远程农用机井水电计量设备设计与研制

王明飞+田宏武+张石锐 李金雷

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.13.049摘要：为改善传统农用机井水电计量方式，提高计量设备与服务器之间通信质量，设计了一种基于射频卡的远程水电计量设备。设备利用射频识别技术，采用水表电表计量相结合的方式，利用GPRS和无线电台双重传输方式的同步服务器，实现对机井及用户状态的实时监测，完成对灌区用水的精确管理。试验结果表明，该计量设备能准确采集用水信息，并及时稳定同步服务器数据，适应农村偏远地区。

关键词：水电计量；射频卡；数据传输；远程农用机；电路设计；系统软件设计

中图分类号： TP29； S274. 4文献标志码： A[HK]

文章编号：1002-1302（2017）13-0177-04[HS）][HT9.SS]

收稿日期：2016-03-17

基金项目：公益性行业（农业）科研专项（编号：201203012-4-1）；北京市科技计划（编号：D151100004115004）；国家科技支撑计划（编号：2015BAD20B03）；北京市农林科学院院创新能力建设专项（编号：KJCX20141411）。

作者简介：王明飞（1984—），男，安徽合肥人，助理研究员，主要从事农业自动化研究。E-mail：wangmf@nercita.org.cn。

[ZK）]

水资源日益紧缺，而农业灌溉用水占总用水量比例最高[1]。目前，我国北方农村地区水资源开发不合理，使得人水矛盾日益激化。如何科学体现农用水资源的价值，一直是农业灌溉计量设施行业讨论的热点。现阶段，灌区内常利用机井开采地下水进行灌溉，但对农用机井的管理存在诸多弊端，如计量方式不合理、存在送“人情”水现象、同步计量设备手段单一[2-5]。

因此，本研究设计一种基于IC卡的远程水电计量设备，以电量折算水量和水表双结合方式，解决以往单一以水表计量方式存在的问题[6]；计量过程无人干预，杜绝送水现象。本设备以射频存储技术为基础，计量用户用水，操作简单易用，能够实时监测用户用水、机井水位等信息，控制机井水泵，并通过GPRS和无线电台双重同步服务器传输数据，在无公共网络信号时，仍可正常工作，适应农村及偏远地区现场无线环境，为地下水资源统一管理提供保证。

1远程农用机井用水计量系统应用

用水管理中心、用户和机井构成整个机井水电计量系统的应用主体[7]，如图1所示。用水管理中心要设置机井编号、用水限额、使用权限、水电折算系数、水费率、位置等信息，添加用户的编号、权限、余额等，登记所辖范围内所有机井和用户信息。用户开卡之后，在管理单位充值买水；用户现场用水，共需刷卡2次，首次刷卡，设备读取用户卡中余额，再扣除固定金额，不足固定金额时扣除全部余额，然后启动水泵，当消费完所扣金额，关水泵，若尚未使用完已扣金额，在第2次刷卡时关水泵并补回剩余费用。

[FK（W10][TPWMF1.tif][FK）]

2远程农用机井水电计量设备总体硬件结构

水电计量设备主要由电源电路、指示模块、采集单元、控制单元、刷卡模块、存储模块以及通信模块等组成。设备硬件总体结构如图2所示。

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核心处理器选用意法半导体公司的STM32F103，该芯片时钟频率最高可达72 MHz，片内含有大容量存储器，集成了AD、DA、USB转换器及网络控制器等功能，还包含了多个UART、SPI接口，并支持停机、睡眠和待机3种低功耗模式[8]。

指示模块分显示和语音2个部分，其中显示部分显示用户信息，而语音模块则为用户提示显示信息中的关键部分，如本次使用金额和用户余额等；采集单元包括采集水表、电表、压力、水位等传感器信息，可为控制单元提供反馈信息；控制单元则完成对水泵的控制；设备通过刷卡模块实现卡片信息交互；存储单元暂时保存状态和本机地址等信息。为与管理单位服务器同步，设备还设计了通信模块，其中包括GPRS模块和RS485模块。GPRS模块主要用于上传用户用水记录，而RS485模块则用于连接无线电台。

考虑农村现场实际情况，在水电计量设备外围另有电气保护装置，包括漏电保护、防雷器件、相序保护和过热防护等，有效地预防了农村电力不稳、水泵异常卡死、设备安全等问题。

2.1电源电路

设备使用380 V交流电输入，首先由变压器转为220 V交流电，再经AC-DC模块转成DC5 V、DC24 V。模块选用金升阳公司生产的LH20-10D0524，其输入电压动态范围宽，负载能力强，具有过压过流保护功能，满足后级电路功率瞬态变化要求，提高了设备运行稳定性。DC5 V经过LDO芯片（AMS公司，AMS1117）转化为DC3.3 V，为微处理器、存储器、卡片读写芯片、声音芯片等供电，为系统控制中的关键电源；DC24 V供给继电器，用于间接控制水泵。在电源拓扑中，另须注意的是供给GPRS的DC12 V，为满足GPRS模块（SIMCOM公司，SIM900A）的瞬态功率要求，选用专用DC-DC模块（金升阳公司，URB-6WR2），并辅以大容量储能电容，以保证模块正常工作。电源设计中的强电与弱电均采用隔离技术，有效消除串扰噪声。设备中完整电源拓扑结构如图3所示。[FL）]

2.2讀写射频卡电路设计

读卡器主要由天线、接收电路、EMC电路（去干扰电路）和匹配电路组成。其中主芯片选用恩智浦公司的MRFC522，芯片内置可解调译码的模拟电路，支持ISO14443/Mifare通信协议，具有SPI/IIC/UART通信接口。

当读卡器感应到MIFARE卡时，能量经天线以较小损耗传输至接收电路，在MFRC522内部对信号进行解调处理；读卡器发射的信号，首先通过EMC电路，以便有效地抑制谐波，再由匹配电路经天线传递到MIFARE卡中并存储信息。读卡电路如图4所示。读卡器天线与MIFARE卡之间的能量传输使用变压器原理，读卡距离主要受读卡器天线大小、匹配电路品质以及环境的影响。一般情况下，当读卡器天线和卡线圈的距离等于读卡器天线的半径时，耦合系数最高，双方传递能量损耗最少。根据实际需求，设备设计7 cm×11 cm环形天线，实际测量得到的有效通信距离在8.1 cm左右。[FL）]endprint

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[FL（2K2]2.3通信模块电路设计

通信模块电路分为GPRS与无线传输电路2个部分。在有GPRS公网信号覆盖的情况下，设备优先使用GPRS通信方式上传数据至服务器中；在农村偏远地区，GPRS信号较弱甚至没有，为保证设备与服务器之间稳定同步通信，设计了无线电台控制单元。电台选用固迪公司的GD230BH，其频率范围为223～235 MHz，[JP3]支持GMSK/4FSK调制方式，提供EIA-485数据接口，DC12 V供电，最大传输距离可达数十千米。使用时，通过专用设置软件配置参数，传输协议选用透明传输（图5）。[JP]

3远程农用机井水电计量设备系统软件设计

[CM（24]水电计量设备是多任务的实时系统，对各子功能模块实[CM）]

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时性要求较高，传统程序顺序执行方式很难控制子模块的执行时间，不能及时响应突发事件。μC/OS-Ⅱ是一个可移植裁剪的占先式实时多任务内核，可同时管理的任务多达64个。综合考虑，采用μC/OS-Ⅱ实时操作系统。设备软件主要通过采集水表和电表数据，获取用户本次使用金额，并在MIFARE卡中扣除，同时将用水信息传送至服务器中。

3.1设备任务设计

μC/OS-Ⅱ中程序运行的基本单位是任务，软件设计将灌溉控制器中每1个功能子模块与μC/OS-Ⅱ中的1个任务对应。设备中各任务如图6所示。[FL）]

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[FL（2K2]程序调用OSStart（ ）启动μC/OS-Ⅱ，任务得到CPU控制权。OSStart（ ）函数可用于完成硬件系统的基本设置，启动时间节拍，并创建其他应用任务。任务创建后，程序首先读取存储器和实时时钟中数据，以便校正设备参数；当感应到有射频卡并有权限执行开泵时，读写卡任务读取射频卡中信息，如用户编号、用户余额和水井限额剩余等，然后通过显示任务将卡片信息显示在设备屏幕中，并在语音任务中提示开泵成功与否；若是关泵，则将信息回写到用户卡中并提示本次使用金额和用户余额等。

采集任务能够实时地采集各种传感器信息，如水表、电表、水位、压力等信息，并将数据保存至存储器中。计量任务从采集任务中获取水表和电表用量信息，首先根据电表用量和水电折算系数，算出本次用水量，再与水表读数比较，取两者之间最大值。控制任务根据存储器中控制指令决定水泵开合。通信任务从存储器中读取当前以及过往传输失败的用水记录并上传至服务器中，其传输优先选择GPRS方式，当传输失败之后，自动启动无线电台继续传输。

3.2通信任务设计

为实现与服务器同步控制，系统设计通信任务，并将其优先级设置为最高，其任务软件流程如图7所示。

上电初始化后，任务首先发送1次同步信号，在确定服务器收到信号后，开启其他任务，之后系统等待关水泵时发送的信号量，当用户用水结束后，任务接收到信号量，先使用GPRS发送用户用水记录，等待服务器响应，若连续上传2次不成功，自动使用无线电台上传数据包，等待管理中心无线电台响应，若仍超时无响应，将此条传输失败的数据包返回到设备存储器中，并通过变量记录传输失败数据包的首地址，以便系统空闲时间再传。

用户记录数据包格式为井号+卡号+开始时间+结束时间+本次用电量+本次用水量+水电系数+水价+剩余金额+水泵状态。其中，井号是管理中心统一分配的，卡号是开卡时管理中心分配的，都具有唯一性；水电系数和水价由管理中心预先设置好。

当用户挂失时，管理中心须对卡进行注销，此时须服务器对设备进行设置，在每次设备上传用户历史记录后为设置信息的时机，该信息包含在中心服务器响应的数据包里。此数据包格式为井号+本次使用卡号+注销卡号+机井新添加卡号+最新水电系数+最新水费率+机井状态，其中，注销卡号指取消这些卡号在此机井的使用权限，而新添卡号指可在此机井使用的新卡号，机井状态表明此机井是否已废弃。

4远程农用机井水电计量设备系统测试与分析

设备稳定运行中关键环节是用户和机井信息与服务器同步，而双方通信成功率是系统测试的重点。为验证本水电计量设备的通信性能，实地试验在北京市通州区国际种业科技园区基地展开。选取5组设备安装在5口水井中，设备与控制中心相距约5 km，分别置设备于不同无线信号环境下，为模拟出无GPRS信号覆盖情况，将设备1与设备2采用铁壳密封。设备中GPRS模块选用SIM900模块，考虑到信号衍射性[CM（25]能，将无线电台频率设置为[KG*5]229[KG*3]MHz。除设备1无线电台[CM）][FL）]

[FK（W19][TPWMF7.tif；S+2mm][FK）]

[FL（2K2]所用天线增益比为3.5 dbi，其余设备均为2.5 dbi，5组天线架设高度均为4.8 m。用AT+CSQ查询当前GPRS信号质量，5组设备信号强度分别为0、0、13、26、30，每组设备测试200次，在远端服务器中打开监控上位机软件，监测设备1次用GPRS或无线电台方式发送过来的数据包成功次数。

经实地测试结果表明，设备的1次传输成功率[9]达到99.7%；在GPRS信号较好地区，GPRS通信基本能独立完成整个设备的数据传输；在GPRS信号微弱地区，无线电台能有效替代GPRS通信实现数据同步，但传输质量受天线性能的制约。实际使用时，结合系统软件的重发机制设计，又可以进一步降低传输失败率。水电计量设备试验现场如图8所示。

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5结论

本研究利用GPRS、无线电通信与射频卡技术，采用水表和电表双计量方式，并以STM32为核心处理器，μC/OS-Ⅱ操作系统为系统软件，设计了一种适用于农村大田的机井灌溉计量设备，为农用机井用水的计量提供精确信息，缓解资源短缺与农户需求之间的矛盾。考虑到农村现场无线应用环境，采用GPRS与大功率无线电台相搭配的使用方式，在无GPRS信号的情况下，仍然可以实现与管理端服务器的同步；本设备现已在通州地区得到规模化应用。试验结果表明，结合外观结构上的防水设计，设备工作稳定，能长时间连续作业不停机，最大覆盖直径可达13 km。

[HS2*3]参考文献：[HJ1.85mm]

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