农业灌溉测控终端的设计与研究

王 伟， 蔡慧英 ， 董淑敏， 周圣仓， 李 帅 ， 王 超

（1．山东正晨科技股份有限公司 山东 济南 250101；2．中国科学院沈阳自动化研究所 辽宁 沈阳 110016；3．山东三龙智能技术有限公司 山东 济南 250101）

电量是工农业生产中常见和最基本的参数之一，在农业灌溉过程中常需对电量进行监控收费。采用单片机对用电量进行采集，制定科学合理的收费依据，对于调节水资源分布不平衡、节约能源等都有重要的作用。本农业灌溉测控终端设计采用 DTS866三相有功式电能表，与测控终端通过RS485总线进行通信，并由液晶显示器将采集到的用电量等信息实时显示出来，主控芯片采用 ST公司的 STM32F103单片机，数据处理快，实时性强[1]。手持机写卡，刷卡计费。受季节影响软大的场合（如水库水渠），通过矩阵键盘设定合理的时间计划，对收费算法进行适当调整，可使收费更加科学合理。以电控水的计费方式，节省了昂贵的计量设备成本以及现场安装时的人工和物料成本。

1 硬件设计

本农业灌溉测控终端由STM32F103嵌入式微控制器、固态继电器控制部分、电量采集部分、液晶显示器、射频通信模块、时钟模块、矩阵按键和供电模块几部分组成。本测控终端采用 STM32F103VET6 MCU作为主控制器，完成电量信号的准确采集、水泵电机动力线母线的控制以及IC卡数据的交互；MCU内置512K Flash，可存储IC卡用户数据，HS19264液晶显示器显示用户使用电量的信息。系统整体结构框图如图1所示。

图1 系统整体结构框图Fig.1 The overall system structure diagram

1.1 嵌入式微控制器

主控芯片选用ST公司的32位单片机STM32F103VET6，STM32F103VET6微处理器基于ARMv7-M体系结构，代码效率很高，通过倍频可达72 MHz，内置高达512K字节的Flash存储器，可用于存储用户数据，无需扩展存储空间，内置UART、SPI和I2C接口，可方便与RS485芯片、射频芯片、时钟芯片通信[2－3]。STM32F103VET6运算速度快，资源丰富，完全能满足农业灌溉测控终端的要求。

1.2 电源管理模块设计

该终端所选电源管理芯片为宽压输入，可有效避免开关电源输出电压波动而引起的3.3 V电压的不稳定性。电源管理芯片电流输出能力要强，以驱动 MCU、液晶显示器以及其它控制与通讯模块。TI开关电压调节器LM2596宽压输入（4～40 V），输出电流可达3 A，所需外围器件少，并具备完善的保护电路、电流限制、热关断电路，可达到本测控终端设计的要求。

LM2596（U1）能够在使能端 ON/OFF为高电平的情况下将开关电源（J2）输入的4～40 V电压转换为 3.3 V电压并由Vout端输出。如图 2所示。

图2 LM2596电源管理电路图Fig.2 Power management circuit diagram of LM2596

1.3 时钟模块设计

农业灌溉测控终端使用以电控水的计费模式，计算水泵的出水量要用到时钟，终端在执行时间计划要用到时钟，要使终端有条不紊地完成预定的工作，一个稳定可靠的时钟系统是必不可少的。

如图3所示，采用Philips的低功耗CMOS实时时钟芯片PCF8563（U3），与 MCU 通过 I2C 总线进行通信，3 V 电池（BT）和3.3 V双重电源供电，32.768K晶振（Y1）提供时序信号。

图3 时钟电路图Fig.3 Clock circuit diagram

1.4 执行机构设计

目前，采用MCU、三极管、小功率电磁继电器、12 V电磁继电器，去控制交流接触器线圈，进而控制水泵电机动力线母线。电磁继电器线圈中流过一定的电流，产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，常开触点闭合。在农业灌溉中需长时间对电磁继电器控制，弹簧在长时间受力的情况下会发生形变，缩短了电磁继电器机械寿命。在高振动的灌溉环境下工作，电磁继电器插头与插座容易分离，电气接触不良。

在本测控终端中，控制回路由 MCU、三极管（Q1、Q2）、磁保持继电器（KC1）、固态继电器（K1）组成，如图 4所示。MCU通过三极管实现对对磁保持继电器的正反向激励，即磁保持继电器开与合状态，其常开触点控制固态继电器触点，固态继电器常开触点控制交流接触器线圈，实现了对水泵电机动力线母线的控制。

广东省已对2011年度和2012年度连续开展了两年考核工作。通过考核工作，使水资源管理日益受到地方政府领导重视、部门之间的协作也明显加强，考核也给地方政府尤其是得分排名靠后的地区带来了压力，促使这些地区加强节水和治污力度，加强对高耗水和高污染企业的限制和转型升级，取得了较为明显的成效。

用磁保持继电器代替小功率电磁继电器，其开、合状态由永久磁铁所产生的磁力保持。当继电器需要动作时，只需加入反向电压激励线圈。触点靠永久磁铁的磁力能维持继电器原有状态保持不变。用固态继电器替代12 V电磁继电器，不仅觖决了电气接触不良的问题，还延长了继电器的寿命。

图4 执行机构电路图Fig.4 Actuator circuit diagram

1.5 电表通讯模块设计

测控终端选用具有RS485通信功能的三相有功式电能表，这样就不存在由于脉冲信号传输计算等因素而造成的误差与损失，其稳定性和抗干扰性能都较好。

图5 电表通信电路图Fig.5 Electric meter communication circuit diagram

如图5所示。MCU通过RS485通讯芯片（U4）与DTS866三相有功式电能表（J3为其接口）通信，按照《多功能电能表通信规约》（DL/T614—1997）帧格式读取电能表电量。对接口进行了防雷（U5）设计与防浪涌（D7、D8）设计，增强其接口的可靠性。

1.6 人机界面设计

测控终端为增加人机交互，设立了液晶显示器、矩阵键盘和IC卡。液晶的显示采用多级菜单的形式，用户通过按键逐级进入（返回）各个显示页面。通过矩阵键盘，对测控终端的各个参量进行设置和查询。测控终端中的设置选项只有管理人员在输入正确密码的情况下才能操作。

如图6所示，液晶显示器采用深圳汉升的HS19264，串口通信，黄绿背光，I2C通信。MCU通过使能端（CS）、数据线（SID）、两根时钟线（SCLK1、SCLK2）与液晶显示器相连。

1.7 射频模块设计

射频模块通过天线接收非接触式IC卡信息，并将信息传给MCU。射频模块的典型电路如图7所示，其中射频芯片FM1702SL（U6）是由上海复旦微电子研究院设计，专门用于与非接触式IC卡通信的读写器中，支持type A与type B通信协议，支持多种加密算法[4-5]；芯片采用 SPI接口（MOSI、MISO、SCK）与单片机进行通信，13.56M（X1）晶振为其提供时序，匹配电容为15P（C11、C12），IC卡与天线电路板的最大距离为10cm，天线电路板的布局方法如图8所示。

图6 HS19264液晶显示器电路图Fig.6 Liquid crystal display circuit diagram

图7 射频电路Fig.7 radio-frequency circuit diagram

1.8 IC卡设计

图8 天线PCB布局图Fig.8 PCB layout for antenna

本设计中的非接触式IC卡采用M1卡，其具有唯一的序列号，在通信过程中所有数据都被加密。当M1卡进入射频模块的工作区域时，射频模块向M1卡发送13.56 MHz的电磁波，M1卡内产生LC谐振，从而建立起二者的信息传输通道[6-7]。M1卡使用手持机写卡。测控终端实行一机一卡，避免了一机多卡带来的问题与管理上的繁琐，卡统一由管理员管理，在灌溉时，由管理员刷卡开机，灌溉完毕刷卡关机，收取费用。用户卡卡结构设计如表1所示，卡结构采用BCD码，校验和校验，X为卡标志，01代表用户卡，02代表清零卡；D为回写标志，00代表正常，01代表回写成功；Z为追加标志，00代表正常，01代表追加成功。清零卡卡结构设计如表2所示，必要时用于清除用户信息。

表1 用户卡卡结构设计Tab.1 Card structure design for user card

表2 清零卡卡结构设计Tab.2 Card structure design for clear card

2 软件设计

2.1 系统工作流程

2.2 水泵水量计算方法

水泵水量可用下式计算

式（1）中Q为水泵上水量（m2/h）；μ为水泵的综合机械效率；N为水泵的额定功率；ρ为水的密度（kg/L）；g为重力加速度（m/s2）；H 为净扬程（m），即出水口至水面的垂直高度[8]。

2.3 时间计划分析

农业灌溉测控终端有时应用于水库和水渠等场合，实行时间计划，对丰水期和枯水期的水价实行浮动计费，可使水源得到合理的调配与应用。供水水源因季节影响较大的水利工程，供水价格可实行丰枯季节浮动水价。在特殊情况下动用水利工程死库容（水库的最小库容）的供水价格，可按正常供水价格的2至3倍确定。黄河部门的水源费一直就是采取丰枯季节水价，4-6月份正是用水的高峰季节。

图9 系统流程图Fig.9 The flow chart of the system

图10 中断处理流程图Fig.10 Interrupt processing flow chart

测控终端中根据时钟的时间信息，判断灌溉时期是否处于时间计划内，若处于时间计划内，则根据设置选项中的调整系数F，对水价进行调整。

2.4 以电控水计费算法

根据公式（1）计算出每台水泵单位时间内的出水量，进而可求出一段时间内的出水量，乘以水的单价，得到这段时间内水的总价。就可实现井灌区农业灌溉用水总量控制。算法如下：

1）根据 Q=3 600 μN/ρgH，计算水泵上水量；

2）计算水泵每小时的出水量 G，G=Q*1=3 600 μN/ρgHm3；

3）每小时水费 Y=G*P1（P1代表每方水的单价）；

4）水泵运行时间 T（单位：S）后，水费 Z=（Y/3600）*T；

5）水泵运行一段时间后，电费K=X*P2（X代表所使用电量，P2为电费单价）；

6）根据时钟提供的时间信息，判断灌溉时期是否处于时间计划内，若处于时间计划内，对水价进行调整，③中每小时水费的计算公式调整为Y=G*P1*F，④ 水泵运行时间T（单位：S）后，水费调整为 Z=（G*P1*F/3600）*T。

7）总费用 P=Z+K；

3 实 验

实验流程包括参数设定、参数查询、运行显示三部分。参数设置主界面如图11所示，设定内容包括时间计划、校时、密码设置、单价设置、水泵参数、区域代码和终端复位，在本实验中时间计划起始日期设定为20140501，结束日期设定为20140731；单价设定为0.8元；水泵参数中功率设为10 kW，扬程设为2 m，机械效率设为90%。参数的设置通过矩阵键盘，键盘上按键具有的功能：查询、设置、确定、返回、上翻、下翻、左翻、右翻。查询键可查看已设定的时间计划信息、时钟信息、单价、区域代码和已用的累积电量信息。在设备运行期间，两个界面轮流显示，一个界面用于显示卡号、费用等信息，另一个界面用于显示已使用电表度数与本次用电量（如图12主界面所示）。

图11 设置菜单界面Fig.11 The settings menu interface

图12 主界面Fig.12 Main interface

4 结 论

经过长时间的实践，本测控终端的以电控水计量方法能实现合理的收费。手持机写卡，一机一卡，方便管理员的操作与控制。良好的人机界面，键盘操作极为方便。测控终端在硬件设计上稳定可靠，并对水泵电机准确的起停控制，接口的抗干扰性能强。农业灌溉测控终端可在农田水利现代化建设中推广使用。

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