農業灌溉測控終端的設計與研究

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．中國科學院沈陽自動化研究所 遼寧 沈陽 110016；3．山東三龍智能技術有限公司 山東 濟南 250101）

電量是工農業生產中常見和最基本的參數之一，在農業灌溉過程中常需對電量進行監控收費。采用單片機對用電量進行采集，制定科學合理的收費依據，對于調節水資源分布不平衡、節約能源等都有重要的作用。本農業灌溉測控終端設計采用 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，數據處理快，實時性強[1]。手持機寫卡，刷卡計費。受季節影響軟大的場合（如水庫水渠），通過矩陣鍵盤設定合理的時間計劃，對收費算法進行適當調整，可使收費更加科學合理。以電控水的計費方式，節省了昂貴的計量設備成本以及現場安裝時的人工和物料成本。

1 硬件設計

本農業灌溉測控終端由STM32F103嵌入式微控制器、固態繼電器控制部分、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，完成電量信號的準確采集、水泵電機動力線母線的控制以及IC卡數據的交互；MCU內置512K Flash，可存儲IC卡用戶數據，HS19264液晶顯示器顯示用戶使用電量的信息。系統整體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統整體結構框圖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體系結構，代碼效率很高，通過倍頻可達72 MHz，內置高達512K字節的Flash存儲器，可用于存儲用戶數據，無需擴展存儲空間，內置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，完全能滿足農業灌溉測控終端的要求。

1.2 電源管理模塊設計

該終端所選電源管理芯片為寬壓輸入，可有效避免開關電源輸出電壓波動而引起的3.3 V電壓的不穩定性。電源管理芯片電流輸出能力要強，以驅動 MCU、液晶顯示器以及其它控制與通訊模塊。TI開關電壓調節器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、熱關斷電路，可達到本測控終端設計的要求。

LM2596（U1）能夠在使能端 ON/OFF為高電平的情況下將開關電源（J2）輸入的4～40 V電壓轉換為 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 時鐘模塊設計

農業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，終端在執行時間計劃要用到時鐘，要使終端有條不紊地完成預定的工作，一個穩定可靠的時鐘系統是必不可少的。

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 執行機構設計

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，產生電磁效應，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。在農業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生形變，縮短了電磁繼電器機械壽命。在高振動的灌溉環境下工作，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）、固態繼電器（K1）組成，如圖 4所示。MCU通過三極管實現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，其常開觸點控制固態繼電器觸點，固態繼電器常開觸點控制交流接觸器線圈，實現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導重視、部門之間的協作也明顯加強，考核也給地方政府尤其是得分排名靠后的地區帶來了壓力，促使這些地區加強節水和治污力度，加強對高耗水和高污染企業的限制和轉型升級，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、合狀態由永久磁鐵所產生的磁力保持。當繼電器需要動作時，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保持不變。用固態繼電器替代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 執行機構電路圖Fig.4 Actuator circuit diagram

1.5 電表通訊模塊設計

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約》（DL/T614—1997）幀格式讀取電能表電量。對接口進行了防雷（U5）設計與防浪涌（D7、D8）設計，增強其接口的可靠性。

1.6 人機界面設計

測控終端為增加人機交互，設立了液晶顯示器、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置和查詢。測控終端中的設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）、數據線（SID）、兩根時鐘線（SCLK1、SCLK2）與液晶顯示器相連。

1.7 射頻模塊設計

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FM1702SL（U6）是由上海復旦微電子研究院設計，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卡設計

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

本設計中的非接觸式IC卡采用M1卡，其具有唯一的序列號，在通信過程中所有數據都被加密。當M1卡進入射頻模塊的工作區域時，射頻模塊向M1卡發送13.56 MHz的電磁波，M1卡內產生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，灌溉完畢刷卡關機，收取費用。用戶卡卡結構設計如表1所示，卡結構采用BCD碼，校驗和校驗，X為卡標志，01代表用戶卡，02代表清零卡；D為回寫標志，00代表正常，01代表回寫成功；Z為追加標志，00代表正常，01代表追加成功。清零卡卡結構設計如表2所示，必要時用于清除用戶信息。

表1 用戶卡卡結構設計Tab.1 Card structure design for user card

表2 清零卡卡結構設計Tab.2 Card structure design for clear card

2 軟件設計

2.1 系統工作流程

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

農業灌溉測控終端有時應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配與應用。供水水源因季節影響較大的水利工程，供水價格可實行豐枯季節浮動水價。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水價，4-6月份正是用水的高峰季節。

圖9 系統流程圖Fig.9 The flow chart of the system

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

測控終端中根據時鐘的時間信息，判斷灌溉時期是否處于時間計劃內，若處于時間計劃內，則根據設置選項中的調整系數F，對水價進行調整。

2.4 以電控水計費算法

根據公式（1）計算出每臺水泵單位時間內的出水量，進而可求出一段時間內的出水量，乘以水的單價，得到這段時間內水的總價。就可實現井灌區農業灌溉用水總量控制。算法如下：

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

7）總費用 P=Z+K；

3 實 驗

實驗流程包括參數設定、參數查詢、運行顯示三部分。參數設置主界面如圖11所示，設定內容包括時間計劃、校時、密碼設置、單價設置、水泵參數、區域代碼和終端復位，在本實驗中時間計劃起始日期設定為20140501，結束日期設定為20140731；單價設定為0.8元；水泵參數中功率設為10 kW，揚程設為2 m，機械效率設為90%。參數的設置通過矩陣鍵盤，鍵盤上按鍵具有的功能：查詢、設置、確定、返回、上翻、下翻、左翻、右翻。查詢鍵可查看已設定的時間計劃信息、時鐘信息、單價、區域代碼和已用的累積電量信息。在設備運行期間，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與本次用電量（如圖12主界面所示）。

圖11 設置菜單界面Fig.11 The settings menu interface

圖12 主界面Fig.12 Main interface

4 結 論

經過長時間的實踐，本測控終端的以電控水計量方法能實現合理的收費。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。測控終端在硬件設計上穩定可靠，并對水泵電機準確的起停控制，接口的抗干擾性能強。農業灌溉測控終端可在農田水利現代化建設中推廣使用。

[1]武利珍，張文超，程春榮.基于 STM32的便攜式心電圖儀設計[J].電子器件，2009，32（5）:946-949 WU Li-zhen，ZHANG Wen-chao，CHENG Chun-rong.Design of Portable ECG Device Based on STM32[J].Electron Devices，2009，32（5）:946-949.

[2]丁力，宋志平，徐萌萌，等.基于 STM32的嵌入式測控系統設計[J].中南大學學報:自然科學版，2013，44（1）:260-265.DING Li，SONG Zhi-ping，XU Meng-meng，et al.Design of embedded measurementand control systembased on STM32[J].Journal of Central South University:Science and Technology，2013，44（1）:260-265.

[3]曹圓圓.基于STM32的溫度測量系統 [J].儀器儀表與分析監測，2010（1）:16-18.CAO Yuan-yuan.Temperature measurement system based on the STM32[J].Instrumentation Analysis Monitoring，2010，（1）:16-18.

[4]安靜宇，雷金莉，王媛媛.基于非接觸式IC卡門禁系統的設計[J].寶雞文理學院學報:自然科學版，2008，28（2）:141-144.WU Jing-yu，LEI Jing-li，WANG Yuan-yuan.Design of contactless IC card entrance guard system[J].Journal of Baoji University of Arts and Sciences:Natural Science，2008，28（2）:141-144.

[5]蔣慧.基于 FM1702SL的射頻讀寫器[J].電子世界，2005，（10）:53-54.JIANGHui.RFID reader based on FM1702SL[J].Electronics World，2005（10）:53-54.

[6]李軍，戴瑜興，謝曉潔.基于 FM1702SL的射頻卡電能表的設計[J].微計算機信息，2009（29）:49-51.LI Jun，DAI Yu-xing，XIE Xiao-jie.The design of RF card prepayment watt-hour meter based on FM1702SL[J].Microcomputer Information，2009（29）:49-51.

[7]朱紫嫄，賈志成，彭成功.基于 SOPC的射頻卡實時消費記錄系統設計[J].電子設計工程，2013，21（6）:158-161.ZHU Zi-yuan，JIA Zhi-cheng，PENG Cheng-gong.Design of RF CARD consumption recorder based on SOPC[J].Electronic Design Engineering，2013，21（6）:158-161.

[8]沈連起，葉芳，馬銀輝.IC取水卡控制井灌區農業用水量探討[J].山東水利，2011（9）:11.SHEN Lian-qi，YE Fang，MA Ying-hui.Study of IC water card control in well irrigation area of agricultural water use[J].Water Resource of Shandong Province，2011（9）:11.