周亞平，高 軍，郝 斌，談曉珊

(1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012)

0 引 言

隨著水資源的日益緊缺和國家對水資源管理的重視，水資源配置的優(yōu)化，突顯自動化、信息化監(jiān)控系統(tǒng)的重要性及技術(shù)支撐必要性[1]。而智能水資源監(jiān)控終端作為水資源管理系統(tǒng)的核心設(shè)備，不僅能讓管理部門掌握本區(qū)域水資源現(xiàn)狀，水資源使用情況，加強(qiáng)水資源費(fèi)回收力度，實(shí)現(xiàn)對水資源正確評價，合理調(diào)度，有效控制等方面提供有力的技術(shù)支撐[2]。同時也能讓用水戶能夠通過智能IC卡充費(fèi)并自助灌溉，實(shí)現(xiàn)明明白白消費(fèi)，因此推廣應(yīng)用前景廣闊。

IC卡測控終端是灌區(qū)信息化系統(tǒng)的核心設(shè)備，它將機(jī)井灌溉控制器、交流接觸器以及配電設(shè)備安裝在一個機(jī)箱內(nèi)，可以采集灌溉用電量、用水量或灌溉時間并自動收取灌溉費(fèi)用。IC卡機(jī)井灌溉控制箱不僅使管理部門實(shí)現(xiàn)了先收費(fèi)、后灌溉的管理目標(biāo)[3]；也使農(nóng)戶達(dá)到了借助IC卡自主澆地的目的。該產(chǎn)品成功解決了農(nóng)業(yè)機(jī)井灌溉管理中長期存在的電費(fèi)/水費(fèi)計(jì)量不準(zhǔn)、拖欠灌溉費(fèi)用和浪費(fèi)水資源的難題。該系統(tǒng)主要面向農(nóng)田，園林，設(shè)施農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的日常灌溉控制和管理而設(shè)計(jì)，并通過現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)手段，達(dá)到降低人力成本，提高自動化生產(chǎn)效率，節(jié)約水資源的目的[4]。該系統(tǒng)具有實(shí)用性和良好的展示性，系統(tǒng)硬件具備良好的穩(wěn)定性，以及防水、防潮、抗高溫的能力。

為了適應(yīng)農(nóng)業(yè)灌溉的復(fù)雜應(yīng)用場景，該系統(tǒng)相對同類產(chǎn)品具有更多功能：①在一井多泵的環(huán)境中，系統(tǒng)可以采集井內(nèi)的水位和多泵的流量，系統(tǒng)根據(jù)井內(nèi)水位調(diào)節(jié)每個泵的流量或打水時間來維持井的水位，確保井的水位在警戒水位之上；②在許多農(nóng)業(yè)灌溉環(huán)境中，系統(tǒng)可以根據(jù)需要灌溉的流量控制泵(或閥)打開或關(guān)閉，其他同類產(chǎn)品只控制泵的電源，該系統(tǒng)具有二路控制，一路控制泵的電源，另一路可本地或遠(yuǎn)程控制泵的打開或關(guān)閉；③有的地方農(nóng)田只能通過渠道實(shí)現(xiàn)灌溉，系統(tǒng)中集成閘門控制系統(tǒng)，系統(tǒng)可以根據(jù)流量控制閘門打開程度；④在規(guī)?；母?、支、斗、農(nóng)渠比較密集的灌區(qū)中，接入的設(shè)備多，系統(tǒng)還可以搭載NB-LOT，因?yàn)镹B-LOT相比4G等網(wǎng)絡(luò)需求的信息費(fèi)用低，覆蓋范圍更廣；⑤考慮到施工場地環(huán)境惡劣，系統(tǒng)帶有藍(lán)牙接口，可近距離通過手機(jī)無線設(shè)置及查詢相關(guān)參數(shù)，為安裝、運(yùn)維帶來便利。

1 總體結(jié)構(gòu)及功能

根據(jù)機(jī)電井的工作方式及通信方式，實(shí)現(xiàn)機(jī)電井測、控、報以及計(jì)費(fèi)一體化的功能，測控終端應(yīng)集數(shù)據(jù)采集、計(jì)費(fèi)、傳輸和控制于一體，具有功能強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)測站測、控、報一體化功能的核心設(shè)備，能完成用水?dāng)?shù)據(jù)采集、處理、固態(tài)存貯、遠(yuǎn)程傳輸、水泵控制等功能。

其主要技術(shù)指標(biāo)與性能為：

支持多種計(jì)量方式：水量計(jì)量、計(jì)時計(jì)量、電量計(jì)量。

IC多卡管理：支持用戶卡、補(bǔ)卡、開戶卡、設(shè)置卡、初始化卡等；最多可以支持64個用戶。

支持用水計(jì)劃、用水量管理；具有實(shí)時鐘，并具有系統(tǒng)時鐘同步功能；具備補(bǔ)發(fā)數(shù)據(jù)功能。

可定時自動喚醒，以完成定時測報、響應(yīng)中心站提取固態(tài)存儲數(shù)據(jù)和修改參數(shù)等指令。

按鍵可進(jìn)入測試狀態(tài)，測試數(shù)據(jù)不存儲，并可自動退出；具有存儲轉(zhuǎn)發(fā)功能；具有看門狗，可保證死機(jī)自動復(fù)位；具有自動報警功能。

采用電源監(jiān)控技術(shù)，對存儲器和時鐘進(jìn)行雙重掉電保護(hù)；外部接口具有光電隔離能力。

具有較強(qiáng)的通信能力:3路脈沖接口，5路DI輸入接口，4路DO輸出接口，1路RS485通訊接口，1路RS232通訊接口，1路TTL通訊接口，1路GPRS/CDMA/3G/4G通訊接口，4按鍵鍵盤，1路非接觸IC卡讀寫接口，1路藍(lán)牙，4路AD模擬量接口，3路電源輸出接口，1路USB/U盤接口；在不需要更改硬件的情況下，可以根據(jù)用戶的需要連接各類傳感器，并能完成對這些傳感器數(shù)據(jù)的自動采集，固態(tài)存儲，顯示和傳輸控制任務(wù)。

配有32Mb及以上大容量非易失存儲模塊，可存儲二年以上的用水?dāng)?shù)據(jù)。

可接多種電表、水表(RS485RS232無線水表等)。

配有鍵盤和液晶顯示器，可以對配置進(jìn)行修改，可以發(fā)送人工觀測數(shù)據(jù)，查看所有實(shí)時信息。

測站數(shù)據(jù)可用電腦、U盤、手機(jī)APP(藍(lán)牙)讀取，也可通過GPRS/3G/4G遠(yuǎn)程提取。

支持在系統(tǒng)升級，可以本地USB升級，也可以遠(yuǎn)程4G升級。

具有先進(jìn)USB主從智能切換功能，既可以計(jì)算機(jī)USB配置參數(shù)，也可以U盤下載數(shù)據(jù)，方便快捷。

具有藍(lán)牙接口功能：可以通過手機(jī)APP無線配置參數(shù)、查詢當(dāng)前數(shù)據(jù)、下載歷史數(shù)據(jù)等。

支持各種報警功能：下限報警、欠費(fèi)報警、開門報警、斷線報警等。

支持各種保護(hù)：缺相保護(hù)、過壓保護(hù)、過流保護(hù)、欠壓保護(hù)等。

其設(shè)計(jì)原理圖如圖1。

圖1 原理圖

2 MCU中央處理器芯片的選擇

MCU芯片選用STM32F103VGT6，系統(tǒng)構(gòu)架，主系統(tǒng)由以下部分構(gòu)成。

(1)4個驅(qū)動單元：①CortexTM-M3內(nèi)核DCode總線(D-bus)，和系統(tǒng)總線(S-bus)；②通用DMA1和通用DMA2。

(2)4個被動單元：①內(nèi)部SRAM；② 內(nèi)部閃存存儲器；③FSMC；④AHB到APB的橋(AHB2APBx)，它連接所有的APB設(shè)備。

以上都是通過一個多級的AHB總線構(gòu)架相互連接的，其芯片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2、圖3。

3 外部控制電路設(shè)計(jì)

3.1 RS485/232數(shù)據(jù)采集端口

端口設(shè)計(jì)保護(hù)電路，電路設(shè)計(jì)如圖4所示，數(shù)據(jù)采集端口與流量計(jì)通訊讀取流量，系統(tǒng)根據(jù)流量的使用情況控制泵。

(1)RS485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，多采用屏蔽雙絞線傳輸。這種接線方式為總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在同一總線上最多可以掛接32個結(jié)點(diǎn)。在RS485通信網(wǎng)絡(luò)中一般采用的是主從通信方式，即一個主機(jī)帶多個從機(jī)。很多情況下，連接RS-485通信鏈路時只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的“A”、“B”端連接起來。

(2)RS232接口任何一條信號線的電壓均為負(fù)邏輯關(guān)系。即：邏輯“1”為-3～-15 V；邏輯“0”：+3～+15 V ，噪聲容限為2 V。即要求接收器能識別高于+3 V的信號作為邏輯“0”，低于-3 V的信號作為邏輯“1”，TTL電平為5 V為邏輯正，0為邏輯負(fù) 。與TTL電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接。

3.2 控制信號的輸入、輸出設(shè)計(jì)

圖2 MCU芯片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 MCU處理器

圖4 RS485/232數(shù)據(jù)采集端口電路

圖5 控制信號的輸入

圖6 控制信號的輸出

電路設(shè)計(jì)如圖5和圖6所示，輸入，輸出口采用光耦進(jìn)行電器隔離，其目的在于從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，使測控裝置與現(xiàn)場僅保持信號聯(lián)系，而不直接發(fā)生電的聯(lián)系。隔離的實(shí)質(zhì)是把引進(jìn)的干擾通道切斷，從而達(dá)到隔離現(xiàn)場干擾的目的圖5和圖6所示。

3.3 模擬量輸入接口設(shè)計(jì)

模擬量輸入接口主要用于測量電機(jī)的電量、電流、電壓、功率等，如圖7如示3路模擬量輸入。模擬量輸入設(shè)計(jì)分為兩個部分：第一部分整流，由于輸入信號信號位交流信號所以前級需要對信號進(jìn)行整流；第二部分濾波降噪。

圖7 模擬量輸入接口設(shè)計(jì)

4 電源管理設(shè)計(jì)

供電電源設(shè)計(jì)：要求交流或直流都可以供電，因此為進(jìn)一步降低電源的干擾電路設(shè)計(jì)，采用了EMI/RFI 濾波器。電源管理設(shè)計(jì)圖如圖8和圖9所示。

5 數(shù)據(jù)存儲及時鐘模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)存儲設(shè)計(jì)為32 MB容量，主要用于存儲設(shè)備參數(shù)和設(shè)備采集數(shù)據(jù)。時鐘模塊主要用于設(shè)備的時間，如圖10所示。

圖8 電源管理設(shè)計(jì)圖—整形濾波

圖9 電源管理設(shè)計(jì)圖—電壓轉(zhuǎn)化

圖10 數(shù)據(jù)存儲和時鐘模塊

6 4G通信模塊設(shè)計(jì)

4G移動系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為三層：物理網(wǎng)絡(luò)層、中間環(huán)境層、應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層。物理網(wǎng)絡(luò)層提供接入和路由選擇功能，它們由無線和核心網(wǎng)的結(jié)合格式完成[5]。中間環(huán)境層的功能有QoS映射、地址變換和完全性管理等。

無線4G通信模塊，要求適應(yīng)各種移動網(wǎng)絡(luò)，采用全網(wǎng)通設(shè)計(jì)方案，主要電路如圖11和圖12如示。

(1)外圍電源總體概述：對于GSM網(wǎng)絡(luò)中的 GSM通話、GPRS數(shù)據(jù)傳輸，由于最大發(fā)射功率達(dá)33 dBm(2 W)，且瞬時響應(yīng)要求很高，所以在外圍電源設(shè)計(jì)中要特別針對這些問題進(jìn)行仔細(xì)設(shè)計(jì)，從而確保達(dá)到GSM時隙發(fā)射時，供電電壓的跌落在可承受范圍內(nèi)。 針對上述協(xié)議機(jī)制中存在的跌落因素，外圍電源設(shè)計(jì)需關(guān)注以下3點(diǎn)。

①減小外圍電源內(nèi)阻。減少外圍電源內(nèi)阻的主要方法是使用輸出電流能力大的電源芯片，輸出電流能力越大， 電源內(nèi)阻越小。一般選擇輸出能力為2.5 A以上的電源芯片。

圖11 4G模塊電源設(shè)計(jì)SIM卡設(shè)計(jì)

圖12 4G通信模塊電路設(shè)計(jì)

方案一、外圍電源芯片使用LDO(Low Dropout Regulator)，如果輸出能力要達(dá)到2.5 A以上則選擇低壓差的LDO。由于LDO的輸入和輸出電流相等，選擇低壓差的LDO等效于選擇電源內(nèi)阻小的LDO。

方案二、外圍電源芯片使用DC-DC，則需關(guān)注電源器件手冊中開關(guān)的阻抗，即開關(guān)的導(dǎo)通阻抗一定要小。如果DC-DC外圍需要二極管，則選用低壓差的肖特基二極管。DC-DC外圍功率電感的直流等效電阻ESR也要盡量小，并且DC-DC的設(shè)計(jì)中要盡量降低每個環(huán)節(jié)的損耗，從而減小電源的內(nèi)阻。

通過對比選擇DC-DC芯片LM2596S-ADJ，相比LDO電源DC-DC有更寬的電壓輸入范圍和更高的轉(zhuǎn)換效率。

②增加儲能電容。增加儲能電容的主要原因是外圍電源不能在瞬間提供超過 2 A 的電流，所以必須加足夠容量的儲能電容進(jìn)行電流補(bǔ)償，設(shè)計(jì)補(bǔ)償電容1 000 uF/16 V(見圖13)。

圖13 設(shè)計(jì)補(bǔ)償電容圖

③提升電源芯片動態(tài)響應(yīng) 。電源芯片的輸入端加一個較大的電容也有利于提升電源芯片的瞬態(tài)響應(yīng)。如果電源芯片的前級瞬態(tài)響應(yīng)不好，即使電源本身的瞬態(tài)響應(yīng)好，也不能保證瞬時電流的供給，所以電源芯片的輸入端也需要加一個比較大的電容(470 uF/35 V)。

(2)4G全網(wǎng)通AT命令：AT命令是用來控制終端設(shè)備(Terminal Equipment，TE)和通訊模塊(Mobile Terminal, MT)之間交互的規(guī)則。

7 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面顯示單元，用于人機(jī)交互，開機(jī)顯示LoGo后進(jìn)入主界面如下所示,20 min不按任何按鍵液晶屏將關(guān)閉顯示，按任何按鍵顯示LoGo后進(jìn)入主界面:

歡迎使用! 2018-01-23 14∶38∶22 用戶號: 區(qū)號: 0站 號: 井號: 0剩余水量:總用水量:總購水量: 狀態(tài):開門報警!

登錄用戶卡后,鍵入“→”或“+”可以查看IC卡信息、參數(shù)設(shè)置信息、采集的傳感器信息等，電路設(shè)計(jì)如圖14所示。

8 IC卡電路設(shè)計(jì)

IC卡工作的基本原理是：射頻讀寫器向IC卡發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內(nèi)有一個LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，這樣在電磁波激勵下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷；在這個電容的另一端，接有一個單向?qū)ǖ碾娮颖茫瑢㈦娙輧?nèi)的電荷送到另一個電容內(nèi)存儲，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2 V時，此電容可作為電源為其他電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接受讀寫器的數(shù)據(jù)[6]。IC卡主要用于讀寫，讀寫IC卡參數(shù)，根據(jù)參數(shù)辨別卡的類別并做相應(yīng)的操作，主要電路設(shè)計(jì)如圖15所示。

圖14 人機(jī)界面電路設(shè)計(jì)

圖15 IC卡電路設(shè)計(jì)圖

IC卡安全措施：常用的安全技術(shù)有身份鑒別和IC卡合法性確認(rèn)。這些技術(shù)采用可以保證IC卡的數(shù)據(jù)在存儲和交易過程中的完整性、有效性和真實(shí)性，從而有效地防止對IC卡進(jìn)行非法讀寫和修改?？傮w上，IC卡的安全包括物理安全和邏輯安全兩方面。

物理安全：物理安全包括IC卡本身的物理特性上的安全性，通常指對一定程度的應(yīng)力、化學(xué)、電氣、靜電作用的防范能力；對外來的物理攻擊的抵抗能力，要求IC卡應(yīng)能防止復(fù)制、竄改、偽造或截聽等[7]。常采用的措施有：采用高技術(shù)和昂貴的制造工藝，使無法偽造；在制造和發(fā)行過程中，一切參數(shù)嚴(yán)格保密；制作時在存儲器外面加若干保護(hù)層，防止分析其中內(nèi)容，即很難破譯；在卡內(nèi)安裝監(jiān)控程序，以防止處理器或存儲器數(shù)據(jù)總線和地址總線的截聽。

邏輯安全：IC卡授權(quán)管理即使用密碼對用戶數(shù)據(jù)加密，軟件通過DES加密綁定電腦，IC使用需要管理人員以密鑰的方式授權(quán)[8]。

9 設(shè)備功能檢測

功能檢測流程主要包括參數(shù)設(shè)置、參數(shù)查詢、運(yùn)行顯示三部分。主要設(shè)定本機(jī)站號、行政編碼、區(qū)號、井號、存儲間隔、自報間隔、時間等等。在本次檢測中：可通過按鍵、IC設(shè)置卡、USB或藍(lán)牙接口電腦設(shè)置軟件等多種方式進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；參數(shù)查詢可按“返回”“→”或“+”“確認(rèn)”可以查看用戶號、區(qū)號、井號、站號、剩余水量、總用水量、總購水量、瞬時流量、總累計(jì)量，電機(jī)電流、電壓、功率、電量、時間、IP地址等等參數(shù)。

10 藍(lán) 牙

終端設(shè)備添加藍(lán)牙功能，采用芯片CC2541芯片。CC2541是一款針對低能耗以及私有2.4 GHz應(yīng)用的功率優(yōu)化的真正片載系統(tǒng)(SoC)解決方案。它使得使用低總體物料清單成本建立強(qiáng)健網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成為可能。CC2541將領(lǐng)先RF收發(fā)器的出色性能和一個業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051MCU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存存儲器、8kBRAM和很多其他功能強(qiáng)大的特性和外設(shè)組合在一起。原理設(shè)計(jì)如圖16。

圖16 藍(lán)牙原理圖設(shè)計(jì)

11 結(jié) 語

經(jīng)過長時間的實(shí)踐，本IC卡測控終端監(jiān)測流量、控制電動閥、泵、小型閘計(jì)量及自動調(diào)配水量實(shí)現(xiàn)合理收費(fèi)，手持機(jī)寫卡，一機(jī)一卡，方便管理員的操作與控制。良好的人機(jī)界面，鍵盤操作極為方便。測控終端在硬件設(shè)計(jì)上穩(wěn)定可靠，并對水泵、電動閥電機(jī)準(zhǔn)確的啟停、開關(guān)控制，接口的抗干擾性能強(qiáng)。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。