方 正， 徐曉輝， 蘇彥莽， 宋 濤， 鄧一凡， 王利偉

(河北工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300401)

我國(guó)是世界上極為缺水的國(guó)家之一，農(nóng)業(yè)灌溉用水占總用水量的比例較大，但灌溉用水的有效利用率僅為發(fā)達(dá)國(guó)家的50%左右[1-5]，因此，提高農(nóng)業(yè)用水效率、發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)、合理配置水資源符合我國(guó)的國(guó)情，具有重要的戰(zhàn)略地位和作用。目前，農(nóng)田灌溉系統(tǒng)正逐步向適時(shí)適量、水肥一體[6]、精確計(jì)量[7-8]、自動(dòng)控制的方向發(fā)展，而現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)灌溉計(jì)費(fèi)方式相對(duì)落后，缺少對(duì)灌溉水量的精確計(jì)量及水資源的統(tǒng)一管理和控制。因此，本研究設(shè)計(jì)研制一套農(nóng)田節(jié)水灌溉計(jì)量控制系統(tǒng)，射頻IC卡(integrated circuit card，簡(jiǎn)稱IC卡，別稱集成電路卡)在系統(tǒng)中作為用戶身份的名片，系統(tǒng)識(shí)別用戶身份后，記錄本次灌溉過程中所用的水量和電量，灌溉控制器能夠以手動(dòng)和自動(dòng)2種方式實(shí)現(xiàn)水肥一體的灌溉。1個(gè)用水周期結(jié)束后，管理系統(tǒng)核算用戶的總用水量，根據(jù)定額內(nèi)外不同水價(jià)的原則，超出定額的部分加價(jià)補(bǔ)交水費(fèi)，節(jié)約的水量則予以獎(jiǎng)勵(lì)。該系統(tǒng)的推廣將水費(fèi)征收方式由原來的按用電量收取改為按用水量收取，使農(nóng)戶的繳費(fèi)更直接明了，以經(jīng)濟(jì)為杠桿提高農(nóng)民的節(jié)水意識(shí)，減少水資源的無序開采和浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了水資源的可持續(xù)開發(fā)利用。

1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，農(nóng)田節(jié)水灌溉計(jì)量控制系統(tǒng)主要由灌溉控制器、射頻IC卡及用戶信息管理設(shè)備3個(gè)部分組成。灌溉控制器通過計(jì)量模塊對(duì)用戶的用水量和用電量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量；射頻IC卡能夠在控制器和用戶之間傳遞數(shù)據(jù)信息；用戶信息管理設(shè)備為射頻IC卡充值，管理用戶水電等信息。用戶在控制器上刷卡，完成用戶身份的識(shí)別，灌溉控制器可以通過手動(dòng)和自動(dòng)2種方式進(jìn)行水肥灌溉，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)量用水量和用電量，完成余額的消減，最后由IC卡讀寫模塊余額寫到射頻IC卡中，完成灌溉過程。

2 系統(tǒng)原理

每個(gè)用戶持射頻IC卡在系統(tǒng)管理員處開卡沖入額定的水量和電量，該卡能夠在多個(gè)機(jī)井的灌溉控制器上使用，實(shí)現(xiàn)了1張射頻IC卡能夠在多處機(jī)井中使用，1處機(jī)井能夠容納多個(gè)用戶使用的功能。此外，當(dāng)用戶正在刷卡灌溉時(shí)，該卡就不能在其他機(jī)井處使用。只有當(dāng)用戶在該機(jī)井使用完畢，并把相應(yīng)的用水量、用電量數(shù)據(jù)信息寫入用戶射頻IC卡后，該用戶才可以在其他機(jī)井處使用。

用戶刷卡完成身份識(shí)別，卡內(nèi)的剩余水量和電量會(huì)分別顯示出來，當(dāng)卡內(nèi)的用水量或用電量小于設(shè)定值時(shí)自動(dòng)停止灌溉。該節(jié)水灌溉系統(tǒng)的灌溉方式主要分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，操作模式的切換通過灌溉控制器上的旋轉(zhuǎn)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)開關(guān)的檔位位于手動(dòng)時(shí)，用戶可通過控制器上的船型開關(guān)，根據(jù)灌溉過程中的實(shí)際情況，隨時(shí)開啟、關(guān)閉灌溉系統(tǒng)的灌溉泵、肥料泵、攪拌泵。灌溉過程中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)顯示、計(jì)量所用水量和電量，灌溉結(jié)束后水量和電量會(huì)被自動(dòng)扣除，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)把余額寫入用戶的射頻IC卡中。當(dāng)旋轉(zhuǎn)開關(guān)的檔位位于自動(dòng)時(shí)，用戶可以點(diǎn)擊觸摸屏上的設(shè)定按鈕進(jìn)入灌溉時(shí)間的設(shè)置界面。通過調(diào)節(jié)增減按鈕可以分別設(shè)置灌溉泵、肥料泵、攪拌泵的各自運(yùn)行時(shí)間，設(shè)置完成按啟動(dòng)按鈕即可進(jìn)行農(nóng)田灌溉施肥。灌溉過程中觸摸屏?xí)?shí)時(shí)顯示剩余的灌溉時(shí)間和所用水量、電量及各個(gè)機(jī)泵的工作狀態(tài)，點(diǎn)擊灌溉控制界面的暫?；蛲Ｖ拱粹o可以實(shí)時(shí)終止灌溉，灌溉結(jié)束后水量和電量會(huì)被自動(dòng)扣除，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)把余額寫入用戶的射頻IC卡中。

系統(tǒng)設(shè)定了階梯水價(jià)，實(shí)行定額限制、超量加價(jià)、節(jié)約有獎(jiǎng)的原則。系統(tǒng)依據(jù)每個(gè)用水戶的用水定額，系統(tǒng)自動(dòng)算出用戶的平價(jià)水量、高價(jià)水量，1個(gè)用水周期結(jié)束后，用水戶到系統(tǒng)管理員處進(jìn)行用水量的核定和余額結(jié)算，超出限額的部分依據(jù)階梯水價(jià)補(bǔ)交費(fèi)用，節(jié)約部分則予以經(jīng)濟(jì)獎(jiǎng)勵(lì)，沒有用完的水量可以轉(zhuǎn)到下一個(gè)用水周期或者直接退還現(xiàn)金，保證農(nóng)戶用水公平合理。

為防止系統(tǒng)在非正常情況下關(guān)閉導(dǎo)致卡內(nèi)信息丟失，用戶第1次刷卡后和灌溉過程中用戶的卡內(nèi)信息和實(shí)時(shí)用水用電信息會(huì)備份在內(nèi)存中。若系統(tǒng)正常關(guān)閉，則更新卡內(nèi)信息并自動(dòng)刪除備份記錄。若系統(tǒng)因斷電而沒有正常結(jié)束，則當(dāng)下一個(gè)用戶進(jìn)行灌溉時(shí)，系統(tǒng)將首先比較數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器緩存區(qū)信息中的卡號(hào)信息與當(dāng)前用戶的卡號(hào)信息，如有匹配項(xiàng)將對(duì)用戶卡內(nèi)的信息進(jìn)行更新。

3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要由單片機(jī)、外部存儲(chǔ)器、人機(jī)交互模塊、射頻IC卡讀寫模塊、機(jī)泵控制模塊、計(jì)量模塊、串口通信電路等組成。

3.1 單片機(jī)與外部存儲(chǔ)器

選用STC15W4K60S4為主控芯片，它是宏晶科技生產(chǎn)的寬電壓、高速、高可靠、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度是它的8～12倍。該系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)采集、信息顯示和通信等功能，同時(shí)還可以為掉電處理數(shù)據(jù)提供保存單元，用于保存隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM中的重要數(shù)據(jù)，如用水量、用水時(shí)間及用電量等內(nèi)容，方便在通電之后可以正確取回。該系統(tǒng)選用AT24C64作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，AT24C64是支持I2C協(xié)議的EEPROM存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)容量為64 kB。雙向串行時(shí)鐘線SCL、雙向串行數(shù)據(jù)線SDA與單片機(jī)串行連接完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

3.2 人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)

選用迪文科技的DGUS屏來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，它不是通過時(shí)序或指令控制顯示，而是采用直接變量驅(qū)動(dòng)顯示的方式，所有的顯示和操作主要基于計(jì)算機(jī)軟件輔助設(shè)計(jì)的觸控配置文件(13 .bin)和變量配置文件(14 .bin)來工作的。使用DGUS屏進(jìn)行開發(fā)，可以快速開發(fā)全圖形觸摸屏人機(jī)界面，同時(shí)省去了鍵盤電路的設(shè)計(jì)。DGUS屏須要12 V的直流供電電壓，通過連接單片機(jī)的RS232或RS485串口完成通信。迪文DGUS屏采用異步、全雙工串口，串口模式為8n1，即每個(gè)數(shù)據(jù)傳送采用10個(gè)位，包括1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位。

3.3 射頻IC卡讀寫模塊

射頻IC卡選用Philips公司的Mifare1 S50，其工作頻率為13.56 MHz，通信速度為106 Kbit/s，采用EEPROM作為存儲(chǔ)介質(zhì)。以YW-201作為其讀寫模塊，該模塊內(nèi)嵌MF RC500射頻基站，同時(shí)支持I2C、UART 2種通訊協(xié)議。射頻天線則使用與MF RC500射頻基站相匹配的YW-300模塊，完成射頻IC卡讀寫過程。YW-300的天線發(fā)射引腳TX1、引腳TX2、接收引腳RX分別與YW-201的TX1、TX2、RX引腳相連；YW-201的發(fā)送引腳TXD、接收引腳RXD分別與單片機(jī)的TX2、RX2引腳相連，與單片機(jī)通信。YW-201射頻讀寫模塊支持自動(dòng)尋卡，單片機(jī)不用頻繁發(fā)送尋卡指令。

3.4 機(jī)泵控制模塊與計(jì)量模塊

使用交流固態(tài)繼電器隔離單片機(jī)電路與機(jī)泵電路，在交流固態(tài)繼電器的輸出端并聯(lián)壓敏電阻與吸收電路，以吸收瞬變尖峰電壓起過壓保護(hù)作用，在電源相線上串接熔斷器起過流保護(hù)作用。開始灌溉施肥時(shí)，單片機(jī)輸出高電平，繼電器接通，機(jī)泵灌溉施肥；灌溉結(jié)束或余額不足時(shí)，單片機(jī)輸出低電平，繼電器斷開，機(jī)泵停止工作。

以光電耦合器隔離電路的方式連接單片機(jī)和脈沖水表，當(dāng)脈沖水表輸出高電平時(shí)，使光電耦合器中的發(fā)光二極管截止，光電耦合器內(nèi)部光電三極管不導(dǎo)通，沒有信號(hào)輸出；當(dāng)脈沖水表輸出低電平時(shí)，光電耦合器中的發(fā)光二極管和光電三極管均導(dǎo)通，從而單片機(jī)開始計(jì)數(shù)。

采用ATT7022作為三相電能的計(jì)量芯片，該芯片具有功耗低、精度高、輸入工作動(dòng)態(tài)范圍大、非線性測(cè)量誤差小的特點(diǎn)，可測(cè)量各相電壓的有效值、電流有效值、功率因數(shù)等。它通過SPI接口與外部單片機(jī)通信，芯片的片選CS、串行時(shí)鐘SCLK、數(shù)據(jù)輸入DIN、數(shù)據(jù)輸出DOUT分別連接單片機(jī)的同步串行接口SPI的片選信號(hào)、串行時(shí)鐘輸入、串行數(shù)據(jù)輸入、串行數(shù)據(jù)輸出。此外，為了消除SPI接口的信號(hào)振蕩，可以在連接線上串接1個(gè)10 Ω的電阻和1個(gè)10 pF的電容，實(shí)現(xiàn)低通濾波的作用。

3.5 串口通信電路

系統(tǒng)的串口通信選用RS485協(xié)議。RS485協(xié)議采用半雙工工作方式，不但繼承了RS232、RS422協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，而且摒棄了其他協(xié)議的不足。選用MAX1487作為RS485電平信號(hào)的收發(fā)器，完成輸入、輸出信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。MAX1487芯片的內(nèi)部有1個(gè)驅(qū)動(dòng)器和1個(gè)接收器，其中引腳RO為接收器的輸出端，引腳DI為驅(qū)動(dòng)器的輸入端。在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)與單片機(jī)的接收數(shù)據(jù)引腳RXD和發(fā)送數(shù)據(jù)引腳TXD相連即可。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

農(nóng)田節(jié)水灌溉計(jì)量控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用支持Windows XP操作系統(tǒng)的Power-designer軟件來開發(fā)，該軟件是Sybase公司的計(jì)算機(jī)輔助軟件工程工具集，使用它可以方便地設(shè)計(jì)信息管理系統(tǒng)，制作各種概念數(shù)據(jù)模型、物理數(shù)據(jù)模型，并且能夠生成多種客戶端開發(fā)工具。上位機(jī)軟件主要是對(duì)用戶購(gòu)水、購(gòu)電信息進(jìn)行管理維護(hù)，上位機(jī)軟件流程如圖2所示。

4.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

4.2.1 基于DWIN_OS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能 DWIN_OS平臺(tái)采用類似匯編程序的編寫規(guī)范，允許的最大代碼空間是256 kB，在該平臺(tái)上編寫的控制程序(23 .bin)可以直接在迪文科技的DGUS屏上運(yùn)行。DWIN_OS程序在每個(gè)運(yùn)行周期(80、120、160、200 ms)均運(yùn)行1次，DGUS屏的刷新時(shí)間和DWIN_OS的運(yùn)行時(shí)間構(gòu)成整個(gè)運(yùn)行周期，而且OS程序不能出現(xiàn)長(zhǎng)的延時(shí)循環(huán)等待或死循環(huán)。該程序根據(jù)DGUS屏自身200 ms周期作為定時(shí)基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)功能，只要時(shí)間設(shè)置不為0，同時(shí)按下啟動(dòng)按鍵，則倒計(jì)時(shí)開始計(jì)時(shí)，按下暫停鍵則倒計(jì)時(shí)暫停計(jì)時(shí)功能，同時(shí)保持當(dāng)前的時(shí)間值，再按下啟動(dòng)則繼續(xù)進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，倒計(jì)時(shí)完成后通過發(fā)送命令到串口實(shí)現(xiàn)定時(shí)工作功能。DWIN_OS程序的流程如圖3所示。

4.2.2 灌溉控制器主程序 灌溉控制器軟件的功能包括控制器主程序的初始化、檢測(cè)核實(shí)用戶身份、讀取卡中數(shù)據(jù)、計(jì)量用水量和用電量、更新用戶卡內(nèi)數(shù)據(jù)信息、顯示用戶水量和電量余額、啟閉機(jī)泵。灌溉控制器主程序的流程如圖4所示。

5 結(jié)論與討論

本研究的農(nóng)田節(jié)水灌溉計(jì)量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)合了射頻IC卡技術(shù)、單片機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。與傳統(tǒng)灌溉設(shè)備相比，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多用戶的信息管理、階梯式的計(jì)費(fèi)模式、水電量的精確計(jì)量、灌溉施肥的自動(dòng)控制和觸摸式的人機(jī)交互等功能。該系統(tǒng)的使用大幅度提高了農(nóng)田灌溉系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和農(nóng)田用水的管理水平，而且系統(tǒng)操作方式簡(jiǎn)單，農(nóng)戶易于掌握，學(xué)習(xí)成本較低，有助于幫助農(nóng)戶建立計(jì)劃用水和節(jié)約用水的意識(shí)。在試驗(yàn)田中的初步測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)備易于推廣、管理靈活、安全可靠、達(dá)到了設(shè)計(jì)的基本要求。

[1]王永喜，胡 玫，劉映杰. 基于射頻IC卡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)[J]. 蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2011，18(3)：18-20.

[2]王福卿，高明山，金江波. 井灌類型區(qū)節(jié)水灌溉監(jiān)控設(shè)施-IC卡機(jī)井取水控制器[J]. 南水北調(diào)與水利科技，2006，4(5)：62-64.

[3]劉春來，楊萬(wàn)龍，王劍波. 機(jī)井灌溉計(jì)量收費(fèi)管理與控制系統(tǒng)研制[J]. 節(jié)水灌溉，2009(6)：55-57.

[4]張靖華，唐偉強(qiáng). 智能IC卡和GSM網(wǎng)絡(luò)在節(jié)水灌溉中的應(yīng)用[J]. 電氣應(yīng)用，2008，27(8)：51-54.

[5]劉永華，俞衛(wèi)東，沈明霞，等. 智能化精準(zhǔn)灌溉施肥技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42(8)：384-387.

[6]張 瓊. 基于嵌入式的灌溉施肥系統(tǒng)的研究[D]. 合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.

[7]田宏武，申長(zhǎng)軍，鄭文剛. 農(nóng)用灌溉機(jī)井水電雙重計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 節(jié)水灌溉，2013(1)：44-47.

[8]丁克奎，鐘凱文. 基于“3S”的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43(1)：399-401.