基于單片機和射頻技術的機井雙控系統設計

摘要：傳統農業灌溉對用水量和電量采用人工計時計費，不僅浪費勞動力，而且計時計費往往不準確。為改善現狀，基于電子技術、測控技術、IC射頻通信技術、GPRS通信技術、互聯網技術等現代科技手段，設計開發了一種基于單片機和射頻技術的機井雙控系統，以完善農田灌溉設備和供水計量設施，實現對農業用水的綜合管理。該系統基于單片機擴展渦輪流量計和電能計量模塊對水、電量進行準確測量，采用射頻IC卡對水量、電量實現控制;用戶通過射頻IC卡實現水泵/電磁閥啟、停控制，并通過GPRS網絡將刷卡信息、水量/電量信息發送至遠程中心站，由具體的資費管理系統進行灌溉計費、扣費。設備可連接智能電表、水表，用于灌溉電量、水量測量;同時IC卡可基于液晶顯示屏實時顯示已用水量和已用電量，為農業現代化的實現奠定了一定的應用基礎。

關鍵詞：機井雙控;單片機;射頻IC卡;農業現代化

0 ? ?引言

近年來，我國農業灌溉技術發展迅速，已經由傳統的大水漫灌逐漸向滴灌、噴灌發展，節省了大量的水資源。但目前多數灌溉方式仍然由人工掌握灌溉裝置的啟停和水的用量，不能及時掌握實時用水量和用電量。因此，對于該環節的智能化升級迫在眉睫。目前，已經開始探索將嵌入式技術與灌溉相結合，實現對取水和用電進行控制。如方正等設計了一種農田節水灌溉計量控制系統，該系統與數據庫技術深度融合，同時結合IC卡射頻技術和單片機自動控制技術，集成了購水、購電、用戶信息采集等功能[1]。查懷宇設計了一種基于GPRS技術的射頻卡控制器終端，以低功耗芯片STM8L152R8T6為核心，根據現實生活中農業灌溉的需求情況，所設計的射頻卡控制器能識別用戶卡、設置卡、管理卡等眾多射頻卡，不同卡有不同的功能[2]。黨倩瀅等提出了一種基于RFID技術的農田機井灌溉管理系統，該系統利用嵌入式微控制器LPC2103及射頻芯片MF-RC522來構建，通過射頻IC卡作為信息傳輸的媒介，以達到節水及提高效率的目的[3]。呂奧將RFID技術及GPRS技術相結合運用到智能灌溉領域，開發了農業灌溉控制終端機，實現灌溉用水的計算機遠程計量、控制和管理功能[4]。上述方法和技術均已實現基于射頻技術對水量進行采集和控制，但實際灌溉過程中，還需要考慮消耗的電量。

本文在充分考慮機井灌溉控制研究現狀的基礎上，提出基于單片機、傳感器和射頻技術實現對灌溉過程中水量和電量的動態監測，并可以基于射頻技術實現精確的灌溉，以節約水資源。

1 ? ?總體方案設計

為實現基于射頻卡的灌溉的啟動和關閉功能、實時計算水量和電量功能，本文設計了如圖1所示的機井雙控方案。

如圖1所示，以單片機為控制核心，通過渦輪流量計采集當前流量，并根據運行時間，計算出已用水量，電能計量模塊可以對系統運行消耗電量進行采集;射頻模塊控制水泵電機啟停或管道閥門開閉，實現刷卡用水、刷卡停水;通過顯示模塊，能夠顯示用戶IC卡號、姓名、機井累計取水量、當前用戶IC卡余額、累計用水量、機井當前水位等數據信息;鍵盤模塊可以對管理員開放，實現對設備的功能禁用和權限開放等方式的設置。

2 ? ?硬件設計

硬件設計中主要介紹了基于單片機控制器擴展主要接口電路的過程。如圖2所示，為基于單片機的控制器設計原理圖，已經將需要的引腳功能引出并進行了編號。

圖3所示為射頻IC卡原理圖，可以實現對射頻卡的信息讀入和分析，從而實現灌溉控制。

圖4所示為繼電器控制原理圖。

3 ? ?軟件設計及調試

系統軟件主要是通過軟件編程驅動設計的硬件電路能夠正常工作，具體功能包括單片機對各個模塊即傳感器模塊、射頻模塊、顯示模塊、繼電器模塊等的控制。總程序正常運行的情況下可以實現水電雙控、智能灌溉的功能。

本系統主要由控制管理模塊、傳感器模塊、射頻模塊三部分組成。控制管理模塊主要由單片機、鍵盤模塊和顯示模塊等部分組成，實現機井雙控系統中控制命令的輸出和重要信息的顯示等功能，液晶顯示屏顯示人機交互結果。傳感器模塊主要是由渦輪流量計、電能計量模塊組成，可以實現對水量和電量的實時監測;射頻模塊主要用于讀取用戶的水流量及電量，并且可以啟動和停止水泵和開閉管道閥門。

經過實際驗證，本文所設計的機井雙控系統達到了預期效果，實現了預期功能。

4 ? ?結論

本文在充分考慮機井灌溉控制研究現狀的基礎上，提出基于單片機、傳感器和射頻技術實現對灌溉過程中水量和電量的動態監測，并可基于射頻技術實現精確的灌溉，以節約水資源。具體成果和結論如下：

（1）設計了基于單片機和射頻模塊的機井雙控控制系統硬件，實現了基本的硬件功能;

（2）設計了基于硬件的機井雙控軟件系統，實現了對硬件功能的驅動;

（3）實驗結果證明了本文設計的方案的有效性和可行性。

[參考文獻]

[1] 方正，徐曉輝，蘇彥莽，等.農田節水灌溉計量控制系統的研究[J].江蘇農業科學，2018，46（2）：173-175.

[2] 查懷宇.基于GPRS技術的射頻卡控制器終端設計[D].濟南：山東大學，2019.

[3] 黨倩瀅，淡丹，楊文健，等.基于RFID技術的農田機井灌溉管理系統設計[J].電子設計工程，2017，25（20）：51-55.

[4] 呂奧.智能灌溉終端機設計[D].太原：太原科技大學，2017.

收稿日期：2020-07-22

作者簡介：李濤（1984—），男，陜西乾縣人，工程師，研究方向：嵌入式系統開發。