基于移動互聯技術的機井遠程灌溉控制器設計與開發

田家賓，焦麗娜，史慶生

（天津市水利科學研究院，天津300061）

全國農業水價綜合改革工作正在穩步推進[1]，做好用水計量工作是開展水價改革的重要基礎。井灌區機井全面開展配套安裝智能化計量設施，傳統機井灌溉控制器采用IC卡刷卡方式取水。農戶需多次往返田間與機井，距離較遠實際操作繁瑣，且機井灌溉為輪灌，IC卡灌溉無法實現預約灌溉，農戶澆地排隊等待時間長，遇到繁忙季節易引發矛盾。灌溉控制器不支持水權管理功能，無法控制超額用水機井和農戶取水，不能有效落實農業灌溉定額用水要求，農民的節水意識淡薄，大水漫灌現象普遍存在[2]。

隨著智能手機應用的普及和云計算技術的成熟，以移動端掌上服務為代表的移動互聯技術和共享經濟模式正快速發展，催生出眾多全新的服務理念和服務方式，深刻改變著人們的生產生活。井灌區農田灌溉服務順應社會發展趨勢，創新服務理念，通過基于移動互聯技術開發機井智能遠程灌溉控制器，為農戶提供手機遠程灌溉的全新澆地體驗。農戶通過操作手機掃描機井二維碼認證開泵，通過微信、支付寶第三方支付系統自助購水將成為一種更加方便快捷的灌溉方式。通過落實階梯水價和水權分配加強用水過程管控，實現農業灌溉用水定額管理和總量控制目標，提高農民的節水意識[3]。

1 控制器的總體設計

創新服務模式，按照“互聯網+”工作思路，基于移動互聯技術和共享思維運營模式，以農業灌溉機井為共享資源，為每眼機井設置唯一標識的二維碼，農戶通過手機App掃碼的方式實現遠程灌溉。控制器支持預約灌溉功能，可提前確定灌溉時間、灌溉水量，省工省時，便捷智能，有效減少水事糾紛。

機井智能遠程灌溉控制器滿足農業灌溉機井用水計量和控制要求。控制器集二維碼遠程灌溉用水、IC卡刷卡灌溉用水、自動用水用電計量、水泵本地控制、防盜報警、遠程監測控制等功能于一體，實現一體化多功能、一體化操作和一體化集成安裝；同時，采用GPRS網絡進行數據傳輸，上傳至農業灌溉用水數據中心，支持自動報送和遠程遙測相結合的模式[4]。

2 控制器的功能設計

機井智能遠程灌溉控制器集機井用水量、用電量等數據自動采集、存儲、傳輸以及水泵、電動閥門控制、水權控制于一體，為農業灌溉用水數據存儲、查詢、統計、分析提供支持[5]，主要具有以下功能。

（1）用水量和用電量計量。支持通過直接采集流量計和電表數據的方式進行計量；支持通過“以電折水”和“以時計水”水量換算的方式計量用水量。

（2）灌溉取水。支持手機App遠程灌溉和IC卡刷卡灌溉2種方式。其中，手機App遠程灌溉取水，用水戶需提水灌溉時通過手機App掃描機井二維碼啟動機泵取水和停泵；IC卡刷卡取水由用水戶手持IC卡刷卡啟動機泵取水，再刷卡停泵。控制器根據取水量自動扣除水量，在已充值剩余水量達到報警值時自動告警，水量用完自動停機。

（3）水權管理。具有限制機井取水功能，農戶或機井年累計取水量超過設定水權值，自動停泵。

（4）充值收費管理。支持手機App和IC卡2種充值管理方式。其中，手機App充值通過微信和支付寶第三方支付方式進行在線充值；IC卡充值收費支持IC卡“一井一卡”“一井多卡”“一卡多井”使用方式，通過充值收費管理系統對用水戶IC卡進行充值。

（5）水泵控制。以取水量（或電量）為控制量，用水戶通過手機App或刷IC卡控制水泵啟閉，控制器在設備出現故障或事故時立即切斷電源。

（6）信息傳輸。支持GPRS/3G/4G傳輸方式，采用固定IP模式上傳至上位機自動報送和遠程遙測相結合模式，實現遠程查詢遙測功能。

（7）參數遠程配置。控制器設備可遠程配置報送時間、時間間隔、“以電折水”系數及“以時計水”系數等參數。

（8）設備自檢和故障診斷。當計量設施出現故障時自動監測，及時上報信息。

（9）備用電源自動切換。配備備用鋰電池，外部電源有電狀態下自動對備用電源充電，外部電源斷電時備用電源能夠自動切換，保證監測數據不丟失。

（10）保護功能。配備漏電保護、短路保護、過載保護、過壓、欠壓、輸入缺相保護等安全保護功能，具備防雷擊保護措施。

（11）存儲功能。存儲用戶用水記錄數據不小于10 000條。

3 控制器的終端硬件設計

控制器終端硬件主要包括主處理器、電器控制部分、電源、人機交互系統、控制執行部分和傳感器部分[6]，控制器安裝在機井首部。

（1）主控制器。主控制器采用ATSAMA5D36CU作為處理芯片。ATSAMA5D36CU是一款ARM Cortex A5內核的工業級芯片，帶有USB2.0協議的USB HOST和Device接口，采用嵌入式ARM Linux，實現基于ARM的嵌入式Linux系統移植開發。

（2）電器控制部分。控制器電源由農用灌溉三相電380V作為設備的總供電電源，加入漏電保護器，提高安全性；加入浪涌保護器，增強浪涌抗擊能力，增加設備的穩定性和可靠性；在水泵設備前加軟啟動器，減少水泵突然啟動和突然停止產生的“水錘”對管道的影響，使得水泵啟動方式平緩穩定。

（3）電源設計。電源需要12、5、3.3 V量級的電壓。其中，12 V是整個控制器和各類傳感器的供電電壓，配有12 V鋰電池，在主電源斷開后給系統供電；鋰電池為充電電池，主電源存在時給電池充電。5 V電壓主要是通信模塊、系統工作的驅動電壓。3.3 V電壓主要為主芯片工作、程序下載調試模塊、程序外部看門狗等其他輔助功能模塊的供電電壓。

（4）人機交互系統。選擇LCD液晶顯示屏作為控制器的顯示屏，屏幕尺寸大，能夠對用水量、用電量、農戶信息、水費、開關泵時間、流速、用戶余額等進行全面顯示，使農戶能夠清晰了解灌溉數據，增強用戶體驗。

（5）控制執行部分。該部分是控制管理層和收費管理層下發命令最終實現的一個執行終端，主要功能是收到工作指令后實現水泵的開啟和關閉，主要元器件包括繼電器及其驅動器。

（6）傳感器部分。控制器支持采集田間傳感器數據，采集的數據包括土壤墑情、水位、溫度、pH值、電導率等，傳感器采用RS485通信方式，協議為MODBUS-RTU。

（7）控制器整機機械結構設計。控制器整體釆用上中下分層式設計，上層主要放置刷卡器；中間層主要放置系統的控制部分元器件；下層主要放置電氣控制部分器件。通過分層設計，有效利用了控制器空間，同時將強電線路與弱電控制電路分開，實現水電分離，有效防止了相互干擾，提高了系統運行穩定性，同時方便維護和安裝。

4 控制器的軟件設計

4.1 控制管理層軟件設計

控制終端程序運行嵌入式Linux系統，在Eclipse開發環境下通過安裝CDT插件，采用C/C++語言編程，主要實現用水計量采集、水費計算、水權計算、傳感器采集，完成水泵、電動閥門的遠程控制。

控制器采用多任務的處理方式，主要有服務器通信進程、業務進程、顯示/按鍵/蜂鳴器進程、傳感器采集進程、電量采集進程、水量采集進程、日志進程、IC卡操作進程、GPRS操作進程等，多個進程間需要交互通信。其中，服務器通信進程完成與服務器的數據交互，顯示/按鍵/蜂鳴器進程主要完成界面顯示、人機交互功能，傳感器采集進程主要完成外部傳感器包括土壤墑情、溫濕度、水位、水質等信息采集，電量采集進程主要完成智能電表信息采集，水量采集進程主要完成流量計采集，日志進程主要完成系統運行日志記錄功能，IC卡操作進程主要完成IC卡的刷卡、寫卡功能，GPRS操作進程主要完成底層GPRS網絡通信功能，報警進程主要完成各種報警功能。控制器軟件運行流程，如圖1所示。

圖1 控制器軟件運行流程

4.2 通信管理程序設計

控制器采用MQTT物聯網通信協議同上位機進行實時的數據交互，實現水泵的遠程開啟、關閉，實時采集水量、電量、水位、水質、墑情等數據。MQTT基于消息主題通過“發布/訂閱”方式進行通信，具有實時性、高效率、低功耗等特點，專為受限設備和低帶寬、高延遲或不可靠的網絡而設計，十分適用于工作環境惡劣的野外機井。

5 結語

本文提出了基于移動互聯技術、采用MQTT物聯網通信協議開發的機井用水計量遠程控制系統，手機App遠程控制灌溉顛覆了傳統IC卡刷卡灌溉模式，為農業灌溉用水提供了全新的服務模式。基于共享思維，系統實現農戶利用手機進行遠程灌溉，提升農業灌溉效率，為農戶提供方便、快捷的用水服務，進一步提高了農業灌溉的智能化水平。該控制器操作簡單，人機交互界面友好，可以有效落實農業灌溉用水定額管理和總量控制的總體目標，滿足農業水價綜合改革政策需求，下一階段將開展產品轉化，完善產品功能，提高在野外環境下工作穩定性，達到規模化生產的目的。