遠(yuǎn)程農(nóng)用機(jī)井水電計(jì)量設(shè)備設(shè)計(jì)與研制

王明飛+田宏武+張石銳 李金雷

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.13.049摘要：為改善傳統(tǒng)農(nóng)用機(jī)井水電計(jì)量方式，提高計(jì)量設(shè)備與服務(wù)器之間通信質(zhì)量，設(shè)計(jì)了一種基于射頻卡的遠(yuǎn)程水電計(jì)量設(shè)備。設(shè)備利用射頻識(shí)別技術(shù)，采用水表電表計(jì)量相結(jié)合的方式，利用GPRS和無(wú)線電臺(tái)雙重傳輸方式的同步服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)井及用戶狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，完成對(duì)灌區(qū)用水的精確管理。試驗(yàn)結(jié)果表明，該計(jì)量設(shè)備能準(zhǔn)確采集用水信息，并及時(shí)穩(wěn)定同步服務(wù)器數(shù)據(jù)，適應(yīng)農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)。

關(guān)鍵詞：水電計(jì)量；射頻卡；數(shù)據(jù)傳輸；遠(yuǎn)程農(nóng)用機(jī)；電路設(shè)計(jì)；系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TP29； S274. 4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A[HK]

文章編號(hào)：1002-1302（2017）13-0177-04[HS）][HT9.SS]

收稿日期：2016-03-17

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（編號(hào)：201203012-4-1）；北京市科技計(jì)劃（編號(hào)：D151100004115004）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃（編號(hào)：2015BAD20B03）；北京市農(nóng)林科學(xué)院院創(chuàng)新能力建設(shè)專項(xiàng)（編號(hào)：KJCX20141411）。

作者簡(jiǎn)介：王明飛（1984—），男，安徽合肥人，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)自動(dòng)化研究。E-mail：wangmf@nercita.org.cn。

[ZK）]

水資源日益緊缺，而農(nóng)業(yè)灌溉用水占總用水量比例最高[1]。目前，我國(guó)北方農(nóng)村地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)不合理，使得人水矛盾日益激化。如何科學(xué)體現(xiàn)農(nóng)用水資源的價(jià)值，一直是農(nóng)業(yè)灌溉計(jì)量設(shè)施行業(yè)討論的熱點(diǎn)?，F(xiàn)階段，灌區(qū)內(nèi)常利用機(jī)井開(kāi)采地下水進(jìn)行灌溉，但對(duì)農(nóng)用機(jī)井的管理存在諸多弊端，如計(jì)量方式不合理、存在送“人情”水現(xiàn)象、同步計(jì)量設(shè)備手段單一[2-5]。

因此，本研究設(shè)計(jì)一種基于IC卡的遠(yuǎn)程水電計(jì)量設(shè)備，以電量折算水量和水表雙結(jié)合方式，解決以往單一以水表計(jì)量方式存在的問(wèn)題[6]；計(jì)量過(guò)程無(wú)人干預(yù)，杜絕送水現(xiàn)象。本設(shè)備以射頻存儲(chǔ)技術(shù)為基礎(chǔ)，計(jì)量用戶用水，操作簡(jiǎn)單易用，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)用戶用水、機(jī)井水位等信息，控制機(jī)井水泵，并通過(guò)GPRS和無(wú)線電臺(tái)雙重同步服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，在無(wú)公共網(wǎng)絡(luò)信號(hào)時(shí)，仍可正常工作，適應(yīng)農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線環(huán)境，為地下水資源統(tǒng)一管理提供保證。

1遠(yuǎn)程農(nóng)用機(jī)井用水計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)用

用水管理中心、用戶和機(jī)井構(gòu)成整個(gè)機(jī)井水電計(jì)量系統(tǒng)的應(yīng)用主體[7]，如圖1所示。用水管理中心要設(shè)置機(jī)井編號(hào)、用水限額、使用權(quán)限、水電折算系數(shù)、水費(fèi)率、位置等信息，添加用戶的編號(hào)、權(quán)限、余額等，登記所轄范圍內(nèi)所有機(jī)井和用戶信息。用戶開(kāi)卡之后，在管理單位充值買水；用戶現(xiàn)場(chǎng)用水，共需刷卡2次，首次刷卡，設(shè)備讀取用戶卡中余額，再扣除固定金額，不足固定金額時(shí)扣除全部余額，然后啟動(dòng)水泵，當(dāng)消費(fèi)完所扣金額，關(guān)水泵，若尚未使用完已扣金額，在第2次刷卡時(shí)關(guān)水泵并補(bǔ)回剩余費(fèi)用。

[FK（W10][TPWMF1.tif][FK）]

2遠(yuǎn)程農(nóng)用機(jī)井水電計(jì)量設(shè)備總體硬件結(jié)構(gòu)

水電計(jì)量設(shè)備主要由電源電路、指示模塊、采集單元、控制單元、刷卡模塊、存儲(chǔ)模塊以及通信模塊等組成。設(shè)備硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

[FK（W10][TPWMF2.tif][FK）]

核心處理器選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103，該芯片時(shí)鐘頻率最高可達(dá)72 MHz，片內(nèi)含有大容量存儲(chǔ)器，集成了AD、DA、USB轉(zhuǎn)換器及網(wǎng)絡(luò)控制器等功能，還包含了多個(gè)UART、SPI接口，并支持停機(jī)、睡眠和待機(jī)3種低功耗模式[8]。

指示模塊分顯示和語(yǔ)音2個(gè)部分，其中顯示部分顯示用戶信息，而語(yǔ)音模塊則為用戶提示顯示信息中的關(guān)鍵部分，如本次使用金額和用戶余額等；采集單元包括采集水表、電表、壓力、水位等傳感器信息，可為控制單元提供反饋信息；控制單元?jiǎng)t完成對(duì)水泵的控制；設(shè)備通過(guò)刷卡模塊實(shí)現(xiàn)卡片信息交互；存儲(chǔ)單元暫時(shí)保存狀態(tài)和本機(jī)地址等信息。為與管理單位服務(wù)器同步，設(shè)備還設(shè)計(jì)了通信模塊，其中包括GPRS模塊和RS485模塊。GPRS模塊主要用于上傳用戶用水記錄，而RS485模塊則用于連接無(wú)線電臺(tái)。

考慮農(nóng)村現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在水電計(jì)量設(shè)備外圍另有電氣保護(hù)裝置，包括漏電保護(hù)、防雷器件、相序保護(hù)和過(guò)熱防護(hù)等，有效地預(yù)防了農(nóng)村電力不穩(wěn)、水泵異?？ㄋ?、設(shè)備安全等問(wèn)題。

2.1電源電路

設(shè)備使用380 V交流電輸入，首先由變壓器轉(zhuǎn)為220 V交流電，再經(jīng)AC-DC模塊轉(zhuǎn)成DC5 V、DC24 V。模塊選用金升陽(yáng)公司生產(chǎn)的LH20-10D0524，其輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍寬，負(fù)載能力強(qiáng)，具有過(guò)壓過(guò)流保護(hù)功能，滿足后級(jí)電路功率瞬態(tài)變化要求，提高了設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。DC5 V經(jīng)過(guò)LDO芯片（AMS公司，AMS1117）轉(zhuǎn)化為DC3.3 V，為微處理器、存儲(chǔ)器、卡片讀寫(xiě)芯片、聲音芯片等供電，為系統(tǒng)控制中的關(guān)鍵電源；DC24 V供給繼電器，用于間接控制水泵。在電源拓?fù)渲校眄氉⒁獾氖枪┙oGPRS的DC12 V，為滿足GPRS模塊（SIMCOM公司，SIM900A）的瞬態(tài)功率要求，選用專用DC-DC模塊（金升陽(yáng)公司，URB-6WR2），并輔以大容量?jī)?chǔ)能電容，以保證模塊正常工作。電源設(shè)計(jì)中的強(qiáng)電與弱電均采用隔離技術(shù)，有效消除串?dāng)_噪聲。設(shè)備中完整電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。[FL）]

2.2讀寫(xiě)射頻卡電路設(shè)計(jì)

讀卡器主要由天線、接收電路、EMC電路（去干擾電路）和匹配電路組成。其中主芯片選用恩智浦公司的MRFC522，芯片內(nèi)置可解調(diào)譯碼的模擬電路，支持ISO14443/Mifare通信協(xié)議，具有SPI/IIC/UART通信接口。

當(dāng)讀卡器感應(yīng)到MIFARE卡時(shí)，能量經(jīng)天線以較小損耗傳輸至接收電路，在MFRC522內(nèi)部對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理；讀卡器發(fā)射的信號(hào)，首先通過(guò)EMC電路，以便有效地抑制諧波，再由匹配電路經(jīng)天線傳遞到MIFARE卡中并存儲(chǔ)信息。讀卡電路如圖4所示。讀卡器天線與MIFARE卡之間的能量傳輸使用變壓器原理，讀卡距離主要受讀卡器天線大小、匹配電路品質(zhì)以及環(huán)境的影響。一般情況下，當(dāng)讀卡器天線和卡線圈的距離等于讀卡器天線的半徑時(shí)，耦合系數(shù)最高，雙方傳遞能量損耗最少。根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)備設(shè)計(jì)7 cm×11 cm環(huán)形天線，實(shí)際測(cè)量得到的有效通信距離在8.1 cm左右。[FL）]endprint

[FK（W16][TPWMF4.tif][FK）]

[FL（2K2]2.3通信模塊電路設(shè)計(jì)

通信模塊電路分為GPRS與無(wú)線傳輸電路2個(gè)部分。在有GPRS公網(wǎng)信號(hào)覆蓋的情況下，設(shè)備優(yōu)先使用GPRS通信方式上傳數(shù)據(jù)至服務(wù)器中；在農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)，GPRS信號(hào)較弱甚至沒(méi)有，為保證設(shè)備與服務(wù)器之間穩(wěn)定同步通信，設(shè)計(jì)了無(wú)線電臺(tái)控制單元。電臺(tái)選用固迪公司的GD230BH，其頻率范圍為223～235 MHz，[JP3]支持GMSK/4FSK調(diào)制方式，提供EIA-485數(shù)據(jù)接口，DC12 V供電，最大傳輸距離可達(dá)數(shù)十千米。使用時(shí)，通過(guò)專用設(shè)置軟件配置參數(shù)，傳輸協(xié)議選用透明傳輸（圖5）。[JP]

3遠(yuǎn)程農(nóng)用機(jī)井水電計(jì)量設(shè)備系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

[CM（24]水電計(jì)量設(shè)備是多任務(wù)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，對(duì)各子功能模塊實(shí)[CM）]

[FK（W6][TPWMF5.tif][FK）]

時(shí)性要求較高，傳統(tǒng)程序順序執(zhí)行方式很難控制子模塊的執(zhí)行時(shí)間，不能及時(shí)響應(yīng)突發(fā)事件。μC/OS-Ⅱ是一個(gè)可移植裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，可同時(shí)管理的任務(wù)多達(dá)64個(gè)。綜合考慮，采用μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)。設(shè)備軟件主要通過(guò)采集水表和電表數(shù)據(jù)，獲取用戶本次使用金額，并在MIFARE卡中扣除，同時(shí)將用水信息傳送至服務(wù)器中。

3.1設(shè)備任務(wù)設(shè)計(jì)

μC/OS-Ⅱ中程序運(yùn)行的基本單位是任務(wù)，軟件設(shè)計(jì)將灌溉控制器中每1個(gè)功能子模塊與μC/OS-Ⅱ中的1個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)。設(shè)備中各任務(wù)如圖6所示。[FL）]

[FK（W18][TPWMF6.tif][FK）]

[FL（2K2]程序調(diào)用OSStart（ ）啟動(dòng)μC/OS-Ⅱ，任務(wù)得到CPU控制權(quán)。OSStart（ ）函數(shù)可用于完成硬件系統(tǒng)的基本設(shè)置，啟動(dòng)時(shí)間節(jié)拍，并創(chuàng)建其他應(yīng)用任務(wù)。任務(wù)創(chuàng)建后，程序首先讀取存儲(chǔ)器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘中數(shù)據(jù)，以便校正設(shè)備參數(shù)；當(dāng)感應(yīng)到有射頻卡并有權(quán)限執(zhí)行開(kāi)泵時(shí)，讀寫(xiě)卡任務(wù)讀取射頻卡中信息，如用戶編號(hào)、用戶余額和水井限額剩余等，然后通過(guò)顯示任務(wù)將卡片信息顯示在設(shè)備屏幕中，并在語(yǔ)音任務(wù)中提示開(kāi)泵成功與否；若是關(guān)泵，則將信息回寫(xiě)到用戶卡中并提示本次使用金額和用戶余額等。

采集任務(wù)能夠?qū)崟r(shí)地采集各種傳感器信息，如水表、電表、水位、壓力等信息，并將數(shù)據(jù)保存至存儲(chǔ)器中。計(jì)量任務(wù)從采集任務(wù)中獲取水表和電表用量信息，首先根據(jù)電表用量和水電折算系數(shù)，算出本次用水量，再與水表讀數(shù)比較，取兩者之間最大值?？刂迫蝿?wù)根據(jù)存儲(chǔ)器中控制指令決定水泵開(kāi)合。通信任務(wù)從存儲(chǔ)器中讀取當(dāng)前以及過(guò)往傳輸失敗的用水記錄并上傳至服務(wù)器中，其傳輸優(yōu)先選擇GPRS方式，當(dāng)傳輸失敗之后，自動(dòng)啟動(dòng)無(wú)線電臺(tái)繼續(xù)傳輸。

3.2通信任務(wù)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器同步控制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)通信任務(wù)，并將其優(yōu)先級(jí)設(shè)置為最高，其任務(wù)軟件流程如圖7所示。

上電初始化后，任務(wù)首先發(fā)送1次同步信號(hào)，在確定服務(wù)器收到信號(hào)后，開(kāi)啟其他任務(wù)，之后系統(tǒng)等待關(guān)水泵時(shí)發(fā)送的信號(hào)量，當(dāng)用戶用水結(jié)束后，任務(wù)接收到信號(hào)量，先使用GPRS發(fā)送用戶用水記錄，等待服務(wù)器響應(yīng)，若連續(xù)上傳2次不成功，自動(dòng)使用無(wú)線電臺(tái)上傳數(shù)據(jù)包，等待管理中心無(wú)線電臺(tái)響應(yīng)，若仍超時(shí)無(wú)響應(yīng)，將此條傳輸失敗的數(shù)據(jù)包返回到設(shè)備存儲(chǔ)器中，并通過(guò)變量記錄傳輸失敗數(shù)據(jù)包的首地址，以便系統(tǒng)空閑時(shí)間再傳。

用戶記錄數(shù)據(jù)包格式為井號(hào)+卡號(hào)+開(kāi)始時(shí)間+結(jié)束時(shí)間+本次用電量+本次用水量+水電系數(shù)+水價(jià)+剩余金額+水泵狀態(tài)。其中，井號(hào)是管理中心統(tǒng)一分配的，卡號(hào)是開(kāi)卡時(shí)管理中心分配的，都具有唯一性；水電系數(shù)和水價(jià)由管理中心預(yù)先設(shè)置好。

當(dāng)用戶掛失時(shí)，管理中心須對(duì)卡進(jìn)行注銷，此時(shí)須服務(wù)器對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，在每次設(shè)備上傳用戶歷史記錄后為設(shè)置信息的時(shí)機(jī)，該信息包含在中心服務(wù)器響應(yīng)的數(shù)據(jù)包里。此數(shù)據(jù)包格式為井號(hào)+本次使用卡號(hào)+注銷卡號(hào)+機(jī)井新添加卡號(hào)+最新水電系數(shù)+最新水費(fèi)率+機(jī)井狀態(tài)，其中，注銷卡號(hào)指取消這些卡號(hào)在此機(jī)井的使用權(quán)限，而新添卡號(hào)指可在此機(jī)井使用的新卡號(hào)，機(jī)井狀態(tài)表明此機(jī)井是否已廢棄。

4遠(yuǎn)程農(nóng)用機(jī)井水電計(jì)量設(shè)備系統(tǒng)測(cè)試與分析

設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行中關(guān)鍵環(huán)節(jié)是用戶和機(jī)井信息與服務(wù)器同步，而雙方通信成功率是系統(tǒng)測(cè)試的重點(diǎn)。為驗(yàn)證本水電計(jì)量設(shè)備的通信性能，實(shí)地試驗(yàn)在北京市通州區(qū)國(guó)際種業(yè)科技園區(qū)基地展開(kāi)。選取5組設(shè)備安裝在5口水井中，設(shè)備與控制中心相距約5 km，分別置設(shè)備于不同無(wú)線信號(hào)環(huán)境下，為模擬出無(wú)GPRS信號(hào)覆蓋情況，將設(shè)備1與設(shè)備2采用鐵殼密封。設(shè)備中GPRS模塊選用SIM900模塊，考慮到信號(hào)衍射性[CM（25]能，將無(wú)線電臺(tái)頻率設(shè)置為[KG*5]229[KG*3]MHz。除設(shè)備1無(wú)線電臺(tái)[CM）][FL）]

[FK（W19][TPWMF7.tif；S+2mm][FK）]

[FL（2K2]所用天線增益比為3.5 dbi，其余設(shè)備均為2.5 dbi，5組天線架設(shè)高度均為4.8 m。用AT+CSQ查詢當(dāng)前GPRS信號(hào)質(zhì)量，5組設(shè)備信號(hào)強(qiáng)度分別為0、0、13、26、30，每組設(shè)備測(cè)試200次，在遠(yuǎn)端服務(wù)器中打開(kāi)監(jiān)控上位機(jī)軟件，監(jiān)測(cè)設(shè)備1次用GPRS或無(wú)線電臺(tái)方式發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包成功次數(shù)。

經(jīng)實(shí)地測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)備的1次傳輸成功率[9]達(dá)到99.7%；在GPRS信號(hào)較好地區(qū)，GPRS通信基本能獨(dú)立完成整個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸；在GPRS信號(hào)微弱地區(qū)，無(wú)線電臺(tái)能有效替代GPRS通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，但傳輸質(zhì)量受天線性能的制約。實(shí)際使用時(shí)，結(jié)合系統(tǒng)軟件的重發(fā)機(jī)制設(shè)計(jì)，又可以進(jìn)一步降低傳輸失敗率。水電計(jì)量設(shè)備試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。

[FK（W12][TPWMF8.tif][FK）]

5結(jié)論

本研究利用GPRS、無(wú)線電通信與射頻卡技術(shù)，采用水表和電表雙計(jì)量方式，并以STM32為核心處理器，μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)為系統(tǒng)軟件，設(shè)計(jì)了一種適用于農(nóng)村大田的機(jī)井灌溉計(jì)量設(shè)備，為農(nóng)用機(jī)井用水的計(jì)量提供精確信息，緩解資源短缺與農(nóng)戶需求之間的矛盾?？紤]到農(nóng)村現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線應(yīng)用環(huán)境，采用GPRS與大功率無(wú)線電臺(tái)相搭配的使用方式，在無(wú)GPRS信號(hào)的情況下，仍然可以實(shí)現(xiàn)與管理端服務(wù)器的同步；本設(shè)備現(xiàn)已在通州地區(qū)得到規(guī)?；瘧?yīng)用。試驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)合外觀結(jié)構(gòu)上的防水設(shè)計(jì)，設(shè)備工作穩(wěn)定，能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)作業(yè)不停機(jī)，最大覆蓋直徑可達(dá)13 km。

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