農田灌溉用水分戶計量系統的設計與實現

摘 要：為改善赤峰市水資源分布不均的現狀，提高農業用水效率，本文研究并設計了一種農田灌溉用水分戶計量系統，該系統利用IC卡對農戶的灌溉用水實施分戶計量，再利用CAN總線將農戶每次的用水量實時上傳給水資源管理部門電腦，從而實現對各地區用水量的采集和匯總。結果顯示，水資源管理部門利用該系統可以更加準確地掌握各地的用水情況，結合行政獎懲制度，促使農戶采取更加節水的灌溉方式，從而提高農業用水效率。同時，水資源管理部門根據系統采集的各地區的用水量，可以更合理地的配置水資源，從而改善水資源分布不均的現狀。本文設計的系統可以改善赤峰市水資源分布不均的現狀，并能夠提高農業用水效率。

關鍵詞：農田灌溉;IC卡;CAN總線;用水量

中圖分類號：S274.4 文獻標識碼：A 文章編號：1673-260X（2024）09-0007-05

赤峰市位于內蒙古自治區東南部，占地面積約9萬平方公里[1]，是農業生產大市，農業的發展在赤峰市經濟發展中具有重要作用[2]。在赤峰市農業發展中，農業灌溉用水需求量較大，根據赤峰市水利局2022年發布的水資源公報，2022年赤峰市總用水量為22.395 2億立方米，其中耕地用水為16.777 2億立方米，占總用水量的74.91%[3]。

與上述農業用水需求相對應的是赤峰市不容樂觀的水資源利用現狀。赤峰地區屬于干旱半干旱地區，多年平均降水量為346.7毫米[3]，降水量不大。同時，受各旗縣區地形影響，水資源不足，時空分布不均[4]，使得個別地區水資源利用緊張。而在農作物灌溉方面，很多旗縣區受經濟因素影響，不愿更換更節約用水的灌溉方式，仍以用水效率較低的漫灌方式為主，大多數地區的農業用水效率低于40%[5]。根據赤峰市水利局的公報，農田灌溉水有效利用系數為0.616[3]，用水效率不高。這些因素嚴重影響著赤峰市農業用水的可持續發展，也影響著赤峰市的經濟發展。

本文從赤峰市農業用水現狀出發，以提高赤峰市灌溉用水利用率和水資源的合理配置為目標，研究并設計一套農田灌溉用水分戶計量系統。該系統利用IC卡技術對灌溉用水實施分戶計量，再利用CAN（控制器局域網總線）總線技術將各地區的用水量實時上傳給水資源管理部門的電腦進行保存和匯總，使水資源管理部門能夠更加準確地掌握各地區的用水情況，從而采取有效的獎懲措施，促使農戶采取用水效率更高的灌溉方式，更合理地配置水資源。

1 系統設計方案

為了實現對農田灌溉用水的分戶計量并上傳用水量，系統的整體方案設計如圖1所示。

整個系統由IC卡、刷卡終端、閥門、CAN轉串口收發器、充值終端和管理部門電腦軟件六部分組成，其中刷卡終端在圖1中只畫出了兩個，實際使用時可根據農田數量進行調整。系統采用計時方式對用水量進行計量，實際用水量等于用水時長乘以水管單位時間的流量。用水時長儲存在IC卡中，用戶通過刷卡終端刷卡并設置用水開始時刻和用水時長進行用水。當用水時間到達后，刷卡終端根據用水時長控制閥門的開啟和關閉，每個刷卡終端可以控制4個閥門。刷卡終端在用戶每次設置完用水信息后，將用水信息通過CAN總線上傳到管理部門電腦軟件進行匯總。由于管理部門電腦軟件通過電腦串口接收數據，而CAN總線的數據格式和串口數據格式不同，所以需要一個CAN轉串口收發器進行數據格式的轉換。充值終端用于IC卡的充值和余額查詢。管理部門電腦軟件用來接收并保存各刷卡終端上傳的用水信息，支持用水信息的查詢，同時還用來與充值終端配合實現IC卡的充值、余額查詢和充值信息的保存和查詢。

2 系統軟硬件設計

2.1 刷卡終端設計

刷卡終端用于用戶的刷卡用水并將用水信息通過CAN總線上傳給管理部門電腦軟件，其電路組成設計如圖2所示。

圖中觸摸顯示屏用于設置系統時間，預置用水時刻和用水時長;刷卡模塊用于讀寫IC卡;CAN總線傳輸電路用于用水量的上傳;4路繼電器電路控制用水閥門的開啟和關閉;處理器模塊負責控制上述電路協同工作;電源電路為上述電路提供合適的電源。

2.1.1 處理器模塊

本文采用了STM32F103C8T6最小系統模塊，STM32F103C8T6處理器主頻為72MHz，內部帶有64KB FLASH和20KB SRAM，IO引腳數量36個，且具有3個USART串口和1個CAN總線控制器[6-8]，能夠滿足設計要求。模塊自帶電壓轉換芯片，能夠將輸入的5V電壓轉換為3.3V電壓供STM32F103C8T6使用，同時該電壓還通過引腳引出，方便給其他電路供電。

2.1.2 刷卡模塊

本文使用了Mifare1 S50類型的IC卡，與之對應的刷卡模塊為RC522刷卡模塊[9]，該模塊支持mifare1 S50、mifare1 S70等類型的IC卡，工作電壓為3.3V，感應距離最遠為1cm。模塊采用SPI接口與處理器進行通信，本文在電路連接時，使用了STM32F103C8T6的PB0引腳來控制刷卡模塊的復位，使用了PA0、PA5、PA6和PA7引腳與刷卡模塊的SPI接口通信。

2.1.3 觸摸顯示屏

本文采用的觸摸顯示屏為深圳淘晶馳公司的5寸觸摸屏[10]，型號為TJC8048T050_011X。該觸摸屏尺寸為108mm長，64.8mm寬，分辨率為800x480像素，能夠清晰地顯示要顯示的內容。工作電壓為5V，采用串口與處理器通信，默認波特率為 9 600 bps。觸摸屏內部帶有16MB的Flash，可以存儲顯示界面，還帶有文本和數值等顯示控件，可以很方便地進行人機界面開發。處理器在控制觸摸屏時，需要通過串口傳輸相應的字符串，本文使用了STM32F103C8T6的USART1串口來控制觸摸屏，發送引腳為PA9，接收引腳為PA10。

2.1.4 繼電器電路

根據系統設計方案，每個刷卡終端控制4個閥門，由于實際使用的閥門工作電壓為12V，因此需要4個12V的繼電器來控制閥門的電源。當電源接通時，閥門打開開始用水;當電源斷開時，閥門關閉停止用水。4個繼電器的電路結構相同，每個繼電器電路如圖3所示。

電路中采用PC817C光耦對處理器和繼電器進行隔離，防止繼電器開合時的電磁干擾影響到處理器。處理器的輸出信號GATE_n為低電平時，光耦輸出信號會控制繼電器吸合，使閥門電源接通，發光二極管D5用來指示閥門是否開啟。處理器控制繼電器時，使用了PB12、PB13、PB14和PB15共四個引腳來輸出繼電器的控制信號。

2.1.5 CAN總線傳輸電路

CAN總線傳輸電路用來對CAN總線上的信號進行隔離和轉換。因農田面積較大，CAN總線連線較長，使CAN總線引入噪聲，為了避免噪聲影響總線上的刷卡終端，需要在刷卡終端連入CAN總線時做好電源隔離和信號隔離。同時由于總線上傳輸的信號為差分信號，因此需要將刷卡終端輸出的邏輯電平轉換為差分電平。本文采用了MORNSUN公司的B0505S-1W芯片進行電源隔離[11]，采用ADI公司的ADUM1201ARZ芯片進行信號隔離[12]，兩種隔離電路分別如圖4和圖5所示。

圖4中B0505S-1W芯片將5V輸入電源和GND隔離成CAN_5V和CAN_GND，圖5中ADUM1201ARZ芯片對STM32F103C8T6處理器內部的CAN控制器發送引腳PA11和接收引腳PA12進行隔離，隔離后的信號為CAN_RXD和CAN_TXD。經過隔離后的電源和信號傳輸給后級的CAN總線電平轉換電路進行電平轉換。CAN總線電平轉換電路如圖6所示。

圖6中使用了NXP公司的PCA82C250芯片來實現邏輯電平到差分電平的轉換[13]。轉換后的差分電平經過0歐電阻和30pF電容濾波后，通過P2接口連接CAN總線。

2.1.6 電源電路

電源電路用來為上述電路提供合適的電源，其電路設計如圖7所示。

圖中12V電源由P1接口連入電路，二極管D3用于電源防反接，電源12V和GND12V給繼電器電路和閥門供電，同時再傳送給一個12V轉5V的隔離電源生成5V電壓，供控制器、觸摸屏和CAN總線傳輸電路使用。本文采用的12V轉5V隔離電源既有降壓作用又有隔離作用，能夠將5V電路和12V繼電器電路的電源隔離開，防止繼電器開合時的電壓波動影響5V電路的工作。電路中的發光二極管D4為電源指示燈，電容C7、C8、C9和C10用來濾波。刷卡模塊工作電源為3.3V，由處理器模塊上的5V轉3.3V電路供電。

2.2 CAN轉串口收發器設計

CAN轉串口收發器用來將CAN總線上的用水信息數據格式轉換成管理部門電腦軟件需要的串口數據格式。其電路組成設計如圖8所示。

圖中CAN總線傳輸電路與處理器模塊內部的CAN控制器配合，負責接收CAN總線上傳的用水信息數據;處理器模塊負責從CAN總線數據中提取出各刷卡終端的用水信息，包括刷卡終端號、閥門號、刷卡卡號、用水開始時刻和用水時長，再將上述信息傳送給串口轉USB電路;串口轉USB電路將上述用水信息上傳給管理部門電腦軟件;電源電路負責為上述電路提供合適的電源。

圖中處理器模塊采用了與刷卡終端相同的模塊，CAN總線傳輸電路的設計與刷卡終端的相同，此處不再贅述。

2.2.1 串口轉USB電路

由于目前大多數電腦都是通過USB接口進行串口通信，所以CAN轉串口收發器與管理部門電腦進行串口通信時，需要通過串口轉USB電路實現。串口轉USB電路的設計如圖9所示[14]。

圖中CH340G為南京沁恒微電子設計的一款串口與USB互轉芯片，本文使用該芯片將處理器模塊，通過USART1串口發出的用水信息轉換成USB的差分信號USBD+和USBD-，經過USB接口上傳給管理部門電腦軟件。

2.2.2 電源電路

電源電路用來為CAN轉串口收發器各部分電路提供合適的電源，其電路設計如圖10所示。

電源電路直接使用USB接口為CAN轉串口收發器供電。圖中開關S2用來控制來自USB接口的5V電壓的通斷;F1是熔斷電流為500mA的保險絲，一旦后級電路發生短路，該保險絲可以保護電腦USB接口不被燒毀;電容C7和C8用來對輸入電源進行濾波;發光二極管D3作為電源指示燈，用來指示電源的通斷。

2.3 充值終端設計

充值終端負責讀寫IC卡，并配合管理部門電腦軟件實現IC卡的充值和余額查詢功能。其電路組成設計如圖11所示。

圖中處理器模塊通過串口轉USB電路接收管理部門電腦軟件發來的命令，控制刷卡模塊讀寫IC卡，完成IC卡的充值和余額查詢，并將充值后的余額或查詢的余額發回給軟件;蜂鳴器電路用來提示用戶刷卡或充值;電源電路負責為上述電路提供合適的電源。

圖中刷卡模塊和處理器模塊采用了與刷卡終端相同的模塊，串口轉USB電路和電源電路的設計與CAN轉串口收發器中的相同，此處不再贅述。蜂鳴器電路采用了工作電壓為3.3V的有源蜂鳴器，其電路設計如圖12所示。

圖中STM32F103C8T6處理器通過PB9引腳控制三極管Q1的導通和截止。當PB9引腳輸出高電平時，Q1導通，蜂鳴器兩端施加3.3V電壓使其發聲;當PB9引腳輸出低電平時，Q1截止，蜂鳴器兩端電壓斷開使其關閉發聲。

2.4 管理部門電腦軟件設計

管理部門電腦軟件用于接收和保存各刷卡終端上傳的用水信息，并支持用戶查詢用水信息。同時該軟件還用于與充值終端配合，實現IC卡的充值、余額查詢和充值信息的保存和查詢。軟件的具體功能設計如圖13所示。

管理部門電腦軟件共有4部分功能，分別是登錄管理、用水管理、充值管理和通信管理。

登錄管理包含管理員登錄驗證和修改登錄密碼兩個菜單。修改登錄密碼菜單用于修改管理員登錄時的密碼;管理員登錄驗證菜單用于修改密碼后的重新登錄驗證。管理部門電腦軟件登錄界面如圖14所示。

用水管理包含查看終端刷卡流水和終端刷卡查詢兩個菜單。查看終端刷卡流水菜單用于查看當前所有刷卡終端的刷卡用水信息，點擊該菜單后軟件會按照刷卡先后順序列出所有終端的刷卡流水;終端刷卡查詢菜單用于查詢某個IC卡的終端刷卡記錄，查詢前需要刷卡獲取卡號。

充值管理包含充值、查詢余額、查看充值流水、充值查詢和卡初始化五個菜單。充值和查詢余額菜單用于IC卡的充值和查詢余額。查看充值流水菜單用于查看所有IC卡的充值情況，點擊該菜單后軟件會按照充值先后順序列出所有充值IC卡的充值流水。充值查詢菜單用于查詢某個IC卡的充值記錄，查詢前需要刷卡獲取卡號。卡初始化菜單用于初始化IC卡，被初始化的IC卡卡內余額會被清零。

通信管理包含串口設置、串口通信測試和開啟通信三個菜單。串口設置菜單用于設置軟件與CAN轉串口收發器和充值終端連接的串口號，只有設置了正確的串口號才能使軟件與上述兩個設備成功通信;串口通信測試菜單用于測試軟件與CAN轉串口收發器和充值終端的通信是否正常，當正確設置了串口號以后才能使用該菜單進行測試;開啟通信菜單用于打開或關閉軟件與CAN轉串口收發器的通信，該菜單用來鎖定通信的串口號，可以讓軟件控制是否接收各個刷卡終端上傳的用水信息。

本文在設計管理部門電腦軟件時，使用了C#語言，在Visual Studio開發環境中設計了軟件界面及相關功能[15]。在保存管理員登錄密碼、刷卡終端的刷卡流水信息和IC卡的充值流水信息時，使用了MySQL數據庫[16]。

3 總結

本文針對赤峰市的農業用水現狀，研究并設計了一種農田灌溉用水分戶計量系統，該系統由IC卡、刷卡終端、閥門、CAN轉串口收發器、充值終端和管理部門電腦軟件等六部分組成。通過計時機制與IC卡技術實現了對農戶用水量的精確計量，并通過CAN總線技術將各戶的用水數據傳輸至管理部門電腦軟件，從而使水資源管理部門能夠精確監測農田灌溉用水量，并據此優化水資源配置。同時，利用該系統結合行政獎懲制度，可以推動農戶采取更加節水的灌溉方式，提高農業用水效率，促進赤峰市農業用水的可持續發展。

參考文獻：

〔1〕王丹丹，宋健楠.赤峰市水資源可持續利用研究[J].赤峰學院學報（自然科學版），2015，31（24）：42-44.

〔2〕文輝.赤峰市農業水資源利用現狀及高效用水發展建議[J].農業與技術，2021，41（02）：59-61.

〔3〕赤峰市水利局.2022年赤峰市水資源公報[EB/OL].（2023-10-20）[2023-12-24].http：//slj.chi feng.gov.cn/zwgk/zfxxgk/fdzdgknr/ywgz/20231 0/t20231020_2168672.html.

〔4〕李國佳.淺談優化配置赤峰市水資源的有效途徑[J].內蒙古水利，2021，41（02）：33-34.

〔5〕劉艷麗，劉海靜，王虎剛.赤峰市水資源可持續利用分析[J].內蒙古水利，2020，20（12）：36-37.

〔6〕夏長權，單佳杰，韓一帆，等.基于Se647498d75358985d41c2a1ffa124fdc459ec122230c563ababa670bbccd8fa1TM32的環境監測系統設計[J].電子制作，2023，31（04）：3-7+41.

〔7〕魏秀，韋宏利，劉艷杰，等.基于STM32和SCA100T的數字傾角傳感器設計與標定[J].工業儀表與自動化裝置，2022，52（04）：3-7.

〔8〕周成，孫健，趙天騏，等.基于STM32的小型機器人控制系統電路設計[J].機器人產業，2023，9（04）：72-77.

〔9〕周喜，王會珍，趙娟萍.基于RFID技術的門禁管理系統設計[J].科學技術創新，2021，25（03）：66-67.

〔10〕周昱帆，涂國宇，潘鋒偉，等.基于淘晶馳串口屏的心電圖監護設計[J].電子制作，2021，28（11）：15-17+52.

〔11〕林鵬，李偉.隔離型USB-RS485接口轉換器設計[J].電子技術與軟件工程，2023，12（03）：79-82.

〔12〕何麗，陳波.嵌入式測試在航空電子設備中的設計與實現[J].航空科學技術，2020，31（09）：59-64.

〔13〕郁文君，任霞，李開杰.基于FPGA和STM32的CAN總線數據采集系統[J].電子設計工程，2023， 31（07）：57-61.

〔14〕謝艷，賈雨龍，郝紅斌，等.一種小型應變片電阻自動測量儀設計[J].電子設計工程，2021，29（20）：52-56.

〔15〕常佳寧.基于C#的留言系統設計[J].中國科技信息，2021，33（01）：60-62.

〔16〕涂華燕.基于MySQL宿舍管理系統數據庫設計[J].電腦編程技巧與維護，2021，28（12）：104-106.