAP、ⅠAN引腳。電流采樣電路采用對(duì)稱設(shè)計(jì)，保證采樣的準(zhǔn)確性，電容用來(lái)濾波。其余兩相電路與該相相同。電流互感器的參數(shù)是10（100）/5 mA，變比為2 000∶1，假設(shè)負(fù)載電流為電流互感器最大量程，此時(shí)電流互感器二次側(cè)電流為50 mA。經(jīng)過(guò)計(jì)算，ADC引腳最大為180 mV，電流通道輸入的有效值為1～500 mV，滿足芯片設(shè)計(jì)要求。

2.3 電源和磁保持繼電器控制電路設(shè)計(jì)

電源供電模塊在整個(gè)電路的設(shè)計(jì)中是不可或缺的一部分，穩(wěn)定的直流電流是控制器能夠穩(wěn)定工作的前提。在此將電網(wǎng)電壓220 V交流市電通過(guò)開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)為24 V直流，24 V經(jīng)由降壓模塊得到穩(wěn)定的5 V直流電以供電路使用。其中24 V電壓作為MBUS供電電壓，5 V作為計(jì)量芯片、磁保持繼電器控制芯片和其他外圍電路的供電電壓，3.8 V作為AⅠR724UG模塊的供電電壓。其中24 V轉(zhuǎn)5 V選用JW5015A降壓芯片，5 V轉(zhuǎn)3.8 V選用JW5033S降壓芯片。24 V轉(zhuǎn)5 V電路如圖2所示。

圖2 24 V轉(zhuǎn)5 V電路圖

磁保持繼電器用于控制水泵的三相電通斷，進(jìn)而控制水泵的啟停。繼電器觸點(diǎn)受內(nèi)部永久磁鐵的磁力影響處于穩(wěn)定狀態(tài)，需要用正反直流脈沖電壓激勵(lì)線圈，進(jìn)而完成觸點(diǎn)的開(kāi)合狀態(tài)轉(zhuǎn)換。為了控制繼電器的開(kāi)合，選用BL8023磁保持繼電器專用芯片完成正反脈沖變換，當(dāng)芯片接收到來(lái)自4G的電平轉(zhuǎn)換信號(hào)時(shí)改變芯片的輸出脈沖極性進(jìn)而控制磁保持繼電器的開(kāi)合狀態(tài)。磁保持繼電器選用型號(hào)為FC808C-100 A，可通斷最大100 A電流。BL8023為T(mén)TL5 V電平，而4G為1.8 V電平，兩者端口電平互不兼容，故需加電平轉(zhuǎn)換電路才能保證兩者正常通信。

磁保持繼電器、4G模塊與BL8023芯片連接電路如圖3所示，A、B兩端為邏輯信號(hào)輸入端連接4G模塊，OA、OB兩端為輸出端，與磁保持繼電器兩端連接?？刂七壿嬕?jiàn)表1，當(dāng)輸入A端為高電平，B端為低電平時(shí)，OA端為高電平，OB端為低電平，此時(shí)觸點(diǎn)接觸；同樣地，當(dāng)輸入A端為低電平，B端為高電平時(shí)，OA端為低電平，OB端為高電平，此時(shí)觸點(diǎn)打開(kāi)。當(dāng)輸入兩端電平相同時(shí)，輸出端為高阻狀態(tài)，觸點(diǎn)保持原來(lái)的狀態(tài)不變。

圖3 磁保持繼電器芯片連接電路圖

表1 BL8023芯片控制邏輯表

2.4 人機(jī)交互模塊電路設(shè)計(jì)

人機(jī)交互模塊包括LCD顯示屏、按鍵及揚(yáng)聲器。LCD選用ST7735彩色液晶顯示屏，該顯示屏使用SPⅠ接口，能夠匹配4G模塊SPⅠ-LCD接口，可以實(shí)現(xiàn)4G模塊向LCD進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。除此之外LCD顯示屏電壓范圍為2.8～3.3 V，4G模塊內(nèi)置LDO可輸出3.3 V，因此當(dāng)LCD可直接接收4G數(shù)據(jù)時(shí)，不需要額外的電平轉(zhuǎn)換電路。

本設(shè)計(jì)含有2個(gè)按鍵，一個(gè)用來(lái)現(xiàn)場(chǎng)控制啟動(dòng)水泵，一個(gè)是用來(lái)現(xiàn)場(chǎng)控制灌溉過(guò)程中水泵的停止?？刂破鏖L(zhǎng)期處于開(kāi)機(jī)狀態(tài)，當(dāng)用戶掃碼登錄自己的賬號(hào)之后便可通過(guò)按鍵操作。

揚(yáng)聲器用于灌溉過(guò)程操作時(shí)的語(yǔ)音提示，4G模塊提供三路模擬輸出通道，支持播放功能。走線采用差分形式，寬度應(yīng)在0.5 mm以上，用于防止其他噪聲的干擾。此外，在電路設(shè)計(jì)中加入10 pf和33 pf的濾波電容用于濾去1 800 Hz和900 Hz的高頻干擾，保證聲音的純凈。在揚(yáng)聲器附近添加TVS二極管，其能夠吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極之間的電壓鉗位于預(yù)定值，同時(shí)能夠有效地保護(hù)揚(yáng)聲器。

3 水電雙計(jì)遠(yuǎn)程控制器軟件設(shè)計(jì)

3.1 水電采集程序設(shè)計(jì)

水量計(jì)量只需要采集到初始水表示數(shù)和結(jié)束水表示數(shù)便可以得到灌溉過(guò)程總的用水量。按照設(shè)定好的水價(jià)即可得到灌溉的消費(fèi)金額，設(shè)計(jì)中采用CJ/T188規(guī)范的MBUS協(xié)議流量計(jì)，水表與4G模塊串行通信有固定的數(shù)據(jù)幀，其格式如圖4所示。FE FE FE為引導(dǎo)字符，是水表判斷數(shù)據(jù)到來(lái)開(kāi)始讀取的依據(jù)；68H固定為幀起始符，是一個(gè)數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始；T為表計(jì)類型代碼；A0～A6為表計(jì)地址，是水表廠家出廠置于水表內(nèi)部芯片的；CMD為控制碼；L為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；DⅠ為數(shù)據(jù)表示；SER為序列號(hào)，表示第幾個(gè)數(shù)據(jù)包；CS為校驗(yàn)碼，按相加取模256加1運(yùn)算后得到16H為幀結(jié)束符。

圖4 水表通信數(shù)據(jù)幀格式

電量采集首先檢測(cè)控制器是否為工作狀態(tài)，如果在工作狀態(tài)，通過(guò)SPⅠ串口獲取HT7038寄存器的有功電量，記為初始用電量。在工作過(guò)程中不斷讀取工作狀態(tài)CFⅠ脈沖信號(hào)直至控制器變?yōu)榭臻e狀態(tài)，用電結(jié)束后獲取寄存器數(shù)據(jù)，解析之后得到最終用電量。

3.2 控制部分程序設(shè)計(jì)

控制部分開(kāi)始，先進(jìn)行4G模塊硬件的初始化，加載Lua程序腳本，初始化完成后進(jìn)入4G聯(lián)網(wǎng)階段。4G模塊首先會(huì)檢查SⅠM卡狀態(tài)，讀取SⅠM卡的ⅠCCⅠD、ⅠMSⅠ，并檢查4G的信號(hào)強(qiáng)度RSSⅠ，請(qǐng)求附著運(yùn)營(yíng)商的4G網(wǎng)絡(luò)，并連接物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。

云平臺(tái)連接成功后，檢測(cè)用戶是否登錄，如果沒(méi)有登錄，則為待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)用戶登錄成功，4G模塊從云平臺(tái)獲取用戶信息，包括用戶ⅠD、手機(jī)號(hào)和余額等必要信息，存儲(chǔ)在4G模塊的存儲(chǔ)單元中。登錄成功后，系統(tǒng)并不會(huì)立即進(jìn)入工作狀態(tài)，而是等待一個(gè)開(kāi)始信號(hào)，在本設(shè)計(jì)中，開(kāi)始信號(hào)可以遠(yuǎn)程下發(fā)或者由控制器上的開(kāi)始按鈕觸發(fā)。接到開(kāi)始命令，控制子程序檢查用戶信息中的余額是否大于0，如果余額為0，則顯示屏和語(yǔ)音會(huì)提醒用戶繳費(fèi)，不啟動(dòng)水泵；當(dāng)余額大于0時(shí)即可開(kāi)始工作，設(shè)置工作狀態(tài)為“工作中”，接通磁保持繼電器，用戶開(kāi)始用水。

開(kāi)始工作后，控制子程序不斷檢測(cè)3個(gè)停止?fàn)顟B(tài)。如果用戶按下停止按鈕，或云平臺(tái)下發(fā)停止命令，或者余額為0時(shí)，則會(huì)進(jìn)入停止流程；否則一直工作，計(jì)水計(jì)電，讀取云平臺(tái)下發(fā)的指令。當(dāng)用戶停止用水，子程序首先會(huì)設(shè)置全局標(biāo)志位工作狀態(tài)為“空閑”，以通知其他子程序停止，然后斷開(kāi)磁保持繼電器，根據(jù)計(jì)水計(jì)電子程序計(jì)算的金額，計(jì)算本次使用費(fèi)用，扣除用戶對(duì)應(yīng)余額后，將數(shù)據(jù)上報(bào)至云平臺(tái)存檔，最后清除工作中存儲(chǔ)的用戶信息和用水信息，等待下個(gè)用戶使用。遠(yuǎn)程控制子程序流程圖如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)程控制子程序流程圖

3.3 遠(yuǎn)程控制和APP軟件設(shè)計(jì)

APP界面需求分析：①掃碼進(jìn)入登錄界面；②手機(jī)APP完成賬戶登錄、充值；③APP界面顯示使用設(shè)備信息，包括灌溉過(guò)程中的水電用量、消費(fèi)金額及余額；④實(shí)現(xiàn)APP遠(yuǎn)程控制控制器開(kāi)關(guān)。

APP使用Vue.js前端的開(kāi)源框架開(kāi)發(fā)，且具有組件化特點(diǎn)，將其分為一個(gè)個(gè)組件，每個(gè)組件都包含HTML、CSS和JavaScript，可以相互獨(dú)立也可被復(fù)用。本界面設(shè)計(jì)采用Vant小組件開(kāi)發(fā)UⅠ界面。主要使用了Button按鈕、輪播、Cell單元格、Ⅰmage圖片、Popup彈出層和Toast輕提示等小組件。主界面信息包括登錄選項(xiàng)框，充值金額選項(xiàng)框；灌溉信息顯示包括使用設(shè)備號(hào)、用電量、用水量、消費(fèi)金額及余額；此外還包括控制水泵的開(kāi)始和結(jié)束按鈕。APP界面如圖6所示。

圖6 APP界面截圖

4 水電雙計(jì)遠(yuǎn)程控制器測(cè)試與實(shí)驗(yàn)

將以上各部分電路圖匯集，形成2份電氣原理圖，并將其轉(zhuǎn)化為PCB電路圖如圖7所示。

圖7 PCB電路圖

系統(tǒng)測(cè)試包括2部分：水量電量的采集調(diào)試和APP遠(yuǎn)程控制調(diào)試。采集調(diào)試采用合宙公司推薦的Luatools調(diào)試助手進(jìn)行測(cè)試。使用USB將控制器與PC機(jī)上調(diào)試助手連接，點(diǎn)擊軟件界面上的項(xiàng)目管理測(cè)試按鈕。然后選擇官方的底層CORE，再添加Lua腳本代碼，點(diǎn)擊“下載底層和腳本”按鈕，等待軟件提示下載成功，就可以在主界面上看到聯(lián)網(wǎng)、查詢水表數(shù)據(jù)、查詢電量數(shù)據(jù)、讀到水表數(shù)據(jù)、讀到電量數(shù)據(jù)、用水量數(shù)據(jù)調(diào)試和用電數(shù)據(jù)調(diào)試等日志信息。除此之外，還可以在界面上看到系統(tǒng)狀態(tài)、信號(hào)強(qiáng)度及當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等信息。

APP遠(yuǎn)程控制調(diào)試包括對(duì)于手機(jī)APP端能否遠(yuǎn)程登錄賬戶，賬戶充值和控制水泵啟停的測(cè)試。使用手機(jī)登錄時(shí)點(diǎn)擊登錄框，輸入用戶名及密碼，點(diǎn)擊確認(rèn)即可登陸成功。當(dāng)余額不足時(shí)，點(diǎn)擊充值選項(xiàng)框，輸入充值金額，點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕即顯示充值成功。APP界面將會(huì)顯示工作過(guò)程灌溉信息。最重要的是可以在手機(jī)端實(shí)現(xiàn)水泵的遠(yuǎn)程控制，點(diǎn)擊界面下方的開(kāi)始按鈕即可使磁保持繼電器觸點(diǎn)閉合開(kāi)始灌溉，按下停止按鈕時(shí)觸發(fā)磁保持繼電器使觸點(diǎn)斷開(kāi)而關(guān)閉水泵。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過(guò)設(shè)計(jì)和實(shí)物驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于水電的精準(zhǔn)計(jì)量，并將數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)。能夠通過(guò)手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制控制器的啟停，遠(yuǎn)程查看設(shè)備的在線狀態(tài)及工作情況，最終達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。但由于本人的能力有限和時(shí)間的不足，所設(shè)計(jì)的控制器還有很多地方?jīng)]有考慮到位，忽視了水泵保護(hù)部分設(shè)計(jì)，應(yīng)該充分考慮控制器的安全性問(wèn)題。由于實(shí)驗(yàn)條件有限，電量采集部分僅完成設(shè)計(jì)未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，軟件部分功能不夠完善。