白志峰　徐曉丹

摘 要：本文闡述了一款水電雙計(jì)節(jié)水灌溉RTU，該設(shè)備以LPC1763為控制核心，采用射頻卡作為計(jì)費(fèi)載體供用戶與設(shè)備交互信息，設(shè)計(jì)有多種通訊接口，可以和各類電表水表連接，方便實(shí)現(xiàn)費(fèi)用計(jì)量;設(shè)計(jì)有液晶顯示和語(yǔ)音提示，可以方便提示用戶，采用了大容量存儲(chǔ)器和無線通訊模塊，設(shè)計(jì)有多路模擬量采集接口，可以方便對(duì)水位、墑情等信息實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集。

關(guān)鍵詞：節(jié)水灌溉 水電雙計(jì) 射頻卡 語(yǔ)音提示 數(shù)據(jù)上傳

目前，水資源短缺已經(jīng)成為全球性問題，節(jié)約利用水資源已成為可持續(xù)發(fā)展的首要任務(wù)。全球農(nóng)業(yè)用水約占總用水量的70%，我國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，在農(nóng)田節(jié)水灌溉方面存在著節(jié)水意識(shí)不強(qiáng)、技術(shù)落后、缺乏監(jiān)督激勵(lì)機(jī)制、資金投入相對(duì)缺乏等問題，從農(nóng)業(yè)用水上做好節(jié)約用水顯得尤為重要，鑒于此，我國(guó)政府提出了加速開發(fā)和推廣高效節(jié)水灌溉技術(shù)。

本文設(shè)計(jì)的水電雙計(jì)節(jié)水灌溉RTU主要從灌溉用水用電計(jì)費(fèi)方面來進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶的用水、用電、地下水位和墑情信息，并根據(jù)這些信息進(jìn)行計(jì)費(fèi)，以增強(qiáng)用戶的節(jié)水意識(shí)。該設(shè)備采用射頻卡方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，操作非常方便，設(shè)備具有無線通訊功能，可以遠(yuǎn)程配置參數(shù)或遠(yuǎn)程升級(jí)程序，極大地提高了應(yīng)用的便利性。

一、硬件設(shè)計(jì)

本水電雙計(jì)節(jié)水灌溉RTU由微控制器、存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、液晶顯示、語(yǔ)音提示、射頻控制、無線通訊、模擬量采集、開關(guān)量采集、繼電器輸出、儀表接口等部分組成，硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

（一）微控制器

微控制器采用NXP半導(dǎo)體公司的LPC1763FBD100，該芯片集成了I2C接口和SPI接口，有4路UART接口，多路AD轉(zhuǎn)換器，方便實(shí)現(xiàn)對(duì)水位、墑情的模擬信號(hào)的采集，芯片集成有70個(gè)GPIO，可以非常方便地實(shí)現(xiàn)多路開關(guān)量的采集和輸出。

（二）電源

采用TI的寬范圍輸入電源芯片LM2576HV-5.0、LM2576HV-ADJ，該電源芯片可以穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)對(duì)較寬輸入電壓范圍的直流電源到指定直流電壓的電源轉(zhuǎn)換，輸入的直流電源范圍可以從直流7V到直流60V，采用廣州金升陽(yáng)公司的電源隔離模塊IF0505S-1W，SP1117-3.3電源芯片將LM2576HV-5.0輸出的5V電源轉(zhuǎn)換為3.3V電源。

（三）存儲(chǔ)器

Flash采用華邦電子研發(fā)生產(chǎn)的W25Q64，該Flash芯片容量為64Mbit，可以方便的實(shí)現(xiàn)灌溉記錄的存儲(chǔ)，芯片采用SPI通訊接口和微控制器連接通訊。鐵電存儲(chǔ)芯片采用富士通半導(dǎo)體生產(chǎn)的MB85RC64A，I2C接口與微控制器連接通訊，讀寫速度快，沒有寫延時(shí)。

（四）實(shí)時(shí)時(shí)鐘

NXP半導(dǎo)體研發(fā)生產(chǎn)的PCF8563，與微控制器之間采用I2C總線通訊，外部需要連接32.768kHz的晶振，該芯片采用3V紐扣電池和5V電源雙重供電的方式供電，當(dāng)RTU電源有電時(shí)由RTU上的5V電源供電，當(dāng)RTU斷電時(shí)，自動(dòng)切換為3V紐扣電池供電，確保實(shí)時(shí)時(shí)鐘一直處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

（五）液晶顯示

RTU的液晶顯示采用天馬提供的128X64的黑白點(diǎn)陣屏，采用串行接口和微控制器連接通訊。

（六）語(yǔ)音提示

水電雙計(jì)節(jié)水灌溉RTU設(shè)計(jì)了語(yǔ)音提示電路，該電路采用廣州九芯電子的NVC040芯片，可以直接驅(qū)動(dòng)0.5W的喇叭，與微控制器采用兩線串口連接。

（七）射頻控制

采用復(fù)旦微電子的FM17520作為射頻卡控制電路的控制芯片，可以實(shí)現(xiàn)13.56MHz下的非接觸讀寫操作，支持符合ISO/IEC 14443 TypeA/MIFARE協(xié)議的非接觸讀寫器模式?？刂齐娐啡鐖D2所示，其中FM17520和微控制器之間采用SPI通訊接口，并由微控制器控制FM17520的復(fù)位管腳（NPD管腳）信號(hào)，F(xiàn)M17520使用27.12MHz的高精度晶振，電路右側(cè)為射頻匹配網(wǎng)絡(luò)，最右側(cè)ANT處為射頻天線，這里采用PCB射頻天線。

射頻卡采用標(biāo)準(zhǔn)的MF1S50卡，當(dāng)射頻卡片靠近射頻天線區(qū)域（距離小于100mm）時(shí)，射頻卡內(nèi)部電路接收到天線發(fā)出的射頻信號(hào)獲得電能開始工作，二者通過射頻進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而實(shí)現(xiàn)射頻卡的讀寫操作。本設(shè)計(jì)中將射頻卡分為4種，分別是用戶卡、管理卡、清零卡和設(shè)置卡。用戶卡由灌溉用戶持有，存儲(chǔ)用戶的費(fèi)用信息，用于啟停灌溉計(jì)費(fèi)使用。管理卡、清零卡和設(shè)置卡都由管理員持有，用于強(qiáng)制啟停灌溉、清除RTU累積數(shù)據(jù)和設(shè)置參數(shù)，所有卡片都由管理員使用管理機(jī)統(tǒng)一設(shè)置發(fā)放，確保數(shù)據(jù)安全可靠。

（八）模擬量采集

在RTU電路中設(shè)計(jì)了2路模擬量采集，可以分別采集地下水位和土壤墑情。

（九）開關(guān)量采集

采用微控制器的普通IO口實(shí)現(xiàn)采集，外圍采用電平處理電路，使?fàn)顟B(tài)輸入電壓不超過微控制器的正常輸入范圍。

（十） 繼電器輸出

采用宏發(fā)的超小型大功率繼電器HF7FD，該繼電器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)250V、16A交流電的開關(guān)切換，輸出觸點(diǎn)主要用于控制外部大功率交流接觸器的驅(qū)動(dòng)線圈。

（十一）無線通訊

采用有人科技的USR-GM3無線通訊模塊，該模塊與微控制器采用Uart接口連接。

（十二）儀表接口

設(shè)計(jì)有RS485和脈沖輸入兩種，脈沖計(jì)量接口和開關(guān)量接口基本一致，RS485接口電路則采用ADM2483芯片，該芯片可以實(shí)現(xiàn)電磁隔離，與微控制器對(duì)應(yīng)的Uart0接口連接。

二、軟件設(shè)計(jì)

（一）工作流程

水電雙計(jì)節(jié)水灌溉RTU通過射頻卡與用戶交互信息，當(dāng)檢測(cè)到有效用戶刷卡操作時(shí)，RTU根據(jù)用戶卡內(nèi)的余額情況判定是否啟動(dòng)灌溉，若啟動(dòng)灌溉則開始記錄灌溉用水、用電信息，根據(jù)設(shè)定的費(fèi)用計(jì)算方式計(jì)費(fèi)，同時(shí)語(yǔ)音顯示同時(shí)提示相關(guān)信息，具體流程如圖3所示。

（二）計(jì)費(fèi)設(shè)計(jì)

RTU的計(jì)費(fèi)方式和計(jì)費(fèi)單價(jià)可以用設(shè)置卡在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置，也可通過GPRS遠(yuǎn)程設(shè)定。默認(rèn)為按用水量計(jì)費(fèi)，可以設(shè)定為灌溉用電量計(jì)費(fèi)或灌溉用時(shí)計(jì)費(fèi)，也可以設(shè)定為這幾種計(jì)費(fèi)方式的組合計(jì)費(fèi)。

（三）數(shù)據(jù)上傳設(shè)計(jì)

RTU設(shè)計(jì)有自動(dòng)數(shù)據(jù)上傳功能，無線網(wǎng)絡(luò)正常時(shí)，RTU在啟停灌溉操作時(shí)自動(dòng)上傳灌溉信息。為了確保服務(wù)中心能夠及時(shí)獲取最新的灌溉信息，在RTU的鐵電存儲(chǔ)器中預(yù)留了400個(gè)byte的空間用于存儲(chǔ)灌溉記錄上傳狀態(tài)信息。上傳灌溉記錄時(shí)自動(dòng)將對(duì)應(yīng)的記錄的標(biāo)志位置1，如果收到上位機(jī)返回的確認(rèn)數(shù)據(jù)則將該標(biāo)志位清零，表示該記錄上傳成功。如果沒有收到確認(rèn)信息，則每隔10分鐘重新上傳一次。如果重傳3次還沒有成功，則不再重新上傳該記錄，并將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)確認(rèn)為故障狀態(tài)，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后，則重新上傳沒有成功上傳的灌溉記錄。

三、測(cè)試

經(jīng)過大量的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，刷卡1000次的啟停灌溉的成功率可以達(dá)到100%，各種計(jì)費(fèi)方式下的灌溉用水、灌溉用電、灌溉用時(shí)、灌溉費(fèi)用等信息誤差均小于0.5%。灌溉記錄、意外斷電等情況下的灌溉記錄都能完好保存，設(shè)計(jì)的灌溉記錄自動(dòng)上傳等功能在無線網(wǎng)絡(luò)正常的情況下也都能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)的灌溉記錄在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后也都能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的補(bǔ)傳，完全滿足水利部科技推廣中心的文件要求。本RTU現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)行了小批量的試產(chǎn)，并在多個(gè)農(nóng)田灌區(qū)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，運(yùn)行穩(wěn)定性和實(shí)用性也得到一定程度的驗(yàn)證。

四、結(jié)語(yǔ)

本RTU特別針對(duì)節(jié)水灌溉設(shè)計(jì)，采用射頻卡實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，具有液晶顯示和語(yǔ)音提示功能，優(yōu)化了人機(jī)交互。設(shè)計(jì)有多種儀表接口，方便與計(jì)量水表、電表的連接。還有大容量存儲(chǔ)器，方便實(shí)現(xiàn)本地大容量灌溉記錄存儲(chǔ)。由于采用了靈活的計(jì)費(fèi)措施，對(duì)用戶的節(jié)水意識(shí)有了一定的提高，具有無線通訊模塊，可以非常方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。設(shè)計(jì)的灌溉記錄數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳功能可以及時(shí)地將灌區(qū)的灌溉信息上傳到數(shù)據(jù)中心，非常適合在節(jié)水灌溉工程中推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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