水電雙計節(jié)水灌溉RTU的設(shè)計

白志峰　徐曉丹

摘 要：本文闡述了一款水電雙計節(jié)水灌溉RTU，該設(shè)備以LPC1763為控制核心，采用射頻卡作為計費載體供用戶與設(shè)備交互信息，設(shè)計有多種通訊接口，可以和各類電表水表連接，方便實現(xiàn)費用計量;設(shè)計有液晶顯示和語音提示，可以方便提示用戶，采用了大容量存儲器和無線通訊模塊，設(shè)計有多路模擬量采集接口，可以方便對水位、墑情等信息實現(xiàn)實時采集。

關(guān)鍵詞：節(jié)水灌溉 水電雙計 射頻卡 語音提示 數(shù)據(jù)上傳

目前，水資源短缺已經(jīng)成為全球性問題，節(jié)約利用水資源已成為可持續(xù)發(fā)展的首要任務(wù)。全球農(nóng)業(yè)用水約占總用水量的70%，我國作為一個農(nóng)業(yè)大國，在農(nóng)田節(jié)水灌溉方面存在著節(jié)水意識不強(qiáng)、技術(shù)落后、缺乏監(jiān)督激勵機(jī)制、資金投入相對缺乏等問題，從農(nóng)業(yè)用水上做好節(jié)約用水顯得尤為重要，鑒于此，我國政府提出了加速開發(fā)和推廣高效節(jié)水灌溉技術(shù)。

本文設(shè)計的水電雙計節(jié)水灌溉RTU主要從灌溉用水用電計費方面來進(jìn)行控制，實時監(jiān)測用戶的用水、用電、地下水位和墑情信息，并根據(jù)這些信息進(jìn)行計費，以增強(qiáng)用戶的節(jié)水意識。該設(shè)備采用射頻卡方式實現(xiàn)人機(jī)交互，操作非常方便，設(shè)備具有無線通訊功能，可以遠(yuǎn)程配置參數(shù)或遠(yuǎn)程升級程序，極大地提高了應(yīng)用的便利性。

一、硬件設(shè)計

本水電雙計節(jié)水灌溉RTU由微控制器、存儲器、實時時鐘、液晶顯示、語音提示、射頻控制、無線通訊、模擬量采集、開關(guān)量采集、繼電器輸出、儀表接口等部分組成，硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

（一）微控制器

微控制器采用NXP半導(dǎo)體公司的LPC1763FBD100，該芯片集成了I2C接口和SPI接口，有4路UART接口，多路AD轉(zhuǎn)換器，方便實現(xiàn)對水位、墑情的模擬信號的采集，芯片集成有70個GPIO，可以非常方便地實現(xiàn)多路開關(guān)量的采集和輸出。

（二）電源

采用TI的寬范圍輸入電源芯片LM2576HV-5.0、LM2576HV-ADJ，該電源芯片可以穩(wěn)定的實現(xiàn)對較寬輸入電壓范圍的直流電源到指定直流電壓的電源轉(zhuǎn)換，輸入的直流電源范圍可以從直流7V到直流60V，采用廣州金升陽公司的電源隔離模塊IF0505S-1W，SP1117-3.3電源芯片將LM2576HV-5.0輸出的5V電源轉(zhuǎn)換為3.3V電源。

（三）存儲器

Flash采用華邦電子研發(fā)生產(chǎn)的W25Q64，該Flash芯片容量為64Mbit，可以方便的實現(xiàn)灌溉記錄的存儲，芯片采用SPI通訊接口和微控制器連接通訊。鐵電存儲芯片采用富士通半導(dǎo)體生產(chǎn)的MB85RC64A，I2C接口與微控制器連接通訊，讀寫速度快，沒有寫延時。

（四）實時時鐘

NXP半導(dǎo)體研發(fā)生產(chǎn)的PCF8563，與微控制器之間采用I2C總線通訊，外部需要連接32.768kHz的晶振，該芯片采用3V紐扣電池和5V電源雙重供電的方式供電，當(dāng)RTU電源有電時由RTU上的5V電源供電，當(dāng)RTU斷電時，自動切換為3V紐扣電池供電，確保實時時鐘一直處于正常運行狀態(tài)。

（五）液晶顯示

RTU的液晶顯示采用天馬提供的128X64的黑白點陣屏，采用串行接口和微控制器連接通訊。

（六）語音提示

水電雙計節(jié)水灌溉RTU設(shè)計了語音提示電路，該電路采用廣州九芯電子的NVC040芯片，可以直接驅(qū)動0.5W的喇叭，與微控制器采用兩線串口連接。

（七）射頻控制

采用復(fù)旦微電子的FM17520作為射頻卡控制電路的控制芯片，可以實現(xiàn)13.56MHz下的非接觸讀寫操作，支持符合ISO/IEC 14443 TypeA/MIFARE協(xié)議的非接觸讀寫器模式。控制電路如圖2所示，其中FM17520和微控制器之間采用SPI通訊接口，并由微控制器控制FM17520的復(fù)位管腳（NPD管腳）信號，F(xiàn)M17520使用27.12MHz的高精度晶振，電路右側(cè)為射頻匹配網(wǎng)絡(luò)，最右側(cè)ANT處為射頻天線，這里采用PCB射頻天線。

射頻卡采用標(biāo)準(zhǔn)的MF1S50卡，當(dāng)射頻卡片靠近射頻天線區(qū)域（距離小于100mm）時，射頻卡內(nèi)部電路接收到天線發(fā)出的射頻信號獲得電能開始工作，二者通過射頻進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而實現(xiàn)射頻卡的讀寫操作。本設(shè)計中將射頻卡分為4種，分別是用戶卡、管理卡、清零卡和設(shè)置卡。用戶卡由灌溉用戶持有，存儲用戶的費用信息，用于啟停灌溉計費使用。管理卡、清零卡和設(shè)置卡都由管理員持有，用于強(qiáng)制啟停灌溉、清除RTU累積數(shù)據(jù)和設(shè)置參數(shù)，所有卡片都由管理員使用管理機(jī)統(tǒng)一設(shè)置發(fā)放，確保數(shù)據(jù)安全可靠。

（八）模擬量采集

在RTU電路中設(shè)計了2路模擬量采集，可以分別采集地下水位和土壤墑情。

（九）開關(guān)量采集

采用微控制器的普通IO口實現(xiàn)采集，外圍采用電平處理電路，使?fàn)顟B(tài)輸入電壓不超過微控制器的正常輸入范圍。

（十） 繼電器輸出

采用宏發(fā)的超小型大功率繼電器HF7FD，該繼電器可以實現(xiàn)對250V、16A交流電的開關(guān)切換，輸出觸點主要用于控制外部大功率交流接觸器的驅(qū)動線圈。

（十一）無線通訊

采用有人科技的USR-GM3無線通訊模塊，該模塊與微控制器采用Uart接口連接。

（十二）儀表接口

設(shè)計有RS485和脈沖輸入兩種，脈沖計量接口和開關(guān)量接口基本一致，RS485接口電路則采用ADM2483芯片，該芯片可以實現(xiàn)電磁隔離，與微控制器對應(yīng)的Uart0接口連接。

二、軟件設(shè)計

（一）工作流程

水電雙計節(jié)水灌溉RTU通過射頻卡與用戶交互信息，當(dāng)檢測到有效用戶刷卡操作時，RTU根據(jù)用戶卡內(nèi)的余額情況判定是否啟動灌溉，若啟動灌溉則開始記錄灌溉用水、用電信息，根據(jù)設(shè)定的費用計算方式計費，同時語音顯示同時提示相關(guān)信息，具體流程如圖3所示。

（二）計費設(shè)計

RTU的計費方式和計費單價可以用設(shè)置卡在現(xiàn)場設(shè)置，也可通過GPRS遠(yuǎn)程設(shè)定。默認(rèn)為按用水量計費，可以設(shè)定為灌溉用電量計費或灌溉用時計費，也可以設(shè)定為這幾種計費方式的組合計費。

（三）數(shù)據(jù)上傳設(shè)計

RTU設(shè)計有自動數(shù)據(jù)上傳功能，無線網(wǎng)絡(luò)正常時，RTU在啟停灌溉操作時自動上傳灌溉信息。為了確保服務(wù)中心能夠及時獲取最新的灌溉信息，在RTU的鐵電存儲器中預(yù)留了400個byte的空間用于存儲灌溉記錄上傳狀態(tài)信息。上傳灌溉記錄時自動將對應(yīng)的記錄的標(biāo)志位置1，如果收到上位機(jī)返回的確認(rèn)數(shù)據(jù)則將該標(biāo)志位清零，表示該記錄上傳成功。如果沒有收到確認(rèn)信息，則每隔10分鐘重新上傳一次。如果重傳3次還沒有成功，則不再重新上傳該記錄，并將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)確認(rèn)為故障狀態(tài)，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后，則重新上傳沒有成功上傳的灌溉記錄。

三、測試

經(jīng)過大量的測試發(fā)現(xiàn)，刷卡1000次的啟停灌溉的成功率可以達(dá)到100%，各種計費方式下的灌溉用水、灌溉用電、灌溉用時、灌溉費用等信息誤差均小于0.5%。灌溉記錄、意外斷電等情況下的灌溉記錄都能完好保存，設(shè)計的灌溉記錄自動上傳等功能在無線網(wǎng)絡(luò)正常的情況下也都能準(zhǔn)確實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)故障時的灌溉記錄在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后也都能實現(xiàn)準(zhǔn)確的補(bǔ)傳，完全滿足水利部科技推廣中心的文件要求。本RTU現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)行了小批量的試產(chǎn)，并在多個農(nóng)田灌區(qū)進(jìn)行了實際應(yīng)用驗證，運行穩(wěn)定性和實用性也得到一定程度的驗證。

四、結(jié)語

本RTU特別針對節(jié)水灌溉設(shè)計，采用射頻卡實現(xiàn)人機(jī)交互，具有液晶顯示和語音提示功能，優(yōu)化了人機(jī)交互。設(shè)計有多種儀表接口，方便與計量水表、電表的連接。還有大容量存儲器，方便實現(xiàn)本地大容量灌溉記錄存儲。由于采用了靈活的計費措施，對用戶的節(jié)水意識有了一定的提高，具有無線通訊模塊，可以非常方便地實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。設(shè)計的灌溉記錄數(shù)據(jù)自動上傳功能可以及時地將灌區(qū)的灌溉信息上傳到數(shù)據(jù)中心，非常適合在節(jié)水灌溉工程中推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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