鄔智俊，劉美華，胡 鋼，沈 波，章梅娟

（1.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 常州 213022；2.南通市供排水管理站，江蘇 南通 226007；3.南通市水利局，江蘇 南通 226007）

0 引言

在我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，農(nóng)業(yè)水量計(jì)量往往是水費(fèi)征收人員挨家挨戶(hù)的上門(mén)抄表，這種傳統(tǒng)的計(jì)量模式極大的耗費(fèi)了人力物力，并且此種方式對(duì)于數(shù)據(jù)的保管極為不便，數(shù)據(jù)利用率低[1-2]。因此，如何利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)提高農(nóng)業(yè)水量計(jì)量的信息化、智能化程度，成為了相關(guān)領(lǐng)域研究人員面臨的重要課題[3]。

根據(jù)農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革總體任務(wù)與目標(biāo)要求，到“十三五”期末農(nóng)業(yè)用水要全面實(shí)現(xiàn)計(jì)量收費(fèi)。南通目前的農(nóng)業(yè)水費(fèi)征收模式是根據(jù)種植作物分類(lèi)按畝一戶(hù)一票逐戶(hù)征收，需要耗費(fèi)大量的人力資源進(jìn)行開(kāi)票和上門(mén)收費(fèi)工作。區(qū)域內(nèi)農(nóng)用泵站數(shù)量龐大，規(guī)模小且較分散，到“十三五”期末全面安裝計(jì)量設(shè)施面臨工程量大、經(jīng)費(fèi)需求高等難題，使得農(nóng)業(yè)水費(fèi)計(jì)量征收非常困難。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的泵站供水計(jì)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)傳感器捕獲泵站水泵的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，經(jīng)過(guò)微處理器對(duì)數(shù)據(jù)處理，利用4G遠(yuǎn)程無(wú)線通信技術(shù)上傳至上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端，實(shí)現(xiàn)泵站供水量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，收集到的海量數(shù)據(jù)可以為農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)研究作為依據(jù)，為農(nóng)業(yè)水費(fèi)智能化征收、農(nóng)業(yè)用水投入產(chǎn)出評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建與評(píng)價(jià)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的泵站供水計(jì)量系統(tǒng)由電量-水量監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)通信節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。數(shù)據(jù)采集部分處于系統(tǒng)框圖的最底層，主要由微處理器、電壓、電流互感器、電能計(jì)量芯片等模塊構(gòu)成，用于采集泵站中的水泵的工作狀態(tài)以及耗電量與供水量。系統(tǒng)框圖的中間部分為數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)，主要由目前技術(shù)成熟的4G DTU實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)嵌完備的TCP/IP協(xié)議棧，含有支持五模十二頻的4G模塊，可以長(zhǎng)期高速穩(wěn)定的工作，抗干擾能力強(qiáng)，使用方便。數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)和水量-電量監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采用485方式進(jìn)行通信。系統(tǒng)框圖的頂層為上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端，負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息傳輸，可以實(shí)時(shí)獲取電量-水量監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)之中為水費(fèi)征收和農(nóng)業(yè)用水投入產(chǎn)出評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建與評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)可遠(yuǎn)程修改監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的重要參數(shù)，大大節(jié)約了人力物力。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)用水計(jì)量設(shè)備主要由電源電路、指示模塊、采集單元、處理模塊、存儲(chǔ)模塊以及通信模塊組成。設(shè)備硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件總體結(jié)構(gòu)框圖

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

采集單元包括采集水泵電機(jī)的電壓、電流等信息，這些信息單相傳遞給處理模塊進(jìn)行相關(guān)處理。

處理模塊主要有核心處理器和電能計(jì)量芯片IDT90E36構(gòu)成。核心處理器選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103系列，該系列芯片時(shí)鐘頻率最高達(dá)到72 MHz，片內(nèi)含有大容量存儲(chǔ)器，包含了多個(gè)UART、SPI接口，并支持停機(jī)、睡眠和待機(jī)3種低功耗模式[4]。電能計(jì)量芯片其輸入為電壓、 電流互感器采集到并經(jīng)過(guò)降壓處理穩(wěn)定在0～720 mV范圍內(nèi)的交流電壓信號(hào)，并由芯片內(nèi)部進(jìn)行計(jì)算可得出瞬時(shí)功率，通過(guò)SPI接口與核心處理器進(jìn)行通信，核心處理器通過(guò)對(duì)芯片寄存器地址訪問(wèn)以獲取相關(guān)參數(shù)。整個(gè)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行判斷整合，形成規(guī)定好格式的數(shù)據(jù)幀。

通信模塊由RS485模塊和4G DTU組成，處理模塊將封裝好的數(shù)據(jù)幀經(jīng)RS485傳輸至DTU的，之后DTU以無(wú)線的方式傳輸至上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端；參數(shù)下傳與數(shù)據(jù)上傳的方式相同，數(shù)據(jù)流方向相反。

存儲(chǔ)模塊選用24C0X系列的芯片，芯片與處理器之間通過(guò)IIC串行總線進(jìn)行通信，存儲(chǔ)模塊主要實(shí)現(xiàn)重要參數(shù)的存儲(chǔ)，如開(kāi)關(guān)閾值、水電轉(zhuǎn)換系數(shù)、發(fā)送間隔等。

指示模塊主要包括TFTLCD液晶屏和LED指示燈，液晶屏主要顯示泵站環(huán)境的水泵運(yùn)行狀態(tài)、耗電量、供水量、工作時(shí)長(zhǎng)參數(shù)；LED主要分為三類(lèi)：（1）電源指示；（2）工作指示；（3）通信指示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)量裝置軟件設(shè)計(jì)

計(jì)量裝置的程序的主流程如圖3所示，程序首先進(jìn)行各個(gè)模塊的初始化，接著對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀取判定其是否存有數(shù)據(jù)，若存有數(shù)據(jù)則讀取裝置的相關(guān)參數(shù)（水泵電機(jī)工作電流閾值、水電轉(zhuǎn)換系數(shù)等）；若無(wú)數(shù)據(jù)則直接進(jìn)行接收中斷判斷。當(dāng)裝置收到了上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端下傳的參數(shù)信息則進(jìn)行接收，相關(guān)處理后存放在存儲(chǔ)器當(dāng)中，否則直接與電能計(jì)量模塊建立SPI通信，讀取水泵電機(jī)的電流，并對(duì)其進(jìn)行判定，當(dāng)電流超過(guò)閾值（電機(jī)的工作電流）則打開(kāi)相應(yīng)的定時(shí)計(jì)數(shù)器，電能計(jì)量芯片根據(jù)捕獲的電壓、電流進(jìn)行耗電量的計(jì)算，微處理器則根據(jù)水電轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行電量-水量數(shù)值的轉(zhuǎn)換；最后根據(jù)微處理器的定時(shí)計(jì)數(shù)器數(shù)值是否達(dá)到數(shù)據(jù)上傳的時(shí)間間隔而進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳。

圖3 計(jì)量裝置主程序流程圖

3.2 上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端軟件采用Visual Studio2013工具開(kāi)發(fā)，軟件分為前臺(tái)應(yīng)用程序和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)兩個(gè)部分。前臺(tái)應(yīng)用程序采用基于.NET的通用語(yǔ)言機(jī)制框架設(shè)計(jì)的C#編程語(yǔ)言；后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)SQL Server2012。

軟件架構(gòu)如圖4所示，分為客戶(hù)端、服務(wù)層、業(yè)務(wù)層及數(shù)據(jù)層四個(gè)層面。（1）數(shù)據(jù)層：主要包含了泵站信息數(shù)據(jù)庫(kù)和泵站運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)。（2）業(yè)務(wù)層：負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，本軟件的功能框架如圖5所示，主要有農(nóng)業(yè)用水信息在線監(jiān)測(cè)功能和監(jiān)測(cè)終端參數(shù)修改功能，其中監(jiān)測(cè)功能主要包括監(jiān)測(cè)泵站中各個(gè)水泵的運(yùn)行狀態(tài)、耗電量、供水量、累加計(jì)算各個(gè)水泵的總耗電量和供水量等參數(shù)；監(jiān)測(cè)終端參數(shù)修改功能主要是通過(guò)界面操作向下位機(jī)終端發(fā)送指令達(dá)到修改下位機(jī)終端的工作電流閾值、水電轉(zhuǎn)換系數(shù)以及數(shù)據(jù)發(fā)送間隔參數(shù)。（3）服務(wù)層：向上一層提供數(shù)據(jù)和權(quán)限的服務(wù)。（4）客戶(hù)端：即Windows應(yīng)用程序，面向用戶(hù)，提供了GUI界面，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互。

其中，監(jiān)測(cè)終端的接收程序流程圖如圖6所示，軟件運(yùn)行后將啟用多線程模式，為接收數(shù)據(jù)這個(gè)事件獨(dú)立開(kāi)辟一個(gè)線程，每發(fā)生一次接收事件，就開(kāi)辟一個(gè)線程，事件結(jié)束后關(guān)閉線程，主線程可進(jìn)行其他操作。系統(tǒng)在接收到Internet上的數(shù)據(jù)后，首先對(duì)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度、格式進(jìn)行判斷，若不符合約定好的幀格式則丟棄該數(shù)據(jù)進(jìn)行下一輪的接收；若符合規(guī)范則進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的解析，將數(shù)據(jù)分割存放至相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表單中，更新的IP地址和端口號(hào)，為參數(shù)修改功能提供重要的支撐。

圖4 上位機(jī)軟件總體架構(gòu)

圖5 上位機(jī)軟件功能架構(gòu)

圖6 接收數(shù)據(jù)流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

本文以南通市如皋市白蒲鎮(zhèn)某泵房作為實(shí)驗(yàn)案例，對(duì)泵站供水計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試。圖7為監(jiān)測(cè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖，裝置安裝在動(dòng)力柜附近，方便對(duì)水泵電機(jī)的電壓電流進(jìn)行采集，供電來(lái)源于配電柜，可通過(guò)裝置附近的空開(kāi)進(jìn)行裝置的開(kāi)關(guān)控制。

經(jīng)實(shí)地測(cè)試表明，該計(jì)量裝置能夠準(zhǔn)確判定水泵的工作狀態(tài)，水泵工作時(shí)能夠?qū)崟r(shí)計(jì)量耗電量的以及對(duì)供水量進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算。同時(shí)，計(jì)量裝置處理后的數(shù)據(jù)能按照規(guī)定時(shí)間間隔上傳至服務(wù)器端的監(jiān)測(cè)終端，參數(shù)修改的功能也能夠無(wú)差實(shí)現(xiàn)。圖8為運(yùn)行在服務(wù)器端軟件的信息監(jiān)測(cè)界面。該界面中不但顯示了計(jì)量終端上傳的數(shù)據(jù)，同時(shí)還累計(jì)了各個(gè)水泵的總耗電量和供水量，為農(nóng)業(yè)水費(fèi)征收提供依據(jù)。

圖7 監(jiān)測(cè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖

圖8 信息監(jiān)測(cè)界面

5 結(jié)論

本文以南通市農(nóng)用泵站水量計(jì)量目前存在的問(wèn)題為研究背景，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的泵站供水計(jì)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)傳感器捕獲泵站水泵的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，經(jīng)過(guò)處理器對(duì)數(shù)據(jù)處理，利用4G遠(yuǎn)程無(wú)線通信技術(shù)上傳至上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端，實(shí)現(xiàn)泵站供水量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，收集到的海量數(shù)據(jù)可以為農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)研究作為依據(jù)，為農(nóng)業(yè)水費(fèi)征收、農(nóng)業(yè)用水投入產(chǎn)出評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建與評(píng)價(jià)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提高了農(nóng)田水利

智能化、信息化水平，在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中具有良好的應(yīng)用前景和實(shí)際意義。