王 偉， 蔡慧英 ， 董淑敏， 周圣倉， 李 帥 ， 王 超

（1．山東正晨科技股份有限公司 山東 濟南 250101；2．中國科學(xué)院沈陽自動化研究所 遼寧 沈陽 110016；3．山東三龍智能技術(shù)有限公司 山東 濟南 250101）

電量是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見和最基本的參數(shù)之一，在農(nóng)業(yè)灌溉過程中常需對電量進行監(jiān)控收費。采用單片機對用電量進行采集，制定科學(xué)合理的收費依據(jù)，對于調(diào)節(jié)水資源分布不平衡、節(jié)約能源等都有重要的作用。本農(nóng)業(yè)灌溉測控終端設(shè)計采用 DTS866三相有功式電能表，與測控終端通過RS485總線進行通信，并由液晶顯示器將采集到的用電量等信息實時顯示出來，主控芯片采用 ST公司的 STM32F103單片機，數(shù)據(jù)處理快，實時性強[1]。手持機寫卡，刷卡計費。受季節(jié)影響軟大的場合（如水庫水渠），通過矩陣鍵盤設(shè)定合理的時間計劃，對收費算法進行適當(dāng)調(diào)整，可使收費更加科學(xué)合理。以電控水的計費方式，節(jié)省了昂貴的計量設(shè)備成本以及現(xiàn)場安裝時的人工和物料成本。

1 硬件設(shè)計

本農(nóng)業(yè)灌溉測控終端由STM32F103嵌入式微控制器、固態(tài)繼電器控制部分、電量采集部分、液晶顯示器、射頻通信模塊、時鐘模塊、矩陣按鍵和供電模塊幾部分組成。本測控終端采用 STM32F103VET6 MCU作為主控制器，完成電量信號的準(zhǔn)確采集、水泵電機動力線母線的控制以及IC卡數(shù)據(jù)的交互；MCU內(nèi)置512K Flash，可存儲IC卡用戶數(shù)據(jù)，HS19264液晶顯示器顯示用戶使用電量的信息。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The overall system structure diagram

1.1 嵌入式微控制器

主控芯片選用ST公司的32位單片機STM32F103VET6，STM32F103VET6微處理器基于ARMv7-M體系結(jié)構(gòu)，代碼效率很高，通過倍頻可達72 MHz，內(nèi)置高達512K字節(jié)的Flash存儲器，可用于存儲用戶數(shù)據(jù)，無需擴展存儲空間，內(nèi)置UART、SPI和I2C接口，可方便與RS485芯片、射頻芯片、時鐘芯片通信[2－3]。STM32F103VET6運算速度快，資源豐富，完全能滿足農(nóng)業(yè)灌溉測控終端的要求。

1.2 電源管理模塊設(shè)計

該終端所選電源管理芯片為寬壓輸入，可有效避免開關(guān)電源輸出電壓波動而引起的3.3 V電壓的不穩(wěn)定性。電源管理芯片電流輸出能力要強，以驅(qū)動 MCU、液晶顯示器以及其它控制與通訊模塊。TI開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器LM2596寬壓輸入（4～40 V），輸出電流可達3 A，所需外圍器件少，并具備完善的保護電路、電流限制、熱關(guān)斷電路，可達到本測控終端設(shè)計的要求。

LM2596（U1）能夠在使能端 ON/OFF為高電平的情況下將開關(guān)電源（J2）輸入的4～40 V電壓轉(zhuǎn)換為 3.3 V電壓并由Vout端輸出。如圖 2所示。

圖2 LM2596電源管理電路圖Fig.2 Power management circuit diagram of LM2596

1.3 時鐘模塊設(shè)計

農(nóng)業(yè)灌溉測控終端使用以電控水的計費模式，計算水泵的出水量要用到時鐘，終端在執(zhí)行時間計劃要用到時鐘，要使終端有條不紊地完成預(yù)定的工作，一個穩(wěn)定可靠的時鐘系統(tǒng)是必不可少的。

如圖3所示，采用Philips的低功耗CMOS實時時鐘芯片PCF8563（U3），與 MCU 通過 I2C 總線進行通信，3 V 電池（BT）和3.3 V雙重電源供電，32.768K晶振（Y1）提供時序信號。

圖3 時鐘電路圖Fig.3 Clock circuit diagram

1.4 執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計

目前，采用MCU、三極管、小功率電磁繼電器、12 V電磁繼電器，去控制交流接觸器線圈，進而控制水泵電機動力線母線。電磁繼電器線圈中流過一定的電流，產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，常開觸點閉合。在農(nóng)業(yè)灌溉中需長時間對電磁繼電器控制，彈簧在長時間受力的情況下會發(fā)生形變，縮短了電磁繼電器機械壽命。在高振動的灌溉環(huán)境下工作，電磁繼電器插頭與插座容易分離，電氣接觸不良。

在本測控終端中，控制回路由 MCU、三極管（Q1、Q2）、磁保持繼電器（KC1）、固態(tài)繼電器（K1）組成，如圖 4所示。MCU通過三極管實現(xiàn)對對磁保持繼電器的正反向激勵，即磁保持繼電器開與合狀態(tài)，其常開觸點控制固態(tài)繼電器觸點，固態(tài)繼電器常開觸點控制交流接觸器線圈，實現(xiàn)了對水泵電機動力線母線的控制。

廣東省已對2011年度和2012年度連續(xù)開展了兩年考核工作。通過考核工作，使水資源管理日益受到地方政府領(lǐng)導(dǎo)重視、部門之間的協(xié)作也明顯加強，考核也給地方政府尤其是得分排名靠后的地區(qū)帶來了壓力，促使這些地區(qū)加強節(jié)水和治污力度，加強對高耗水和高污染企業(yè)的限制和轉(zhuǎn)型升級，取得了較為明顯的成效。

用磁保持繼電器代替小功率電磁繼電器，其開、合狀態(tài)由永久磁鐵所產(chǎn)生的磁力保持。當(dāng)繼電器需要動作時，只需加入反向電壓激勵線圈。觸點靠永久磁鐵的磁力能維持繼電器原有狀態(tài)保持不變。用固態(tài)繼電器替代12 V電磁繼電器，不僅觖決了電氣接觸不良的問題，還延長了繼電器的壽命。

圖4 執(zhí)行機構(gòu)電路圖Fig.4 Actuator circuit diagram

1.5 電表通訊模塊設(shè)計

測控終端選用具有RS485通信功能的三相有功式電能表，這樣就不存在由于脈沖信號傳輸計算等因素而造成的誤差與損失，其穩(wěn)定性和抗干擾性能都較好。

圖5 電表通信電路圖Fig.5 Electric meter communication circuit diagram

如圖5所示。MCU通過RS485通訊芯片（U4）與DTS866三相有功式電能表（J3為其接口）通信，按照《多功能電能表通信規(guī)約》（DL/T614—1997）幀格式讀取電能表電量。對接口進行了防雷（U5）設(shè)計與防浪涌（D7、D8）設(shè)計，增強其接口的可靠性。

1.6 人機界面設(shè)計

測控終端為增加人機交互，設(shè)立了液晶顯示器、矩陣鍵盤和IC卡。液晶的顯示采用多級菜單的形式，用戶通過按鍵逐級進入（返回）各個顯示頁面。通過矩陣鍵盤，對測控終端的各個參量進行設(shè)置和查詢。測控終端中的設(shè)置選項只有管理人員在輸入正確密碼的情況下才能操作。

如圖6所示，液晶顯示器采用深圳漢升的HS19264，串口通信，黃綠背光，I2C通信。MCU通過使能端（CS）、數(shù)據(jù)線（SID）、兩根時鐘線（SCLK1、SCLK2）與液晶顯示器相連。

1.7 射頻模塊設(shè)計

射頻模塊通過天線接收非接觸式IC卡信息，并將信息傳給MCU。射頻模塊的典型電路如圖7所示，其中射頻芯片F(xiàn)M1702SL（U6）是由上海復(fù)旦微電子研究院設(shè)計，專門用于與非接觸式IC卡通信的讀寫器中，支持type A與type B通信協(xié)議，支持多種加密算法[4-5]；芯片采用 SPI接口（MOSI、MISO、SCK）與單片機進行通信，13.56M（X1）晶振為其提供時序，匹配電容為15P（C11、C12），IC卡與天線電路板的最大距離為10cm，天線電路板的布局方法如圖8所示。

圖6 HS19264液晶顯示器電路圖Fig.6 Liquid crystal display circuit diagram

圖7 射頻電路Fig.7 radio-frequency circuit diagram

1.8 IC卡設(shè)計

圖8 天線PCB布局圖Fig.8 PCB layout for antenna

本設(shè)計中的非接觸式IC卡采用M1卡，其具有唯一的序列號，在通信過程中所有數(shù)據(jù)都被加密。當(dāng)M1卡進入射頻模塊的工作區(qū)域時，射頻模塊向M1卡發(fā)送13.56 MHz的電磁波，M1卡內(nèi)產(chǎn)生LC諧振，從而建立起二者的信息傳輸通道[6-7]。M1卡使用手持機寫卡。測控終端實行一機一卡，避免了一機多卡帶來的問題與管理上的繁瑣，卡統(tǒng)一由管理員管理，在灌溉時，由管理員刷卡開機，灌溉完畢刷卡關(guān)機，收取費用。用戶卡卡結(jié)構(gòu)設(shè)計如表1所示，卡結(jié)構(gòu)采用BCD碼，校驗和校驗，X為卡標(biāo)志，01代表用戶卡，02代表清零卡；D為回寫標(biāo)志，00代表正常，01代表回寫成功；Z為追加標(biāo)志，00代表正常，01代表追加成功。清零卡卡結(jié)構(gòu)設(shè)計如表2所示，必要時用于清除用戶信息。

表1 用戶卡卡結(jié)構(gòu)設(shè)計Tab.1 Card structure design for user card

表2 清零卡卡結(jié)構(gòu)設(shè)計Tab.2 Card structure design for clear card

2 軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)工作流程

2.2 水泵水量計算方法

水泵水量可用下式計算

式（1）中Q為水泵上水量（m2/h）；μ為水泵的綜合機械效率；N為水泵的額定功率；ρ為水的密度（kg/L）；g為重力加速度（m/s2）；H 為凈揚程（m），即出水口至水面的垂直高度[8]。

2.3 時間計劃分析

農(nóng)業(yè)灌溉測控終端有時應(yīng)用于水庫和水渠等場合，實行時間計劃，對豐水期和枯水期的水價實行浮動計費，可使水源得到合理的調(diào)配與應(yīng)用。供水水源因季節(jié)影響較大的水利工程，供水價格可實行豐枯季節(jié)浮動水價。在特殊情況下動用水利工程死庫容（水庫的最小庫容）的供水價格，可按正常供水價格的2至3倍確定。黃河部門的水源費一直就是采取豐枯季節(jié)水價，4-6月份正是用水的高峰季節(jié)。

圖9 系統(tǒng)流程圖Fig.9 The flow chart of the system

圖10 中斷處理流程圖Fig.10 Interrupt processing flow chart

測控終端中根據(jù)時鐘的時間信息，判斷灌溉時期是否處于時間計劃內(nèi)，若處于時間計劃內(nèi)，則根據(jù)設(shè)置選項中的調(diào)整系數(shù)F，對水價進行調(diào)整。

2.4 以電控水計費算法

根據(jù)公式（1）計算出每臺水泵單位時間內(nèi)的出水量，進而可求出一段時間內(nèi)的出水量，乘以水的單價，得到這段時間內(nèi)水的總價。就可實現(xiàn)井灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水總量控制。算法如下：

1）根據(jù) Q=3 600 μN/ρgH，計算水泵上水量；

2）計算水泵每小時的出水量 G，G=Q*1=3 600 μN/ρgHm3；

3）每小時水費 Y=G*P1（P1代表每方水的單價）；

4）水泵運行時間 T（單位：S）后，水費 Z=（Y/3600）*T；

5）水泵運行一段時間后，電費K=X*P2（X代表所使用電量，P2為電費單價）；

6）根據(jù)時鐘提供的時間信息，判斷灌溉時期是否處于時間計劃內(nèi)，若處于時間計劃內(nèi)，對水價進行調(diào)整，③中每小時水費的計算公式調(diào)整為Y=G*P1*F，④ 水泵運行時間T（單位：S）后，水費調(diào)整為 Z=（G*P1*F/3600）*T。

7）總費用 P=Z+K；

3 實 驗

實驗流程包括參數(shù)設(shè)定、參數(shù)查詢、運行顯示三部分。參數(shù)設(shè)置主界面如圖11所示，設(shè)定內(nèi)容包括時間計劃、校時、密碼設(shè)置、單價設(shè)置、水泵參數(shù)、區(qū)域代碼和終端復(fù)位，在本實驗中時間計劃起始日期設(shè)定為20140501，結(jié)束日期設(shè)定為20140731；單價設(shè)定為0.8元；水泵參數(shù)中功率設(shè)為10 kW，揚程設(shè)為2 m，機械效率設(shè)為90%。參數(shù)的設(shè)置通過矩陣鍵盤，鍵盤上按鍵具有的功能：查詢、設(shè)置、確定、返回、上翻、下翻、左翻、右翻。查詢鍵可查看已設(shè)定的時間計劃信息、時鐘信息、單價、區(qū)域代碼和已用的累積電量信息。在設(shè)備運行期間，兩個界面輪流顯示，一個界面用于顯示卡號、費用等信息，另一個界面用于顯示已使用電表度數(shù)與本次用電量（如圖12主界面所示）。

圖11 設(shè)置菜單界面Fig.11 The settings menu interface

圖12 主界面Fig.12 Main interface

4 結(jié) 論

經(jīng)過長時間的實踐，本測控終端的以電控水計量方法能實現(xiàn)合理的收費。手持機寫卡，一機一卡，方便管理員的操作與控制。良好的人機界面，鍵盤操作極為方便。測控終端在硬件設(shè)計上穩(wěn)定可靠，并對水泵電機準(zhǔn)確的起?？刂?，接口的抗干擾性能強。農(nóng)業(yè)灌溉測控終端可在農(nóng)田水利現(xiàn)代化建設(shè)中推廣使用。

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