農田節水灌溉計量控制系統研究

摘 要：為加速實現我國農業灌溉系統的現代化、標準化，改善目前我國農業灌溉產業收費混亂和計量系統不統一的情況，根治無意義的水資源浪費和胡亂開采問題，設計出一套節水計量灌溉系統。該系統通過與數據庫技術的深度融合，同時結合IC卡射頻技術和單片機自動控制技術，集成了購水、購電、用戶信息采集等功能?；诖?，本文對該系統進行介紹，以促進農業發展，促進農業用水系統現代化。

關鍵詞：灌溉系統;用戶體驗;現代化

我國是世界上水資源稀缺的國家之一，其中農業灌溉用水占據了水資源利用的較大比例，但是我國對于水資源的利用率卻遠不及一些主流的發達國家，且農業用水利用率僅為這些國家的1/2左右。因此，利用農田節水灌溉計量控制系統提升我國農業用水的綜合利用率是非常迫切的現實需求，也符合我國的基本國情。

一、系統組成

農田節水灌溉計量系統基本由灌溉控制器、射頻IC卡及用戶信息管理設備組成。灌溉控制器可以借助計量模塊實現對用戶耗水量、耗電量的精準監控;射頻IC卡可以實現用戶和控制器之間的數據傳輸;而射頻IC卡的充值則由用戶信息管理設備完成，且用戶通過在控制器刷卡實現身份識別也同樣利用了用戶信息管理設備。灌溉控制器分為2種模式，分別為手動和自動，系統可以智能記錄水量和電量的消耗，自動扣除余額，最后由IC卡讀寫模塊將余額記錄在卡中，完成整個灌溉流程[1]。

（一）系統原理

最初用戶可以在系統管理人員的操作下在卡中充入預設金額，在刷卡灌溉時，該卡便會自動鎖定，只能同時在一個機井實現操作功能，待灌溉結束后用戶的用水量、用電量等實時數據記錄在射頻IC卡后，該卡才能在別處使用。

用戶刷卡完成身份識別時機器會自動顯示卡內剩余的水量和電量，當水量和電量接近臨界值時灌溉便會自動停止，待用戶重新充值，超過臨界值才會恢復灌溉。

針對不同的用水需求系統設定了階梯水價，遵從超出的部分適當加價，對節約用水的用戶適當減免費用的原則。將用水量分為低檔和高檔，系統自動判斷用戶用水的額度從而結算出用戶應支付的價格，每月在系統管理員處結算費用時用水量處于低檔的用戶會享受到相應的優惠獎勵，而對于用水量高檔的用戶則會適當提高水的單價，保證收費過公開透明。

如果發生不慎丟失卡的情況，用戶可第一時間在系統管理員處請求掛失該卡，掛失后再次使用該卡需要額外進行身份認證，卡若遺失無法找回則可申請重新辦理新卡。同時，可將舊卡上儲存的用戶信息及余額充入新卡中，方便用戶繼續使用。整個過程保障了用戶的個人信息不被泄露，極大地提高了農田節水灌溉計量系統的實用性和安全性。

（二）硬件設計

系統硬件電路由單片機、外部存儲器、電源模塊、土壤濕度檢測模塊、繼電器控制模塊、水量計量模塊、人機交互模塊及射頻IC卡讀寫模塊組成。電源模塊負責提供系統需要的穩定電壓;射頻IC卡讀寫模塊用于實現讀入、寫出操作;人機交互模塊可以讓用戶方便直觀地看到灌溉信息的動態展示;水量計量模塊負責信號的轉化，將系統內的水、電流量轉化為機器可以識別的脈沖信號;單片機實時記錄脈沖數量并按照一定的算法計算出相關費用;土壤濕度檢測模塊定時采集土壤內的水分含量、濕度等信息并將信息傳遞給微處理器，幫助決策灌溉方式;外部存儲模塊不間斷更新用戶信息，避免因為各種突發性意外而導致用戶信息丟失;繼電器控制模板專門接收信號，控制相關機器運作。

1.中央處理器與外部存儲模塊

中央處理器選擇STC15W4K60S4單片機作為農田節水灌溉計量系統的微處理器，其優勢在于不僅可以快速穩定地實現各種數據處理，同時還可以保持低功耗平穩運行，速度相較傳統8051有高達10倍地明顯提升，并且可在指令代碼移植性較強的情況下保證足夠的安全性和保密性，外來設備很難破解，抗干擾能力強，可以在復雜環境下順利工作。

為了防止灌溉過程中出現突發意外情況導致用戶數據丟失或要記載一些重要信息，如用水量、電費等，系統需要額外設立一個獨立的模塊用以處理意外狀況。而外部存儲模塊恰好能解決這些問題。

2.人機交互模塊

人機交互模塊作為人與系統之間連接的樞紐起到了很重要的作用，通過這一模塊可以按照人們的需求調節系統各項參數，也可以實時了解系統運行狀況?？紤]到系統的實用性，可采用DMT80480C050DGUS屏幕作為農田節水灌溉計量系統的顯示終端接口，采用了800×840分辨率，在同等系列產品中擁有較好的顯示效果，方便用戶查看各種信息，也支持觸控操作，操作難度較低，能降低用戶的操作門檻。

3.電源模塊

電源模塊作為為系統輸送電能的重要組成部分，必須實現穩定輸出來確保其他模塊正常運作。由于農田灌溉使用的機泵采取的是電壓較高的380 V三相交流電源，不同于系統電路中的5 V或12 V，因此需要借助變壓器和開關電源將其轉變為12 V直流電才能正常使用。

直流電源經過的是LM2576降壓型開關穩定器，可以取代過去使用的三端線性穩壓器。LM2576穩定器具有較小的電壓調整率和電流調整率，負載驅動力達到3 A，可以應對日常工作中常見的電壓情況。為了防止高溫或電路過載對電路造成破壞，該芯片內部設置了相應的保護系統，在使用其重新設計電路時不必重新接入外部元器件，降低了操作成本，且正常范圍內造成的正常誤差不會妨礙系統的正常運作。

4.射頻IC卡讀寫和接口電路設計

當IC卡被系統識別時需要進行相關的讀入寫出操作，農田節水灌溉計量系統使用的是YMC-150系列讀寫模塊，其內部支持相關的ISO14443A協議，支持Mifare1 S50/S70卡片，曾被廣泛應用于高校一卡通等需要頻繁識別的場景，借由RS485便可直接執行相關的操作，無需遵守復雜的通信協議。該讀卡器工作電壓不超過12 V，同時工作電流上限為100 mA，工作頻率為13.56 H，用戶設置的波特率為4 800～115 200 Bite/s，內部集成了LED指示燈和蜂鳴器。

5.土壤濕度檢測模塊設計

農作物需要的水分主要來自于土壤，這部分水分便是系統需要收集的重要信息。高精度FDR-100型土壤濕度傳感器廣泛應用于各個領域，如農業滴灌、溫室作物和科學試驗等，其具有傳感精度高、穩定性好、使用壽命長等特點，可以在各種復雜的環境中正常使用，非常適合應用于農田節水灌溉計量控制系統。

二、節水灌溉系統發展趨勢

雖然我國在農田節水灌溉計量控制系統建設方面不斷發展進步，但當前仍然落后于國外先進的灌溉系統，但國外灌溉系統價格昂貴，不能大批引進，因此，只有制造出本土化的灌溉系統才真正符合我國的環境和國情。但現階段，我國的灌溉技術仍處于摸索階段，普及度低，且價格并未下調到合理范圍，很難被多數用戶接受。

隨著我國農業不斷發展，農業灌溉領域已經吸納了大量資金，同時也取得了較大進步。此外，新時代農民開始重視科技的應用，改變了舊有觀念，開始嘗試使用新技術，促進了農田灌溉系統在國內的發展。因此，農田節水灌溉計量控制系統具有廣闊的發展前景，應加大研究力度并大力推廣普及。

三、結語

農田節水灌溉計量控制系統結合IC卡射頻技術、土壤濕度檢測技術等眾多創新科技，實現了灌溉系統的自動化和精準化，逐漸完善的灌溉系統和人性化的操作都使得灌溉系統越來越被用戶所接受。因此，在政府的幫助和扶持下，農田節水灌溉系統一定會順利拓寬市場，在國內大范圍普及，進而推動我國農業現代化發展[2]。

參考文獻：

[1]方正，徐曉輝，蘇彥莽，等.農田節水灌溉計量控制系統的研究[J].江蘇農業科學，2018（2）：173-175

[2]孟煒.農田灌溉用水趨勢及節水措施分析[J].水能經濟，2018（1）：132.