張鋒

(中南林業(yè)科技大學計算機與信息工程學院,湖南長沙410004)

基于射頻技術的農(nóng)業(yè)智能灌溉案例研究

張鋒

(中南林業(yè)科技大學計算機與信息工程學院,湖南長沙410004)

基于射頻IC卡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，實現(xiàn)灌溉用水的智能控制、用水量自動計量及水費預交繳等功能。射頻IC卡在系統(tǒng)中作為信息傳輸?shù)慕橘|，將控制和管理有機結合起來。射頻IC卡在下位機實現(xiàn)水泵的開啟/關閉和水量計量等控制功能，在上位機實現(xiàn)購水、查詢、統(tǒng)計等管理功能。水利部門對取用地下水及地表水資源的用戶安裝射頻IC卡系統(tǒng)，可統(tǒng)籌調(diào)配當?shù)厮Y源，實現(xiàn)水資源管理的科學化、規(guī)范化、節(jié)約化，達到計劃用水、節(jié)約用水的目的。

智能灌溉；射頻控制；刷卡系統(tǒng)

1.引言

水利是農(nóng)業(yè)的命脈，糧食的增產(chǎn)往往是通過灌溉面積的增加來實現(xiàn)的。目前全國1.3億HM3的耕地面積中，水田、水澆地占0.5億HM2，不足40%，而生產(chǎn)的糧食卻占全國糧食總產(chǎn)量的80%。然而，灌溉面積的增加已受到水資源總量和用水結構變化的雙重制約。

2011年國務院出臺的《全國節(jié)水灌溉發(fā)展“十二五”規(guī)劃》和《大型灌區(qū)續(xù)建配套和節(jié)水改造“十二五”規(guī)劃》提出，到2015年，力爭全國新增高效節(jié)水灌溉面積達1億畝，全國70%大型灌區(qū)和50%中型灌區(qū)完成配套續(xù)建和節(jié)水改造任務，共涉及灌溉面積近2.83億畝。根據(jù)兩項規(guī)劃，國家財政“十二五”期間每年投入高效節(jié)水灌溉領域的扶持資金至少將達200億元。相關專家指出，上述規(guī)劃擬定的“十二五”高效節(jié)水灌溉目標，比2012年中央“一號”文件提出的5000萬畝數(shù)字高出一倍，凸顯出政策對于“十二五”期間大力發(fā)展節(jié)水灌溉業(yè)的重視。

因此發(fā)展農(nóng)業(yè)的根本出路在于節(jié)水。節(jié)水灌溉已不僅僅是技術問題，而是直接關系到農(nóng)業(yè)發(fā)展的根本，是實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用戰(zhàn)略和實現(xiàn)從粗放到集約經(jīng)營戰(zhàn)略的具體體現(xiàn)。

現(xiàn)階段，我國農(nóng)田機井灌溉系統(tǒng)末端很多地區(qū)采用手動開關水泵、人工計量計費的方式。這種作業(yè)方式存在的問題是：不便于水資源的快捷調(diào)度；不能及時收取水費；用水量計量精度低，易引發(fā)矛盾；容易造成水資源的浪費；管理人員的野外勞動強度大．

有鑒于此，本設計基于射頻IC卡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，實現(xiàn)灌溉用水的智能控制、用水量自動計量及水費預繳等功能。射頻IC卡在系統(tǒng)中作為信息傳輸?shù)慕橘|，將控制和管理有機地結合起來。射頻IC卡在下位機實現(xiàn)水泵的開啟／關閉和水量計量等控制功能，在上位機實現(xiàn)購水、查詢、統(tǒng)計等管理功能。水利部門對取用地下水及地表水資源的用戶安裝射頻IC卡系統(tǒng)，可統(tǒng)籌調(diào)配當?shù)厮Y源，實現(xiàn)水資源管理的科學化、規(guī)范化、節(jié)約化，達到計劃用水、節(jié)約用水的目的。

本文研究的主要內(nèi)容是根據(jù)射頻識別的原理，結合現(xiàn)場情況規(guī)劃實現(xiàn)方案,設計射頻IC卡供水自動計量控制器，并且在開發(fā)的智能刷卡灌溉終端上，實現(xiàn)基于WINCE的觸摸屏人機界面。系統(tǒng)采用MCGS顯示屏，支持Microsoft開放數(shù)據(jù)庫互連（ODBC）接口，有強大的數(shù)據(jù)庫鏈接能力。本文從軟硬件兩方面介紹觸摸屏驅動程序的實現(xiàn)，給出了在WINCE操作系統(tǒng)下調(diào)試觸摸屏驅動的通用方法，并應用于智能灌溉系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)組成

整個系統(tǒng)由主控芯片、射頻模塊、存儲器，語音芯片、時鐘芯片、顯示模塊、水流量傳感器以及電機保護和控制電路幾大部分組成，如圖所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

主控芯片采用c8051f340，c8051f340具有精確校準的12MHz內(nèi)部振蕩器和4倍時鐘乘法器、64KB的片內(nèi)FLASH存儲器、352字節(jié)片內(nèi)RAM（256+4KB）、硬件實現(xiàn)的SMBUS/I2C、增強型UART（最多兩個）和增強型SPI串行接口、4個通用的16位定時器。具有5個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數(shù)器/定時器陣列（PCA）片內(nèi)上電復位、VDD監(jiān)視器和時鐘丟失檢測器、40個端口I/O（容許5V輸入），具有片內(nèi)上電復位、VDD監(jiān)視器、電壓調(diào)整器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8051F340是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。

(2)射頻模塊中，處理射頻器的芯片采用MFRC500。Philips公司的 MF RC500是應用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員。該讀卡IC系列利用先進的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。MF RC500支持ISO14443A所有的層，內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅動操作近距離的天線（可達100mm）；接收器部分提供一個堅固而有效的解調(diào)和解碼電路，用于ISO14443兼容的應答器信號；數(shù)字部分處理ISO14443A幀和錯誤檢測。此外，它還支持快速CRYPTOI加密算法，用于驗證Mifare系列產(chǎn)品。方便的并行接口可直接連接到任何8位微處理器，給讀卡器/終端的設計提供了極大的靈活性。MF RC500可方便地用于各種基于ISO/IEC 14443A標準并且要求低成本、小尺寸、高性能以及單電源的非接觸式通信的應用場合。

MF RC500內(nèi)部包括并行微控制器接口、雙向、FIFO緩沖區(qū)、中斷、數(shù)據(jù)處理單元、狀態(tài)控制單元、安全和密碼控制單元、模擬電路接口及天線接口。MF RC500的外部接口包括數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線(包含讀寫信號和中斷等)和電源等。MF RC500的并行微控制器接口自動檢測連接的8位并行接口的類型。它包含一個易用的雙向FIFO緩沖區(qū)和一個可配置的中斷輸出,為連接各種MCU提供了很大的靈活性。即使采用成本非常低的器件也能滿足高速非接觸式通信的要求。數(shù)據(jù)處理部分執(zhí)行數(shù)據(jù)的并行—串行轉換。支持的幀包括CRC和奇偶校驗。MF RC500以完全透明的模式進行操作． 因而支持IS014443A的所有層。狀態(tài)和控制部分允許對器件進行配置以適應環(huán)境的影響,并將性能調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)。

（3）非接觸式IC卡選用Mifare one射頻IC卡，其內(nèi)部包括高速CMOS EEPROM、數(shù)字邏輯模塊和高效率射頻天線模塊，卡片無源，工作時使用的電源能量由卡片讀寫器天線發(fā)送無線電載波信號耦合到卡片上的天線產(chǎn)生。Mifare one卡片的存儲容量為IK*8位字長，采用EEPROM作為存儲介質，整個結構劃分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)4個塊，每個塊包含16個字節(jié)，全部存儲空間共有64個塊。Mifare one卡的存儲結構如表1所示。

在Mifare one的64個塊中，扇區(qū)0的第0塊用于存儲該卡的序列號和生產(chǎn)廠商的標志信息，該塊是只讀。其余扇區(qū)的塊0、塊1和塊2用于保存數(shù)據(jù)，塊3用于對該扇區(qū)的控制，被稱為控制塊。表1 Mifare one內(nèi)部存儲結構。在這16個字節(jié)中，包括了密匙A、B和控制字三種結構。

（4）射頻IC卡讀寫模塊采用PHILIPS公司的非接觸技術設計的微型嵌入式非接觸式IC卡讀寫模塊，內(nèi)嵌MF RC500射頻基站，整個模塊也是采用llC協(xié)議與主控芯片進行數(shù)據(jù)通信。

（5）電機控制系統(tǒng)由交流接觸器完成，交流接觸器通過主控芯片的P1．61sIIN接控制，同時還受到電機保護系統(tǒng)的控制，電機保護系統(tǒng)中交流互感器采集到電流信號并加以分析處理，當電機供電系統(tǒng)中出現(xiàn)缺相、倒序、過流、欠壓等不正常情況時電機保護系統(tǒng)采取保護措施斷開交流接觸器。

（6）流量傳感器采用靈敏度較高的渦街流量傳感器，它的脈沖信號經(jīng)光電耦合傳給主控芯片的TO口。

（7）交流固態(tài)繼電器實現(xiàn)單片機電路與水泵電機電路的可靠隔離:當刷卡確認取水時，單片機輸出高電平，固態(tài)繼電器接通，啟動水泵抽水;當再次刷卡或卡中余額不足時，單片機輸出低電平，固態(tài)繼電器斷開，水泵停止抽水。

3.計費控制系統(tǒng)工作流程

用戶用水情況進行自動計量，采用脈沖式遠傳水表器件，該脈沖水表安裝在水泵出水口過濾器之后的干管上，每流過1m3的水即發(fā)送一個脈沖信號，單片機通過對脈沖進行記數(shù)，軟件根據(jù)單片機采樣的脈沖，進行實時計算、累加，最后得到用戶用水量，完成計量工作，進而扣除用戶相應的水費。

圖2 射頻計費控制示意圖

計費系統(tǒng)控制流程：流量傳感器采集的脈沖信號送到主控芯片記錄脈沖數(shù)量并進行換算、計量出用水量和費用，并更新數(shù)據(jù)到EEPROM以防止中途非正常斷電，根據(jù)射頻IC卡讀出的用戶信息控制機井電機的工作狀態(tài)。如下圖所示：

刷卡主程序主要完成系統(tǒng)的初始化，循環(huán)檢測射頻IC卡讀寫器的天線周圍是否有卡，讀取卡上的數(shù)據(jù)，存儲數(shù)據(jù)，記錄脈沖，計算用水費用，顯示用水量及余額。本系統(tǒng)主要存儲的數(shù)據(jù)有：四字節(jié)的用戶卡編號、六字節(jié)的密碼、五字節(jié)的金額。

4.結語

本系統(tǒng)應用于農(nóng)田灌溉，與原有設備相比具備了預付費、刷卡取水、按水（電）計量、自主消費、人機界面交互功能。用戶只要用手指輕輕地指碰顯示屏上的圖符或文字，就能實現(xiàn)對水泵進行操作，從而使人機交互更為直截了當，同時使水（電）計量實時更新在顯示屏，具有快速感應與精確定位的特點，集聲音、圖像、文字于一體，具有方便直觀、圖像清晰、安全防護系統(tǒng)穩(wěn)定、易于交流和節(jié)省空間等特點。使農(nóng)田機井應用和管理水平得以提高，不僅實現(xiàn)了預付費后自主刷卡澆地，并且實時信息都已以可觸摸的形式出現(xiàn)，極大地方便了那些不懂電腦操作的用戶。

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圖3 刷卡讀寫程序流程圖

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TP391

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1671-5136(2014)04-0133-03

2014-10-18

張鋒（1980-），男，湖南寧鄉(xiāng)人，中南林業(yè)科技大學計算機與信息工程學院2013級碩士研究生。