智能井灌取用水管理系統的研究與應用

張佼龍　李森

摘 要 為了提高井灌管理的信息化水平，采用了微電腦、集成電路、傳感器、射頻IC卡等技術，開發了IC卡井灌取用水管理系統。系統以取用水控制器為核心，主要由射頻IC卡、機井灌溉收費機、機井灌溉收費控制箱、管理系統以及水電計量單元構成。實現了實時監控、定時上報數據、斷電數據保護、遠程召測、IC卡充值、遠程控制水泵、日志記錄、防雷擊等功能。該系統在多個大中型灌區得到實際應用，表明技術領先、功能完備、安裝便捷、使用方便。

關鍵詞 射頻IC卡；節水灌溉；GPRS/GSM；管理系統

中圖分類號 TP2 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）17-0230-03

1 系統設計

1.1 總體結構

智能井灌取用水管理系統是針對農業井灌進行遠程監測的智能化監控系統，在取用水點安裝射頻IC卡取用水控制器，可通過對用水時間、用水流量、用水電量等計量方式進行收費管理；可對水井水位、水泵電流、電壓等信息進行采集，同時也可實現水泵啟停、電動閥開閉等控制。通過GPRS/GSM等無線通訊方式與管理中心聯網，實時監測各取用水單位。如取用水單位出現人為斷電、外加水泵，水表損壞等情況，系統顯示故障并報警。管理中心可根據需要，控制水泵啟停，對欠繳水資源費的用戶，經授權可遠程控制用水單位的電動閥門、水泵啟停，實現水資源管理與監控的自動化、一體化。同時，管理系統具有實時顯示用水戶信息、用水數據、動態監測水井運行狀況、自動生成統計報表、圖表、IC卡收費管理等功能。

1.2 主要功能模塊

1）初始化。通過上位機應用軟件，通過桌面讀卡器，利用上位機管理軟件制作設置卡，將初始化設置信息寫入射頻卡或者IC卡。用戶持卡在取水控制器上刷卡，從而將設置卡的設置信息寫入到取水控制器。初始化設置的參數包括取水控制器標識號、消費價格描述、報警信息，參數在數碼管顯示符號如表1所示。設置成功后，蜂鳴器長鳴一次，逐次顯示下表信息（間隔1秒），最終顯示序號7的符號；設置不成功，短鳴5次，序號8中的符號閃爍。

2）計費及扣費。共有計電型、計水型、計時型、電水轉換型、水電計量方式型等5種計費方式。其中計電型需要外接三相電子式電能表，計水型需要外接脈沖式水表。扣費程序如下。（1）取水控制器在無人使用即空閑狀態的時候，交流接觸器處于斷開狀態，同時合閘狀態指示燈熄滅，數碼管顯示“-----”。（2）用戶持卡在取水控制器上第一次劃卡，數碼管顯示卡內剩余余額，“uxxxx”。如果余額低于下限值，則發出報警信息，提示“請及時充值”。如果余額為0，則顯示“余額不足，請充值”。（3）3s后，用戶第二次刷卡，如果剩余電量（或剩余水量、剩余金額）不為0，接觸器吸合（合閘指示燈亮），水泵開始供水。（4）對于計電型，電表每走1度電，控制器內的剩余電量就減1度電；對于計水型，水表每走1t水，控制器內的剩余水量就減1噸水；如果計量時間，每用電0.1元，控制器內的剩余金額就減0.1元。（5）第三次當本次用水完成后，用戶再次劃卡，關閉水泵，同時將控制器內的剩余電量（或剩余水量、剩余金額）存入用戶卡內并對用戶按照用戶編號、剩余金額存入取水控制器存儲器，同時顯示用戶卡卡內余額大約5s，數碼管顯示“-----”，控制器處于空閑狀態，以便其他用戶繼續使用。（6）在用水過程中如果余額低于下限值，控制器自動發出語音報警，提示農戶“卡內余額不足，需要及時充值”。

2 系統性能分析

2.1 實驗工況

為驗證智能井灌取用水管理系統的可用性，根據《機井灌溉控制器測評方案大綱》等技術標準，對產品進行了實驗室檢測、戶外模擬測試和實際應用測試。

實驗室檢測主要包括產品的環境適應性、電氣部分、使用方便、數據傳輸、配套軟件等方面，選擇了2個樣品，嚴格按照跌落、振動、溫度、濕度、電磁環境、電壓波動、防雷、防雨等8個項目逐一進行檢測。跌落測試檢測，是在距地面1M高度，3次自由跌落；振動檢測是在頻率10Hz～150Hz～10Hz，循環5次的振動試驗；溫度檢測是在溫度-5℃、-65℃環境各1h后，恢復常溫；濕度監測是在40℃、90%RH環境2h后，恢復正常大氣條件；磁場檢測是在磁場強度10A/m、磁場50頻率/Hz中對X、Y、Z的3個線圈方向，持續時間30s進行測試；電壓波動抗擾度試驗中，在額定電壓380V±15%條件下持續測試10min；防雷抗擾度試驗中，在電壓±1 000和±2 000條件下測試；防雨測試是按照IPX5等級進行防雨測試。

戶外模擬測試主要檢測產品的固態存儲功能、數據采集、異常處理及IC卡部分功能。模擬實際用水流程，驗證系統量測精度。

實際應用測試。為驗證系統的實際應用效果，研究人員和灌溉用戶在某灌區安裝部署一套產品，進行實際刷卡量測，并對比人工測流，檢測系統可靠性和易

用性。

2.2 實驗結果

實驗室檢測中，按照相關標準，經過跌落、振動、溫度、濕度、電磁環境、電壓波動、防雷、防雨等8個項目分別實驗檢測后，檢測樣品通電后能夠正常開機，自檢正常，刷卡后參數顯示正常，評定為合格。

戶外模擬測試中，測評了防觸電、設備接入、計量精度、數據上傳等31個項目。泵開啟后，連續運行10min，水量、電量實際檢測值與控制器記錄值對比分析，結果見表2、表3，總體上看，量測值小于標準值，誤差均小于2%，滿足產品出廠要求，評定為合格。

實際應用測試中，針對刷卡控制泵站啟停反應時間和刷卡計費靈敏度等是否符合設計標準和用戶要求，進行了反復試驗，結果見表4，啟停各刷卡10次，響應10次，響應正常率100%，響應時間控制在0.5s內。刷卡扣費10次，正確率100%，刷卡操作靈敏度，反應時間控制在1s內，無延時異常現象，延時可控率100%。評定為合格。

綜上所述，針對智能井灌取用水管理系統主要功能、計量精度、系統可靠性等方面的測試結果表明，該系統符合相關技術規范，計量數據可靠，有較強的抗干擾措施，運行穩定。綜合評定為合格。

3 結論

智能井灌取用水管理系統，滿足了井灌管理現代化的需求，經過實驗室、野外模擬和實地的多工況產品評測，主要有以下結論：

1）智能井灌取用水管理系統實現了定時上報、主動報警功、斷電數據保護、遠程召測、IC卡充值、遠程控制水泵啟停及設置、日志紀錄及打印

功能。

2）系統水量、電量量測誤差在2%以內，系統刷卡控制反應時間為0.3s～0.7s，在誤差允許范圍內，滿足產品技術要求和用戶使用

要求。

3）該系統性能可靠、功能全面、運行穩定、數據準確、可維護性好、易用性強，可以在相似灌區推廣應用。

本系統已獲得水利先進實用產品（技術）測評證書，并納入了《2016年水利先進實用技術重點推廣指導目錄》。本系統的推廣應用，提高了井灌效益，解決了農業井灌區長期存在的水費（電費）計量不準、拖欠及人為浪費嚴重的現象，改變了以往查表收費的落后方式，降低了管理成本，對以信息化推進井灌管理現代化，提高地下水資源管理水平具有重要

意義。

參考文獻

[1]李健華.灌區機井用水計量控制系統設計[J].節水灌溉，2013（11）：55-61.

[2]姜吉順，張亮，趙艷雷.農田灌溉節能節水智能控制系統的研究[J].中國農村水利水電，2013（5）：69-73.endprint