农田灌溉用水分户计量系统的设计与实现

摘 要：为改善赤峰市水资源分布不均的现状，提高农业用水效率，本文研究并设计了一种农田灌溉用水分户计量系统，该系统利用IC卡对农户的灌溉用水实施分户计量，再利用CAN总线将农户每次的用水量实时上传给水资源管理部门电脑，从而实现对各地区用水量的采集和汇总。结果显示，水资源管理部门利用该系统可以更加准确地掌握各地的用水情况，结合行政奖惩制度，促使农户采取更加节水的灌溉方式，从而提高农业用水效率。同时，水资源管理部门根据系统采集的各地区的用水量，可以更合理地的配置水资源，从而改善水资源分布不均的现状。本文设计的系统可以改善赤峰市水资源分布不均的现状，并能够提高农业用水效率。

关键词：农田灌溉;IC卡;CAN总线;用水量

中图分类号：S274.4 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2024）09-0007-05

赤峰市位于内蒙古自治区东南部，占地面积约9万平方公里[1]，是农业生产大市，农业的发展在赤峰市经济发展中具有重要作用[2]。在赤峰市农业发展中，农业灌溉用水需求量较大，根据赤峰市水利局2022年发布的水资源公报，2022年赤峰市总用水量为22.395 2亿立方米，其中耕地用水为16.777 2亿立方米，占总用水量的74.91%[3]。

与上述农业用水需求相对应的是赤峰市不容乐观的水资源利用现状。赤峰地区属于干旱半干旱地区，多年平均降水量为346.7毫米[3]，降水量不大。同时，受各旗县区地形影响，水资源不足，时空分布不均[4]，使得个别地区水资源利用紧张。而在农作物灌溉方面，很多旗县区受经济因素影响，不愿更换更节约用水的灌溉方式，仍以用水效率较低的漫灌方式为主，大多数地区的农业用水效率低于40%[5]。根据赤峰市水利局的公报，农田灌溉水有效利用系数为0.616[3]，用水效率不高。这些因素严重影响着赤峰市农业用水的可持续发展，也影响着赤峰市的经济发展。

本文从赤峰市农业用水现状出发，以提高赤峰市灌溉用水利用率和水资源的合理配置为目标，研究并设计一套农田灌溉用水分户计量系统。该系统利用IC卡技术对灌溉用水实施分户计量，再利用CAN（控制器局域网总线）总线技术将各地区的用水量实时上传给水资源管理部门的电脑进行保存和汇总，使水资源管理部门能够更加准确地掌握各地区的用水情况，从而采取有效的奖惩措施，促使农户采取用水效率更高的灌溉方式，更合理地配置水资源。

1 系统设计方案

为了实现对农田灌溉用水的分户计量并上传用水量，系统的整体方案设计如图1所示。

整个系统由IC卡、刷卡终端、阀门、CAN转串口收发器、充值终端和管理部门电脑软件六部分组成，其中刷卡终端在图1中只画出了两个，实际使用时可根据农田数量进行调整。系统采用计时方式对用水量进行计量，实际用水量等于用水时长乘以水管单位时间的流量。用水时长储存在IC卡中，用户通过刷卡终端刷卡并设置用水开始时刻和用水时长进行用水。当用水时间到达后，刷卡终端根据用水时长控制阀门的开启和关闭，每个刷卡终端可以控制4个阀门。刷卡终端在用户每次设置完用水信息后，将用水信息通过CAN总线上传到管理部门电脑软件进行汇总。由于管理部门电脑软件通过电脑串口接收数据，而CAN总线的数据格式和串口数据格式不同，所以需要一个CAN转串口收发器进行数据格式的转换。充值终端用于IC卡的充值和余额查询。管理部门电脑软件用来接收并保存各刷卡终端上传的用水信息，支持用水信息的查询，同时还用来与充值终端配合实现IC卡的充值、余额查询和充值信息的保存和查询。

2 系统软硬件设计

2.1 刷卡终端设计

刷卡终端用于用户的刷卡用水并将用水信息通过CAN总线上传给管理部门电脑软件，其电路组成设计如图2所示。

图中触摸显示屏用于设置系统时间，预置用水时刻和用水时长;刷卡模块用于读写IC卡;CAN总线传输电路用于用水量的上传;4路继电器电路控制用水阀门的开启和关闭;处理器模块负责控制上述电路协同工作;电源电路为上述电路提供合适的电源。

2.1.1 处理器模块

本文采用了STM32F103C8T6最小系统模块，STM32F103C8T6处理器主频为72MHz，内部带有64KB FLASH和20KB SRAM，IO引脚数量36个，且具有3个USART串口和1个CAN总线控制器[6-8]，能够满足设计要求。模块自带电压转换芯片，能够将输入的5V电压转换为3.3V电压供STM32F103C8T6使用，同时该电压还通过引脚引出，方便给其他电路供电。

2.1.2 刷卡模块

本文使用了Mifare1 S50类型的IC卡，与之对应的刷卡模块为RC522刷卡模块[9]，该模块支持mifare1 S50、mifare1 S70等类型的IC卡，工作电压为3.3V，感应距离最远为1cm。模块采用SPI接口与处理器进行通信，本文在电路连接时，使用了STM32F103C8T6的PB0引脚来控制刷卡模块的复位，使用了PA0、PA5、PA6和PA7引脚与刷卡模块的SPI接口通信。

2.1.3 触摸显示屏

本文采用的触摸显示屏为深圳淘晶驰公司的5寸触摸屏[10]，型号为TJC8048T050_011X。该触摸屏尺寸为108mm长，64.8mm宽，分辨率为800x480像素，能够清晰地显示要显示的内容。工作电压为5V，采用串口与处理器通信，默认波特率为 9 600 bps。触摸屏内部带有16MB的Flash，可以存储显示界面，还带有文本和数值等显示控件，可以很方便地进行人机界面开发。处理器在控制触摸屏时，需要通过串口传输相应的字符串，本文使用了STM32F103C8T6的USART1串口来控制触摸屏，发送引脚为PA9，接收引脚为PA10。

2.1.4 继电器电路

根据系统设计方案，每个刷卡终端控制4个阀门，由于实际使用的阀门工作电压为12V，因此需要4个12V的继电器来控制阀门的电源。当电源接通时，阀门打开开始用水;当电源断开时，阀门关闭停止用水。4个继电器的电路结构相同，每个继电器电路如图3所示。

电路中采用PC817C光耦对处理器和继电器进行隔离，防止继电器开合时的电磁干扰影响到处理器。处理器的输出信号GATE_n为低电平时，光耦输出信号会控制继电器吸合，使阀门电源接通，发光二极管D5用来指示阀门是否开启。处理器控制继电器时，使用了PB12、PB13、PB14和PB15共四个引脚来输出继电器的控制信号。

2.1.5 CAN总线传输电路

CAN总线传输电路用来对CAN总线上的信号进行隔离和转换。因农田面积较大，CAN总线连线较长，使CAN总线引入噪声，为了避免噪声影响总线上的刷卡终端，需要在刷卡终端连入CAN总线时做好电源隔离和信号隔离。同时由于总线上传输的信号为差分信号，因此需要将刷卡终端输出的逻辑电平转换为差分电平。本文采用了MORNSUN公司的B0505S-1W芯片进行电源隔离[11]，采用ADI公司的ADUM1201ARZ芯片进行信号隔离[12]，两种隔离电路分别如图4和图5所示。

图4中B0505S-1W芯片将5V输入电源和GND隔离成CAN_5V和CAN_GND，图5中ADUM1201ARZ芯片对STM32F103C8T6处理器内部的CAN控制器发送引脚PA11和接收引脚PA12进行隔离，隔离后的信号为CAN_RXD和CAN_TXD。经过隔离后的电源和信号传输给后级的CAN总线电平转换电路进行电平转换。CAN总线电平转换电路如图6所示。

图6中使用了NXP公司的PCA82C250芯片来实现逻辑电平到差分电平的转换[13]。转换后的差分电平经过0欧电阻和30pF电容滤波后，通过P2接口连接CAN总线。

2.1.6 电源电路

电源电路用来为上述电路提供合适的电源，其电路设计如图7所示。

图中12V电源由P1接口连入电路，二极管D3用于电源防反接，电源12V和GND12V给继电器电路和阀门供电，同时再传送给一个12V转5V的隔离电源生成5V电压，供控制器、触摸屏和CAN总线传输电路使用。本文采用的12V转5V隔离电源既有降压作用又有隔离作用，能够将5V电路和12V继电器电路的电源隔离开，防止继电器开合时的电压波动影响5V电路的工作。电路中的发光二极管D4为电源指示灯，电容C7、C8、C9和C10用来滤波。刷卡模块工作电源为3.3V，由处理器模块上的5V转3.3V电路供电。

2.2 CAN转串口收发器设计

CAN转串口收发器用来将CAN总线上的用水信息数据格式转换成管理部门电脑软件需要的串口数据格式。其电路组成设计如图8所示。

图中CAN总线传输电路与处理器模块内部的CAN控制器配合，负责接收CAN总线上传的用水信息数据;处理器模块负责从CAN总线数据中提取出各刷卡终端的用水信息，包括刷卡终端号、阀门号、刷卡卡号、用水开始时刻和用水时长，再将上述信息传送给串口转USB电路;串口转USB电路将上述用水信息上传给管理部门电脑软件;电源电路负责为上述电路提供合适的电源。

图中处理器模块采用了与刷卡终端相同的模块，CAN总线传输电路的设计与刷卡终端的相同，此处不再赘述。

2.2.1 串口转USB电路

由于目前大多数电脑都是通过USB接口进行串口通信，所以CAN转串口收发器与管理部门电脑进行串口通信时，需要通过串口转USB电路实现。串口转USB电路的设计如图9所示[14]。

图中CH340G为南京沁恒微电子设计的一款串口与USB互转芯片，本文使用该芯片将处理器模块，通过USART1串口发出的用水信息转换成USB的差分信号USBD+和USBD-，经过USB接口上传给管理部门电脑软件。

2.2.2 电源电路

电源电路用来为CAN转串口收发器各部分电路提供合适的电源，其电路设计如图10所示。

电源电路直接使用USB接口为CAN转串口收发器供电。图中开关S2用来控制来自USB接口的5V电压的通断;F1是熔断电流为500mA的保险丝，一旦后级电路发生短路，该保险丝可以保护电脑USB接口不被烧毁;电容C7和C8用来对输入电源进行滤波;发光二极管D3作为电源指示灯，用来指示电源的通断。

2.3 充值终端设计

充值终端负责读写IC卡，并配合管理部门电脑软件实现IC卡的充值和余额查询功能。其电路组成设计如图11所示。

图中处理器模块通过串口转USB电路接收管理部门电脑软件发来的命令，控制刷卡模块读写IC卡，完成IC卡的充值和余额查询，并将充值后的余额或查询的余额发回给软件;蜂鸣器电路用来提示用户刷卡或充值;电源电路负责为上述电路提供合适的电源。

图中刷卡模块和处理器模块采用了与刷卡终端相同的模块，串口转USB电路和电源电路的设计与CAN转串口收发器中的相同，此处不再赘述。蜂鸣器电路采用了工作电压为3.3V的有源蜂鸣器，其电路设计如图12所示。

图中STM32F103C8T6处理器通过PB9引脚控制三极管Q1的导通和截止。当PB9引脚输出高电平时，Q1导通，蜂鸣器两端施加3.3V电压使其发声;当PB9引脚输出低电平时，Q1截止，蜂鸣器两端电压断开使其关闭发声。

2.4 管理部门电脑软件设计

管理部门电脑软件用于接收和保存各刷卡终端上传的用水信息，并支持用户查询用水信息。同时该软件还用于与充值终端配合，实现IC卡的充值、余额查询和充值信息的保存和查询。软件的具体功能设计如图13所示。

管理部门电脑软件共有4部分功能，分别是登录管理、用水管理、充值管理和通信管理。

登录管理包含管理员登录验证和修改登录密码两个菜单。修改登录密码菜单用于修改管理员登录时的密码;管理员登录验证菜单用于修改密码后的重新登录验证。管理部门电脑软件登录界面如图14所示。

用水管理包含查看终端刷卡流水和终端刷卡查询两个菜单。查看终端刷卡流水菜单用于查看当前所有刷卡终端的刷卡用水信息，点击该菜单后软件会按照刷卡先后顺序列出所有终端的刷卡流水;终端刷卡查询菜单用于查询某个IC卡的终端刷卡记录，查询前需要刷卡获取卡号。

充值管理包含充值、查询余额、查看充值流水、充值查询和卡初始化五个菜单。充值和查询余额菜单用于IC卡的充值和查询余额。查看充值流水菜单用于查看所有IC卡的充值情况，点击该菜单后软件会按照充值先后顺序列出所有充值IC卡的充值流水。充值查询菜单用于查询某个IC卡的充值记录，查询前需要刷卡获取卡号。卡初始化菜单用于初始化IC卡，被初始化的IC卡卡内余额会被清零。

通信管理包含串口设置、串口通信测试和开启通信三个菜单。串口设置菜单用于设置软件与CAN转串口收发器和充值终端连接的串口号，只有设置了正确的串口号才能使软件与上述两个设备成功通信;串口通信测试菜单用于测试软件与CAN转串口收发器和充值终端的通信是否正常，当正确设置了串口号以后才能使用该菜单进行测试;开启通信菜单用于打开或关闭软件与CAN转串口收发器的通信，该菜单用来锁定通信的串口号，可以让软件控制是否接收各个刷卡终端上传的用水信息。

本文在设计管理部门电脑软件时，使用了C#语言，在Visual Studio开发环境中设计了软件界面及相关功能[15]。在保存管理员登录密码、刷卡终端的刷卡流水信息和IC卡的充值流水信息时，使用了MySQL数据库[16]。

3 总结

本文针对赤峰市的农业用水现状，研究并设计了一种农田灌溉用水分户计量系统，该系统由IC卡、刷卡终端、阀门、CAN转串口收发器、充值终端和管理部门电脑软件等六部分组成。通过计时机制与IC卡技术实现了对农户用水量的精确计量，并通过CAN总线技术将各户的用水数据传输至管理部门电脑软件，从而使水资源管理部门能够精确监测农田灌溉用水量，并据此优化水资源配置。同时，利用该系统结合行政奖惩制度，可以推动农户采取更加节水的灌溉方式，提高农业用水效率，促进赤峰市农业用水的可持续发展。

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