農(nóng)田灌溉用水分戶計量系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：為改善赤峰市水資源分布不均的現(xiàn)狀，提高農(nóng)業(yè)用水效率，本文研究并設(shè)計了一種農(nóng)田灌溉用水分戶計量系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用IC卡對農(nóng)戶的灌溉用水實施分戶計量，再利用CAN總線將農(nóng)戶每次的用水量實時上傳給水資源管理部門電腦，從而實現(xiàn)對各地區(qū)用水量的采集和匯總。結(jié)果顯示，水資源管理部門利用該系統(tǒng)可以更加準(zhǔn)確地掌握各地的用水情況，結(jié)合行政獎懲制度，促使農(nóng)戶采取更加節(jié)水的灌溉方式，從而提高農(nóng)業(yè)用水效率。同時，水資源管理部門根據(jù)系統(tǒng)采集的各地區(qū)的用水量，可以更合理地的配置水資源，從而改善水資源分布不均的現(xiàn)狀。本文設(shè)計的系統(tǒng)可以改善赤峰市水資源分布不均的現(xiàn)狀，并能夠提高農(nóng)業(yè)用水效率。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田灌溉;IC卡;CAN總線;用水量

中圖分類號：S274.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-260X（2024）09-0007-05

赤峰市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東南部，占地面積約9萬平方公里[1]，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大市，農(nóng)業(yè)的發(fā)展在赤峰市經(jīng)濟發(fā)展中具有重要作用[2]。在赤峰市農(nóng)業(yè)發(fā)展中，農(nóng)業(yè)灌溉用水需求量較大，根據(jù)赤峰市水利局2022年發(fā)布的水資源公報，2022年赤峰市總用水量為22.395 2億立方米，其中耕地用水為16.777 2億立方米，占總用水量的74.91%[3]。

與上述農(nóng)業(yè)用水需求相對應(yīng)的是赤峰市不容樂觀的水資源利用現(xiàn)狀。赤峰地區(qū)屬于干旱半干旱地區(qū)，多年平均降水量為346.7毫米[3]，降水量不大。同時，受各旗縣區(qū)地形影響，水資源不足，時空分布不均[4]，使得個別地區(qū)水資源利用緊張。而在農(nóng)作物灌溉方面，很多旗縣區(qū)受經(jīng)濟因素影響，不愿更換更節(jié)約用水的灌溉方式，仍以用水效率較低的漫灌方式為主，大多數(shù)地區(qū)的農(nóng)業(yè)用水效率低于40%[5]。根據(jù)赤峰市水利局的公報，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.616[3]，用水效率不高。這些因素嚴(yán)重影響著赤峰市農(nóng)業(yè)用水的可持續(xù)發(fā)展，也影響著赤峰市的經(jīng)濟發(fā)展。

本文從赤峰市農(nóng)業(yè)用水現(xiàn)狀出發(fā)，以提高赤峰市灌溉用水利用率和水資源的合理配置為目標(biāo)，研究并設(shè)計一套農(nóng)田灌溉用水分戶計量系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用IC卡技術(shù)對灌溉用水實施分戶計量，再利用CAN（控制器局域網(wǎng)總線）總線技術(shù)將各地區(qū)的用水量實時上傳給水資源管理部門的電腦進行保存和匯總，使水資源管理部門能夠更加準(zhǔn)確地掌握各地區(qū)的用水情況，從而采取有效的獎懲措施，促使農(nóng)戶采取用水效率更高的灌溉方式，更合理地配置水資源。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

為了實現(xiàn)對農(nóng)田灌溉用水的分戶計量并上傳用水量，系統(tǒng)的整體方案設(shè)計如圖1所示。

整個系統(tǒng)由IC卡、刷卡終端、閥門、CAN轉(zhuǎn)串口收發(fā)器、充值終端和管理部門電腦軟件六部分組成，其中刷卡終端在圖1中只畫出了兩個，實際使用時可根據(jù)農(nóng)田數(shù)量進行調(diào)整。系統(tǒng)采用計時方式對用水量進行計量，實際用水量等于用水時長乘以水管單位時間的流量。用水時長儲存在IC卡中，用戶通過刷卡終端刷卡并設(shè)置用水開始時刻和用水時長進行用水。當(dāng)用水時間到達(dá)后，刷卡終端根據(jù)用水時長控制閥門的開啟和關(guān)閉，每個刷卡終端可以控制4個閥門。刷卡終端在用戶每次設(shè)置完用水信息后，將用水信息通過CAN總線上傳到管理部門電腦軟件進行匯總。由于管理部門電腦軟件通過電腦串口接收數(shù)據(jù)，而CAN總線的數(shù)據(jù)格式和串口數(shù)據(jù)格式不同，所以需要一個CAN轉(zhuǎn)串口收發(fā)器進行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。充值終端用于IC卡的充值和余額查詢。管理部門電腦軟件用來接收并保存各刷卡終端上傳的用水信息，支持用水信息的查詢，同時還用來與充值終端配合實現(xiàn)IC卡的充值、余額查詢和充值信息的保存和查詢。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1 刷卡終端設(shè)計

刷卡終端用于用戶的刷卡用水并將用水信息通過CAN總線上傳給管理部門電腦軟件，其電路組成設(shè)計如圖2所示。

圖中觸摸顯示屏用于設(shè)置系統(tǒng)時間，預(yù)置用水時刻和用水時長;刷卡模塊用于讀寫IC卡;CAN總線傳輸電路用于用水量的上傳;4路繼電器電路控制用水閥門的開啟和關(guān)閉;處理器模塊負(fù)責(zé)控制上述電路協(xié)同工作;電源電路為上述電路提供合適的電源。

2.1.1 處理器模塊

本文采用了STM32F103C8T6最小系統(tǒng)模塊，STM32F103C8T6處理器主頻為72MHz，內(nèi)部帶有64KB FLASH和20KB SRAM，IO引腳數(shù)量36個，且具有3個USART串口和1個CAN總線控制器[6-8]，能夠滿足設(shè)計要求。模塊自帶電壓轉(zhuǎn)換芯片，能夠?qū)⑤斎氲?V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓供STM32F103C8T6使用，同時該電壓還通過引腳引出，方便給其他電路供電。

2.1.2 刷卡模塊

本文使用了Mifare1 S50類型的IC卡，與之對應(yīng)的刷卡模塊為RC522刷卡模塊[9]，該模塊支持mifare1 S50、mifare1 S70等類型的IC卡，工作電壓為3.3V，感應(yīng)距離最遠(yuǎn)為1cm。模塊采用SPI接口與處理器進行通信，本文在電路連接時，使用了STM32F103C8T6的PB0引腳來控制刷卡模塊的復(fù)位，使用了PA0、PA5、PA6和PA7引腳與刷卡模塊的SPI接口通信。

2.1.3 觸摸顯示屏

本文采用的觸摸顯示屏為深圳淘晶馳公司的5寸觸摸屏[10]，型號為TJC8048T050_011X。該觸摸屏尺寸為108mm長，64.8mm寬，分辨率為800x480像素，能夠清晰地顯示要顯示的內(nèi)容。工作電壓為5V，采用串口與處理器通信，默認(rèn)波特率為 9 600 bps。觸摸屏內(nèi)部帶有16MB的Flash，可以存儲顯示界面，還帶有文本和數(shù)值等顯示控件，可以很方便地進行人機界面開發(fā)。處理器在控制觸摸屏?xí)r，需要通過串口傳輸相應(yīng)的字符串，本文使用了STM32F103C8T6的USART1串口來控制觸摸屏，發(fā)送引腳為PA9，接收引腳為PA10。

2.1.4 繼電器電路

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，每個刷卡終端控制4個閥門，由于實際使用的閥門工作電壓為12V，因此需要4個12V的繼電器來控制閥門的電源。當(dāng)電源接通時，閥門打開開始用水;當(dāng)電源斷開時，閥門關(guān)閉停止用水。4個繼電器的電路結(jié)構(gòu)相同，每個繼電器電路如圖3所示。

電路中采用PC817C光耦對處理器和繼電器進行隔離，防止繼電器開合時的電磁干擾影響到處理器。處理器的輸出信號GATE_n為低電平時，光耦輸出信號會控制繼電器吸合，使閥門電源接通，發(fā)光二極管D5用來指示閥門是否開啟。處理器控制繼電器時，使用了PB12、PB13、PB14和PB15共四個引腳來輸出繼電器的控制信號。

2.1.5 CAN總線傳輸電路

CAN總線傳輸電路用來對CAN總線上的信號進行隔離和轉(zhuǎn)換。因農(nóng)田面積較大，CAN總線連線較長，使CAN總線引入噪聲，為了避免噪聲影響總線上的刷卡終端，需要在刷卡終端連入CAN總線時做好電源隔離和信號隔離。同時由于總線上傳輸?shù)男盘枮椴罘中盘?，因此需要將刷卡終端輸出的邏輯電平轉(zhuǎn)換為差分電平。本文采用了MORNSUN公司的B0505S-1W芯片進行電源隔離[11]，采用ADI公司的ADUM1201ARZ芯片進行信號隔離[12]，兩種隔離電路分別如圖4和圖5所示。

圖4中B0505S-1W芯片將5V輸入電源和GND隔離成CAN_5V和CAN_GND，圖5中ADUM1201ARZ芯片對STM32F103C8T6處理器內(nèi)部的CAN控制器發(fā)送引腳PA11和接收引腳PA12進行隔離，隔離后的信號為CAN_RXD和CAN_TXD。經(jīng)過隔離后的電源和信號傳輸給后級的CAN總線電平轉(zhuǎn)換電路進行電平轉(zhuǎn)換。CAN總線電平轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。

圖6中使用了NXP公司的PCA82C250芯片來實現(xiàn)邏輯電平到差分電平的轉(zhuǎn)換[13]。轉(zhuǎn)換后的差分電平經(jīng)過0歐電阻和30pF電容濾波后，通過P2接口連接CAN總線。

2.1.6 電源電路

電源電路用來為上述電路提供合適的電源，其電路設(shè)計如圖7所示。

圖中12V電源由P1接口連入電路，二極管D3用于電源防反接，電源12V和GND12V給繼電器電路和閥門供電，同時再傳送給一個12V轉(zhuǎn)5V的隔離電源生成5V電壓，供控制器、觸摸屏和CAN總線傳輸電路使用。本文采用的12V轉(zhuǎn)5V隔離電源既有降壓作用又有隔離作用，能夠?qū)?V電路和12V繼電器電路的電源隔離開，防止繼電器開合時的電壓波動影響5V電路的工作。電路中的發(fā)光二極管D4為電源指示燈，電容C7、C8、C9和C10用來濾波。刷卡模塊工作電源為3.3V，由處理器模塊上的5V轉(zhuǎn)3.3V電路供電。

2.2 CAN轉(zhuǎn)串口收發(fā)器設(shè)計

CAN轉(zhuǎn)串口收發(fā)器用來將CAN總線上的用水信息數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成管理部門電腦軟件需要的串口數(shù)據(jù)格式。其電路組成設(shè)計如圖8所示。

圖中CAN總線傳輸電路與處理器模塊內(nèi)部的CAN控制器配合，負(fù)責(zé)接收CAN總線上傳的用水信息數(shù)據(jù);處理器模塊負(fù)責(zé)從CAN總線數(shù)據(jù)中提取出各刷卡終端的用水信息，包括刷卡終端號、閥門號、刷卡卡號、用水開始時刻和用水時長，再將上述信息傳送給串口轉(zhuǎn)USB電路;串口轉(zhuǎn)USB電路將上述用水信息上傳給管理部門電腦軟件;電源電路負(fù)責(zé)為上述電路提供合適的電源。

圖中處理器模塊采用了與刷卡終端相同的模塊，CAN總線傳輸電路的設(shè)計與刷卡終端的相同，此處不再贅述。

2.2.1 串口轉(zhuǎn)USB電路

由于目前大多數(shù)電腦都是通過USB接口進行串口通信，所以CAN轉(zhuǎn)串口收發(fā)器與管理部門電腦進行串口通信時，需要通過串口轉(zhuǎn)USB電路實現(xiàn)。串口轉(zhuǎn)USB電路的設(shè)計如圖9所示[14]。

圖中CH340G為南京沁恒微電子設(shè)計的一款串口與USB互轉(zhuǎn)芯片，本文使用該芯片將處理器模塊，通過USART1串口發(fā)出的用水信息轉(zhuǎn)換成USB的差分信號USBD+和USBD-，經(jīng)過USB接口上傳給管理部門電腦軟件。

2.2.2 電源電路

電源電路用來為CAN轉(zhuǎn)串口收發(fā)器各部分電路提供合適的電源，其電路設(shè)計如圖10所示。

電源電路直接使用USB接口為CAN轉(zhuǎn)串口收發(fā)器供電。圖中開關(guān)S2用來控制來自USB接口的5V電壓的通斷;F1是熔斷電流為500mA的保險絲，一旦后級電路發(fā)生短路，該保險絲可以保護電腦USB接口不被燒毀;電容C7和C8用來對輸入電源進行濾波;發(fā)光二極管D3作為電源指示燈，用來指示電源的通斷。

2.3 充值終端設(shè)計

充值終端負(fù)責(zé)讀寫IC卡，并配合管理部門電腦軟件實現(xiàn)IC卡的充值和余額查詢功能。其電路組成設(shè)計如圖11所示。

圖中處理器模塊通過串口轉(zhuǎn)USB電路接收管理部門電腦軟件發(fā)來的命令，控制刷卡模塊讀寫IC卡，完成IC卡的充值和余額查詢，并將充值后的余額或查詢的余額發(fā)回給軟件;蜂鳴器電路用來提示用戶刷卡或充值;電源電路負(fù)責(zé)為上述電路提供合適的電源。

圖中刷卡模塊和處理器模塊采用了與刷卡終端相同的模塊，串口轉(zhuǎn)USB電路和電源電路的設(shè)計與CAN轉(zhuǎn)串口收發(fā)器中的相同，此處不再贅述。蜂鳴器電路采用了工作電壓為3.3V的有源蜂鳴器，其電路設(shè)計如圖12所示。

圖中STM32F103C8T6處理器通過PB9引腳控制三極管Q1的導(dǎo)通和截止。當(dāng)PB9引腳輸出高電平時，Q1導(dǎo)通，蜂鳴器兩端施加3.3V電壓使其發(fā)聲;當(dāng)PB9引腳輸出低電平時，Q1截止，蜂鳴器兩端電壓斷開使其關(guān)閉發(fā)聲。

2.4 管理部門電腦軟件設(shè)計

管理部門電腦軟件用于接收和保存各刷卡終端上傳的用水信息，并支持用戶查詢用水信息。同時該軟件還用于與充值終端配合，實現(xiàn)IC卡的充值、余額查詢和充值信息的保存和查詢。軟件的具體功能設(shè)計如圖13所示。

管理部門電腦軟件共有4部分功能，分別是登錄管理、用水管理、充值管理和通信管理。

登錄管理包含管理員登錄驗證和修改登錄密碼兩個菜單。修改登錄密碼菜單用于修改管理員登錄時的密碼;管理員登錄驗證菜單用于修改密碼后的重新登錄驗證。管理部門電腦軟件登錄界面如圖14所示。

用水管理包含查看終端刷卡流水和終端刷卡查詢兩個菜單。查看終端刷卡流水菜單用于查看當(dāng)前所有刷卡終端的刷卡用水信息，點擊該菜單后軟件會按照刷卡先后順序列出所有終端的刷卡流水;終端刷卡查詢菜單用于查詢某個IC卡的終端刷卡記錄，查詢前需要刷卡獲取卡號。

充值管理包含充值、查詢余額、查看充值流水、充值查詢和卡初始化五個菜單。充值和查詢余額菜單用于IC卡的充值和查詢余額。查看充值流水菜單用于查看所有IC卡的充值情況，點擊該菜單后軟件會按照充值先后順序列出所有充值IC卡的充值流水。充值查詢菜單用于查詢某個IC卡的充值記錄，查詢前需要刷卡獲取卡號?？ǔ跏蓟藛斡糜诔跏蓟疘C卡，被初始化的IC卡卡內(nèi)余額會被清零。

通信管理包含串口設(shè)置、串口通信測試和開啟通信三個菜單。串口設(shè)置菜單用于設(shè)置軟件與CAN轉(zhuǎn)串口收發(fā)器和充值終端連接的串口號，只有設(shè)置了正確的串口號才能使軟件與上述兩個設(shè)備成功通信;串口通信測試菜單用于測試軟件與CAN轉(zhuǎn)串口收發(fā)器和充值終端的通信是否正常，當(dāng)正確設(shè)置了串口號以后才能使用該菜單進行測試;開啟通信菜單用于打開或關(guān)閉軟件與CAN轉(zhuǎn)串口收發(fā)器的通信，該菜單用來鎖定通信的串口號，可以讓軟件控制是否接收各個刷卡終端上傳的用水信息。

本文在設(shè)計管理部門電腦軟件時，使用了C#語言，在Visual Studio開發(fā)環(huán)境中設(shè)計了軟件界面及相關(guān)功能[15]。在保存管理員登錄密碼、刷卡終端的刷卡流水信息和IC卡的充值流水信息時，使用了MySQL數(shù)據(jù)庫[16]。

3 總結(jié)

本文針對赤峰市的農(nóng)業(yè)用水現(xiàn)狀，研究并設(shè)計了一種農(nóng)田灌溉用水分戶計量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由IC卡、刷卡終端、閥門、CAN轉(zhuǎn)串口收發(fā)器、充值終端和管理部門電腦軟件等六部分組成。通過計時機制與IC卡技術(shù)實現(xiàn)了對農(nóng)戶用水量的精確計量，并通過CAN總線技術(shù)將各戶的用水?dāng)?shù)據(jù)傳輸至管理部門電腦軟件，從而使水資源管理部門能夠精確監(jiān)測農(nóng)田灌溉用水量，并據(jù)此優(yōu)化水資源配置。同時，利用該系統(tǒng)結(jié)合行政獎懲制度，可以推動農(nóng)戶采取更加節(jié)水的灌溉方式，提高農(nóng)業(yè)用水效率，促進赤峰市農(nóng)業(yè)用水的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

〔1〕王丹丹，宋健楠.赤峰市水資源可持續(xù)利用研究[J].赤峰學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，31（24）：42-44.

〔2〕文輝.赤峰市農(nóng)業(yè)水資源利用現(xiàn)狀及高效用水發(fā)展建議[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2021，41（02）：59-61.

〔3〕赤峰市水利局.2022年赤峰市水資源公報[EB/OL].（2023-10-20）[2023-12-24].http：//slj.chi feng.gov.cn/zwgk/zfxxgk/fdzdgknr/ywgz/20231 0/t20231020_2168672.html.

〔4〕李國佳.淺談優(yōu)化配置赤峰市水資源的有效途徑[J].內(nèi)蒙古水利，2021，41（02）：33-34.

〔5〕劉艷麗，劉海靜，王虎剛.赤峰市水資源可持續(xù)利用分析[J].內(nèi)蒙古水利，2020，20（12）：36-37.

〔6〕夏長權(quán)，單佳杰，韓一帆，等.基于Se647498d75358985d41c2a1ffa124fdc459ec122230c563ababa670bbccd8fa1TM32的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].電子制作，2023，31（04）：3-7+41.

〔7〕魏秀，韋宏利，劉艷杰，等.基于STM32和SCA100T的數(shù)字傾角傳感器設(shè)計與標(biāo)定[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2022，52（04）：3-7.

〔8〕周成，孫健，趙天騏，等.基于STM32的小型機器人控制系統(tǒng)電路設(shè)計[J].機器人產(chǎn)業(yè)，2023，9（04）：72-77.

〔9〕周喜，王會珍，趙娟萍.基于RFID技術(shù)的門禁管理系統(tǒng)設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2021，25（03）：66-67.

〔10〕周昱帆，涂國宇，潘鋒偉，等.基于淘晶馳串口屏的心電圖監(jiān)護設(shè)計[J].電子制作，2021，28（11）：15-17+52.

〔11〕林鵬，李偉.隔離型USB-RS485接口轉(zhuǎn)換器設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程，2023，12（03）：79-82.

〔12〕何麗，陳波.嵌入式測試在航空電子設(shè)備中的設(shè)計與實現(xiàn)[J].航空科學(xué)技術(shù)，2020，31（09）：59-64.

〔13〕郁文君，任霞，李開杰.基于FPGA和STM32的CAN總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子設(shè)計工程，2023， 31（07）：57-61.

〔14〕謝艷，賈雨龍，郝紅斌，等.一種小型應(yīng)變片電阻自動測量儀設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2021，29（20）：52-56.

〔15〕常佳寧.基于C#的留言系統(tǒng)設(shè)計[J].中國科技信息，2021，33（01）：60-62.

〔16〕涂華燕.基于MySQL宿舍管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計[J].電腦編程技巧與維護，2021，28（12）：104-106.