农田节水灌溉计量控制系统的研究

方 正， 徐晓辉， 苏彦莽， 宋 涛， 邓一凡， 王利伟

(河北工业大学电子信息工程学院，天津 300401)

我国是世界上极为缺水的国家之一，农业灌溉用水占总用水量的比例较大，但灌溉用水的有效利用率仅为发达国家的50%左右[1-5]，因此，提高农业用水效率、发展节水灌溉技术、合理配置水资源符合我国的国情，具有重要的战略地位和作用。目前，农田灌溉系统正逐步向适时适量、水肥一体[6]、精确计量[7-8]、自动控制的方向发展，而现阶段农业灌溉计费方式相对落后，缺少对灌溉水量的精确计量及水资源的统一管理和控制。因此，本研究设计研制一套农田节水灌溉计量控制系统，射频IC卡(integrated circuit card，简称IC卡，别称集成电路卡)在系统中作为用户身份的名片，系统识别用户身份后，记录本次灌溉过程中所用的水量和电量，灌溉控制器能够以手动和自动2种方式实现水肥一体的灌溉。1个用水周期结束后，管理系统核算用户的总用水量，根据定额内外不同水价的原则，超出定额的部分加价补交水费，节约的水量则予以奖励。该系统的推广将水费征收方式由原来的按用电量收取改为按用水量收取，使农户的缴费更直接明了，以经济为杠杆提高农民的节水意识，减少水资源的无序开采和浪费，实现了水资源的可持续开发利用。

1 系统组成

如图1所示，农田节水灌溉计量控制系统主要由灌溉控制器、射频IC卡及用户信息管理设备3个部分组成。灌溉控制器通过计量模块对用户的用水量和用电量进行准确计量；射频IC卡能够在控制器和用户之间传递数据信息；用户信息管理设备为射频IC卡充值，管理用户水电等信息。用户在控制器上刷卡，完成用户身份的识别，灌溉控制器可以通过手动和自动2种方式进行水肥灌溉，系统自动计量用水量和用电量，完成余额的消减，最后由IC卡读写模块余额写到射频IC卡中，完成灌溉过程。

2 系统原理

每个用户持射频IC卡在系统管理员处开卡冲入额定的水量和电量，该卡能够在多个机井的灌溉控制器上使用，实现了1张射频IC卡能够在多处机井中使用，1处机井能够容纳多个用户使用的功能。此外，当用户正在刷卡灌溉时，该卡就不能在其他机井处使用。只有当用户在该机井使用完毕，并把相应的用水量、用电量数据信息写入用户射频IC卡后，该用户才可以在其他机井处使用。

用户刷卡完成身份识别，卡内的剩余水量和电量会分别显示出来，当卡内的用水量或用电量小于设定值时自动停止灌溉。该节水灌溉系统的灌溉方式主要分为手动模式和自动模式，操作模式的切换通过灌溉控制器上的旋转开关来实现。当旋转开关的档位位于手动时，用户可通过控制器上的船型开关，根据灌溉过程中的实际情况，随时开启、关闭灌溉系统的灌溉泵、肥料泵、搅拌泵。灌溉过程中，系统会自动显示、计量所用水量和电量，灌溉结束后水量和电量会被自动扣除，系统会自动把余额写入用户的射频IC卡中。当旋转开关的档位位于自动时，用户可以点击触摸屏上的设定按钮进入灌溉时间的设置界面。通过调节增减按钮可以分别设置灌溉泵、肥料泵、搅拌泵的各自运行时间，设置完成按启动按钮即可进行农田灌溉施肥。灌溉过程中触摸屏会实时显示剩余的灌溉时间和所用水量、电量及各个机泵的工作状态，点击灌溉控制界面的暂停或停止按钮可以实时终止灌溉，灌溉结束后水量和电量会被自动扣除，系统会自动把余额写入用户的射频IC卡中。

系统设定了阶梯水价，实行定额限制、超量加价、节约有奖的原则。系统依据每个用水户的用水定额，系统自动算出用户的平价水量、高价水量，1个用水周期结束后，用水户到系统管理员处进行用水量的核定和余额结算，超出限额的部分依据阶梯水价补交费用，节约部分则予以经济奖励，没有用完的水量可以转到下一个用水周期或者直接退还现金，保证农户用水公平合理。

为防止系统在非正常情况下关闭导致卡内信息丢失，用户第1次刷卡后和灌溉过程中用户的卡内信息和实时用水用电信息会备份在内存中。若系统正常关闭，则更新卡内信息并自动删除备份记录。若系统因断电而没有正常结束，则当下一个用户进行灌溉时，系统将首先比较数据存储器缓存区信息中的卡号信息与当前用户的卡号信息，如有匹配项将对用户卡内的信息进行更新。

3 硬件设计

系统硬件电路主要由单片机、外部存储器、人机交互模块、射频IC卡读写模块、机泵控制模块、计量模块、串口通信电路等组成。

3.1 单片机与外部存储器

选用STC15W4K60S4为主控芯片，它是宏晶科技生产的宽电压、高速、高可靠、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但速度是它的8～12倍。该系统具备数据采集、信息显示和通信等功能，同时还可以为掉电处理数据提供保存单元，用于保存随机存取存储器RAM中的重要数据，如用水量、用水时间及用电量等内容，方便在通电之后可以正确取回。该系统选用AT24C64作为数据存储器，AT24C64是支持I2C协议的EEPROM存储器，存储容量为64 kB。双向串行时钟线SCL、双向串行数据线SDA与单片机串行连接完成数据存储。

3.2 人机交互模块设计

选用迪文科技的DGUS屏来实现人机交互，它不是通过时序或指令控制显示，而是采用直接变量驱动显示的方式，所有的显示和操作主要基于计算机软件辅助设计的触控配置文件(13 .bin)和变量配置文件(14 .bin)来工作的。使用DGUS屏进行开发，可以快速开发全图形触摸屏人机界面，同时省去了键盘电路的设计。DGUS屏须要12 V的直流供电电压，通过连接单片机的RS232或RS485串口完成通信。迪文DGUS屏采用异步、全双工串口，串口模式为8n1，即每个数据传送采用10个位，包括1个起始位、8个数据位、1个停止位。

3.3 射频IC卡读写模块

射频IC卡选用Philips公司的Mifare1 S50，其工作频率为13.56 MHz，通信速度为106 Kbit/s，采用EEPROM作为存储介质。以YW-201作为其读写模块，该模块内嵌MF RC500射频基站，同时支持I2C、UART 2种通讯协议。射频天线则使用与MF RC500射频基站相匹配的YW-300模块，完成射频IC卡读写过程。YW-300的天线发射引脚TX1、引脚TX2、接收引脚RX分别与YW-201的TX1、TX2、RX引脚相连；YW-201的发送引脚TXD、接收引脚RXD分别与单片机的TX2、RX2引脚相连，与单片机通信。YW-201射频读写模块支持自动寻卡，单片机不用频繁发送寻卡指令。

3.4 机泵控制模块与计量模块

使用交流固态继电器隔离单片机电路与机泵电路，在交流固态继电器的输出端并联压敏电阻与吸收电路，以吸收瞬变尖峰电压起过压保护作用，在电源相线上串接熔断器起过流保护作用。开始灌溉施肥时，单片机输出高电平，继电器接通，机泵灌溉施肥；灌溉结束或余额不足时，单片机输出低电平，继电器断开，机泵停止工作。

以光电耦合器隔离电路的方式连接单片机和脉冲水表，当脉冲水表输出高电平时，使光电耦合器中的发光二极管截止，光电耦合器内部光电三极管不导通，没有信号输出；当脉冲水表输出低电平时，光电耦合器中的发光二极管和光电三极管均导通，从而单片机开始计数。

采用ATT7022作为三相电能的计量芯片，该芯片具有功耗低、精度高、输入工作动态范围大、非线性测量误差小的特点，可测量各相电压的有效值、电流有效值、功率因数等。它通过SPI接口与外部单片机通信，芯片的片选CS、串行时钟SCLK、数据输入DIN、数据输出DOUT分别连接单片机的同步串行接口SPI的片选信号、串行时钟输入、串行数据输入、串行数据输出。此外，为了消除SPI接口的信号振荡，可以在连接线上串接1个10 Ω的电阻和1个10 pF的电容，实现低通滤波的作用。

3.5 串口通信电路

系统的串口通信选用RS485协议。RS485协议采用半双工工作方式，不但继承了RS232、RS422协议的优点，而且摒弃了其他协议的不足。选用MAX1487作为RS485电平信号的收发器，完成输入、输出信号之间的转换。MAX1487芯片的内部有1个驱动器和1个接收器，其中引脚RO为接收器的输出端，引脚DI为驱动器的输入端。在进行电路设计时与单片机的接收数据引脚RXD和发送数据引脚TXD相连即可。

4 系统软件设计

4.1 上位机软件设计

农田节水灌溉计量控制系统上位机软件采用支持Windows XP操作系统的Power-designer软件来开发，该软件是Sybase公司的计算机辅助软件工程工具集，使用它可以方便地设计信息管理系统，制作各种概念数据模型、物理数据模型，并且能够生成多种客户端开发工具。上位机软件主要是对用户购水、购电信息进行管理维护，上位机软件流程如图2所示。

4.2 下位机软件设计

4.2.1 基于DWIN_OS平台实现定时功能 DWIN_OS平台采用类似汇编程序的编写规范，允许的最大代码空间是256 kB，在该平台上编写的控制程序(23 .bin)可以直接在迪文科技的DGUS屏上运行。DWIN_OS程序在每个运行周期(80、120、160、200 ms)均运行1次，DGUS屏的刷新时间和DWIN_OS的运行时间构成整个运行周期，而且OS程序不能出现长的延时循环等待或死循环。该程序根据DGUS屏自身200 ms周期作为定时基准实现倒计时功能，只要时间设置不为0，同时按下启动按键，则倒计时开始计时，按下暂停键则倒计时暂停计时功能，同时保持当前的时间值，再按下启动则继续进行倒计时，倒计时完成后通过发送命令到串口实现定时工作功能。DWIN_OS程序的流程如图3所示。

4.2.2 灌溉控制器主程序 灌溉控制器软件的功能包括控制器主程序的初始化、检测核实用户身份、读取卡中数据、计量用水量和用电量、更新用户卡内数据信息、显示用户水量和电量余额、启闭机泵。灌溉控制器主程序的流程如图4所示。

5 结论与讨论

本研究的农田节水灌溉计量控制系统的设计结合了射频IC卡技术、单片机自动控制技术和数据库技术。与传统灌溉设备相比，该系统实现了多用户的信息管理、阶梯式的计费模式、水电量的精确计量、灌溉施肥的自动控制和触摸式的人机交互等功能。该系统的使用大幅度提高了农田灌溉系统的自动化程度和农田用水的管理水平，而且系统操作方式简单，农户易于掌握，学习成本较低，有助于帮助农户建立计划用水和节约用水的意识。在试验田中的初步测试结果表明，该设备易于推广、管理灵活、安全可靠、达到了设计的基本要求。

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