基于水利通信规约的农业用水计量系统设计

周扣明，周志恒，贾 培

（1.南通远控自动化技术有限公司，江苏 南通226002；2.河海大学物联网工程学院，江苏 常州213022；3.海安市水利局，江苏 海安226600）

1 引言

我国传统农业提水泵站的用水计量采用按时计量的方式完成，操作结果和实际用水量有较大的差异。在江苏地区，中小型灌区较多，其中提水泵站数量众多且分布较为分散，若各个泵站全部采用人工管理，不仅效率低下，还存在人工成本高、容易出错的问题，更加难以实时地显示各个提水泵站的相关信息，历史数据的查询也有诸多不便，对泵站的统一管理构成巨大阻碍。

无线通信技术已经广泛应用于工业、养殖业等领域，极大节省了人工成本[1]。基于4G技术的农业用水监测系统，可以实现数据采集的远距离传输，使计量终端与服务器之间建立起可靠的通信，从而保证数据的稳定传输[2-3]。在此设计一套农业用水监测系统，实现各站点用水信息的可视化和数据管理的智能化。

2 水文监测数据通信规约

水文监测数据通信规约是由水文局制订的规范。其中，针对江河湖海等水文环境，对各种监测监控系统中的通信接口及通信协议作了详细规定，包括监测终端与数据采集节点传感器的接口和通信协议（数据采集通信规约）、监测站与数据中心站之间的数据通信协议（报文传输规约）等。该规约并不详尽，而仅是规定出一个框架，具体的内容会在框架基础上进一步填充。

本设计系统的电流、电压传感器采用RS-485通用通信接口。通信协议采用Modbus-RTU协议，该协议的数据帧基本格式分成四个部分，分别为头部地址（1字节）、中间功能代码（1字节）、数据体（不定长）、尾部校验码（2字节）。

在此报文帧结构框架基础上，采用HEX/BCD报文编码结构，选择适宜的报文正文、要素编码组合，并确定合适点的单帧报文长度。其中主机接收端亦采用相同的功能码、编码要素及标识符。所设计出的具体数据帧结构由表1给出。

表1 数据帧结构设计

3 系统结构设计

所设计的基于水利通信规约的农业用水监测系统由终端监测设备、数据通信链路和上位机三部分构成，系统结构框图如图1所示。

图1 系统总体结构框图

系统硬件部分主要由数据采集模块、数据处理模块、显示模块和通信模块组成。数据采集模块主要包括电流、电压互感器，用于采集提水泵站中水泵状态及耗水量；数据处理模块主要采用STM32芯片，用于对采集数据进行处理，通过电水转换计算耗水量；显示模块包括LCD和LED，以LED显示水泵工作状态等信息，以LCD屏幕显示耗水量等信息；通信模块主要用4G模块实现，具有技术成熟、工作稳定、使用方便等优点。系统硬件设计的总体框图如图2所示。

图2 系统硬件框图

计量终端的程序运行流程按图3所示设计。

图3 计量终端程序运行流程图

由MCU对各个模块的初始化函数进行调用，判断芯片内是否存储数据，若存在数据则读取相关数据，并进行替换，若无数据则判断是否触发了485接收中断。当请求接收中断时，终端通过RS485接收服务器端发送的数据，并进行解析和储存，否则通过数据采集模块获取水泵数据[4-5]。若电流超过阈值，则对相应的计时器进行使能操作。电能计量芯片结合传感器采集的电压、电流大小进行电量计算；MCU则根据耗电量-水量转换法模型进行耗电量-供水量数值的转换[6]。最终，当计数器的数值达到了上传时间间隔，由MCU进行数据上传，否则继续执行之前各步操作。

各终端设备通电运行后，对采集到的数据进行处理，将耗电量转化为用水量，并以设计好的数据帧及时将结果发送给4G模块。4G模块将这些数据以安全的TCP协议发送给服务器。服务器接收符合数据帧格式并通过CRC校验的数据，进行解析，最终将解析的各项信息储存到数据库中，以便查询和管理。数据的发送和接收流程图如图4所示。

图4 数据发送与接收流程图

4 系统实际搭建与测试

本监测系统在PC端采用B/S架构。与C/S架构相比，B/S架构系统可以在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软件，用一台联网的电脑就可使用，不用安装客户端，免于耗费精力维护，同时注重扩展功能，节约开发成本[7]。软件使用Java语言开发于IDEA，并采用Mysql数据库，最终搭建起如图5所示的架构[8-9]。

图5 监测系统架构示意图

用户在客户端（浏览器页面）提交表单操作，向服务器发送请求，等待服务器响应。服务器端接收并处理请求，对请求进行数据处理，产生响应[10]。由服务器端把用户请求的数据（累计时间、流量、水量、瞬时电量等信息）返回给客户端，在浏览器上解析执行HTML文件，呈现出用户界面[11-12]。系统最终可实现的在线监测功能及其能显示的数据项如图6所示。

图6 系统功能及显示数据项

所设计系统经实际搭建，在江苏某市某泵站进行试用，对供水进行功能测试。图7为监测设备现场安装实物图。装置安装在动力柜附近，方便对水泵电机的电压电流进行采集。供电来源于配电柜，可通过装置附近的空气开关进行装置的开关控制。图8为系统运行界面，展示了各提水泵站水泵的工作状态，包括实时耗电量和实时耗水量、累计耗电量、累计工作时间等。经实际测试，该套系统高效地实现了对提水泵站实时运行情况的全面监控。

图7 监测系统现场安装实物图

图8 监测系统运行界面

5 结束语

以江苏某市农业用水计量存在的问题为研究背景，设计并实现一套基于水利通信规约的农业用水监测系统，借助于传感器、微机处理及4G远程无线通信技术，实现泵站供水量的实时监测。系统在常规联网的PC机上通过浏览器即可实现功能，在正式工作中所收集到的海量数据，可为农业大数据研究提供支持，提高农田水利智能化，在现代化农业中具有良好的实际意义和应用前景。