机电井灌溉管理中IC卡测控终端的研究

周亚平，高 军，郝 斌，谈晓珊

(1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2.水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012)

0 引 言

随着水资源的日益紧缺和国家对水资源管理的重视，水资源配置的优化，突显自动化、信息化监控系统的重要性及技术支撑必要性[1]。而智能水资源监控终端作为水资源管理系统的核心设备，不仅能让管理部门掌握本区域水资源现状，水资源使用情况，加强水资源费回收力度，实现对水资源正确评价，合理调度，有效控制等方面提供有力的技术支撑[2]。同时也能让用水户能够通过智能IC卡充费并自助灌溉，实现明明白白消费，因此推广应用前景广阔。

IC卡测控终端是灌区信息化系统的核心设备，它将机井灌溉控制器、交流接触器以及配电设备安装在一个机箱内，可以采集灌溉用电量、用水量或灌溉时间并自动收取灌溉费用。IC卡机井灌溉控制箱不仅使管理部门实现了先收费、后灌溉的管理目标[3]；也使农户达到了借助IC卡自主浇地的目的。该产品成功解决了农业机井灌溉管理中长期存在的电费/水费计量不准、拖欠灌溉费用和浪费水资源的难题。该系统主要面向农田，园林，设施农业等领域的日常灌溉控制和管理而设计，并通过现代化的科学技术手段，达到降低人力成本，提高自动化生产效率，节约水资源的目的[4]。该系统具有实用性和良好的展示性，系统硬件具备良好的稳定性，以及防水、防潮、抗高温的能力。

为了适应农业灌溉的复杂应用场景，该系统相对同类产品具有更多功能：①在一井多泵的环境中，系统可以采集井内的水位和多泵的流量，系统根据井内水位调节每个泵的流量或打水时间来维持井的水位，确保井的水位在警戒水位之上；②在许多农业灌溉环境中，系统可以根据需要灌溉的流量控制泵(或阀)打开或关闭，其他同类产品只控制泵的电源，该系统具有二路控制，一路控制泵的电源，另一路可本地或远程控制泵的打开或关闭；③有的地方农田只能通过渠道实现灌溉，系统中集成闸门控制系统，系统可以根据流量控制闸门打开程度；④在规模化的干、支、斗、农渠比较密集的灌区中，接入的设备多，系统还可以搭载NB-LOT，因为NB-LOT相比4G等网络需求的信息费用低，覆盖范围更广；⑤考虑到施工场地环境恶劣，系统带有蓝牙接口，可近距离通过手机无线设置及查询相关参数，为安装、运维带来便利。

1 总体结构及功能

根据机电井的工作方式及通信方式，实现机电井测、控、报以及计费一体化的功能，测控终端应集数据采集、计费、传输和控制于一体，具有功能强、可靠性高等特点，是实现测站测、控、报一体化功能的核心设备，能完成用水数据采集、处理、固态存贮、远程传输、水泵控制等功能。

其主要技术指标与性能为：

支持多种计量方式：水量计量、计时计量、电量计量。

IC多卡管理：支持用户卡、补卡、开户卡、设置卡、初始化卡等；最多可以支持64个用户。

支持用水计划、用水量管理；具有实时钟，并具有系统时钟同步功能；具备补发数据功能。

可定时自动唤醒，以完成定时测报、响应中心站提取固态存储数据和修改参数等指令。

按键可进入测试状态，测试数据不存储，并可自动退出；具有存储转发功能；具有看门狗，可保证死机自动复位；具有自动报警功能。

采用电源监控技术，对存储器和时钟进行双重掉电保护；外部接口具有光电隔离能力。

具有较强的通信能力:3路脉冲接口，5路DI输入接口，4路DO输出接口，1路RS485通讯接口，1路RS232通讯接口，1路TTL通讯接口，1路GPRS/CDMA/3G/4G通讯接口，4按键键盘，1路非接触IC卡读写接口，1路蓝牙，4路AD模拟量接口，3路电源输出接口，1路USB/U盘接口；在不需要更改硬件的情况下，可以根据用户的需要连接各类传感器，并能完成对这些传感器数据的自动采集，固态存储，显示和传输控制任务。

配有32Mb及以上大容量非易失存储模块，可存储二年以上的用水数据。

可接多种电表、水表(RS485RS232无线水表等)。

配有键盘和液晶显示器，可以对配置进行修改，可以发送人工观测数据，查看所有实时信息。

测站数据可用电脑、U盘、手机APP(蓝牙)读取，也可通过GPRS/3G/4G远程提取。

支持在系统升级，可以本地USB升级，也可以远程4G升级。

具有先进USB主从智能切换功能，既可以计算机USB配置参数，也可以U盘下载数据，方便快捷。

具有蓝牙接口功能：可以通过手机APP无线配置参数、查询当前数据、下载历史数据等。

支持各种报警功能：下限报警、欠费报警、开门报警、断线报警等。

支持各种保护：缺相保护、过压保护、过流保护、欠压保护等。

其设计原理图如图1。

图1 原理图

2 MCU中央处理器芯片的选择

MCU芯片选用STM32F103VGT6，系统构架，主系统由以下部分构成。

(1)4个驱动单元：①CortexTM-M3内核DCode总线(D-bus)，和系统总线(S-bus)；②通用DMA1和通用DMA2。

(2)4个被动单元：①内部SRAM；② 内部闪存存储器；③FSMC；④AHB到APB的桥(AHB2APBx)，它连接所有的APB设备。

以上都是通过一个多级的AHB总线构架相互连接的，其芯片系统结构如图2、图3。

3 外部控制电路设计

3.1 RS485/232数据采集端口

端口设计保护电路，电路设计如图4所示，数据采集端口与流量计通讯读取流量，系统根据流量的使用情况控制泵。

(1)RS485接口组成的半双工网络，多采用屏蔽双绞线传输。这种接线方式为总线式拓扑结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。

(2)RS232接口任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑“1”为-3～-15 V；逻辑“0”：+3～+15 V ，噪声容限为2 V。即要求接收器能识别高于+3 V的信号作为逻辑“0”，低于-3 V的信号作为逻辑“1”，TTL电平为5 V为逻辑正，0为逻辑负 。与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。

3.2 控制信号的输入、输出设计

图2 MCU芯片系统结构

图3 MCU处理器

图4 RS485/232数据采集端口电路

图5 控制信号的输入

图6 控制信号的输出

电路设计如图5和图6所示，输入，输出口采用光耦进行电器隔离，其目的在于从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使测控装置与现场仅保持信号联系，而不直接发生电的联系。隔离的实质是把引进的干扰通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的图5和图6所示。

3.3 模拟量输入接口设计

模拟量输入接口主要用于测量电机的电量、电流、电压、功率等，如图7如示3路模拟量输入。模拟量输入设计分为两个部分：第一部分整流，由于输入信号信号位交流信号所以前级需要对信号进行整流；第二部分滤波降噪。

图7 模拟量输入接口设计

4 电源管理设计

供电电源设计：要求交流或直流都可以供电，因此为进一步降低电源的干扰电路设计，采用了EMI/RFI 滤波器。电源管理设计图如图8和图9所示。

5 数据存储及时钟模块设计

数据存储设计为32 MB容量，主要用于存储设备参数和设备采集数据。时钟模块主要用于设备的时间，如图10所示。

图8 电源管理设计图—整形滤波

图9 电源管理设计图—电压转化

图10 数据存储和时钟模块

6 4G通信模块设计

4G移动系统网络结构可分为三层：物理网络层、中间环境层、应用网络层。物理网络层提供接入和路由选择功能，它们由无线和核心网的结合格式完成[5]。中间环境层的功能有QoS映射、地址变换和完全性管理等。

无线4G通信模块，要求适应各种移动网络，采用全网通设计方案，主要电路如图11和图12如示。

(1)外围电源总体概述：对于GSM网络中的 GSM通话、GPRS数据传输，由于最大发射功率达33 dBm(2 W)，且瞬时响应要求很高，所以在外围电源设计中要特别针对这些问题进行仔细设计，从而确保达到GSM时隙发射时，供电电压的跌落在可承受范围内。 针对上述协议机制中存在的跌落因素，外围电源设计需关注以下3点。

①减小外围电源内阻。减少外围电源内阻的主要方法是使用输出电流能力大的电源芯片，输出电流能力越大， 电源内阻越小。一般选择输出能力为2.5 A以上的电源芯片。

图11 4G模块电源设计SIM卡设计

图12 4G通信模块电路设计

方案一、外围电源芯片使用LDO(Low Dropout Regulator)，如果输出能力要达到2.5 A以上则选择低压差的LDO。由于LDO的输入和输出电流相等，选择低压差的LDO等效于选择电源内阻小的LDO。

方案二、外围电源芯片使用DC-DC，则需关注电源器件手册中开关的阻抗，即开关的导通阻抗一定要小。如果DC-DC外围需要二极管，则选用低压差的肖特基二极管。DC-DC外围功率电感的直流等效电阻ESR也要尽量小，并且DC-DC的设计中要尽量降低每个环节的损耗，从而减小电源的内阻。

通过对比选择DC-DC芯片LM2596S-ADJ，相比LDO电源DC-DC有更宽的电压输入范围和更高的转换效率。

②增加储能电容。增加储能电容的主要原因是外围电源不能在瞬间提供超过 2 A 的电流，所以必须加足够容量的储能电容进行电流补偿，设计补偿电容1 000 uF/16 V(见图13)。

图13 设计补偿电容图

③提升电源芯片动态响应 。电源芯片的输入端加一个较大的电容也有利于提升电源芯片的瞬态响应。如果电源芯片的前级瞬态响应不好，即使电源本身的瞬态响应好，也不能保证瞬时电流的供给，所以电源芯片的输入端也需要加一个比较大的电容(470 uF/35 V)。

(2)4G全网通AT命令：AT命令是用来控制终端设备(Terminal Equipment，TE)和通讯模块(Mobile Terminal, MT)之间交互的规则。

7 人机界面设计

人机界面显示单元，用于人机交互，开机显示LoGo后进入主界面如下所示,20 min不按任何按键液晶屏将关闭显示，按任何按键显示LoGo后进入主界面:

欢迎使用! 2018-01-23 14∶38∶22 用户号: 区号: 0站 号: 井号: 0剩余水量:总用水量:总购水量: 状态:开门报警!

登录用户卡后,键入“→”或“+”可以查看IC卡信息、参数设置信息、采集的传感器信息等，电路设计如图14所示。

8 IC卡电路设计

IC卡工作的基本原理是：射频读写器向IC卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，这样在电磁波激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷；在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储，当所积累的电荷达到2 V时，此电容可作为电源为其他电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接受读写器的数据[6]。IC卡主要用于读写，读写IC卡参数，根据参数辨别卡的类别并做相应的操作，主要电路设计如图15所示。

图14 人机界面电路设计

图15 IC卡电路设计图

IC卡安全措施：常用的安全技术有身份鉴别和IC卡合法性确认。这些技术采用可以保证IC卡的数据在存储和交易过程中的完整性、有效性和真实性，从而有效地防止对IC卡进行非法读写和修改。总体上，IC卡的安全包括物理安全和逻辑安全两方面。

物理安全：物理安全包括IC卡本身的物理特性上的安全性，通常指对一定程度的应力、化学、电气、静电作用的防范能力；对外来的物理攻击的抵抗能力，要求IC卡应能防止复制、窜改、伪造或截听等[7]。常采用的措施有：采用高技术和昂贵的制造工艺，使无法伪造；在制造和发行过程中，一切参数严格保密；制作时在存储器外面加若干保护层，防止分析其中内容，即很难破译；在卡内安装监控程序，以防止处理器或存储器数据总线和地址总线的截听。

逻辑安全：IC卡授权管理即使用密码对用户数据加密，软件通过DES加密绑定电脑，IC使用需要管理人员以密钥的方式授权[8]。

9 设备功能检测

功能检测流程主要包括参数设置、参数查询、运行显示三部分。主要设定本机站号、行政编码、区号、井号、存储间隔、自报间隔、时间等等。在本次检测中：可通过按键、IC设置卡、USB或蓝牙接口电脑设置软件等多种方式进行参数设置；参数查询可按“返回”“→”或“+”“确认”可以查看用户号、区号、井号、站号、剩余水量、总用水量、总购水量、瞬时流量、总累计量，电机电流、电压、功率、电量、时间、IP地址等等参数。

10 蓝 牙

终端设备添加蓝牙功能，采用芯片CC2541芯片。CC2541是一款针对低能耗以及私有2.4 GHz应用的功率优化的真正片载系统(SoC)解决方案。它使得使用低总体物料清单成本建立强健网络节点成为可能。CC2541将领先RF收发器的出色性能和一个业界标准的增强型8051MCU、系统内可编程闪存存储器、8kBRAM和很多其他功能强大的特性和外设组合在一起。原理设计如图16。

图16 蓝牙原理图设计

11 结 语

经过长时间的实践，本IC卡测控终端监测流量、控制电动阀、泵、小型闸计量及自动调配水量实现合理收费，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、电动阀电机准确的启停、开关控制，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。