水電雙計遠程控制器設計與實現

劉露露，高宇恒，趙俊鋒

（南陽理工學院，河南 南陽 473004）

2021年2月1 日河南省農業農村廳部門下發《關于做好高標準農田項目區用水計量設施安裝工作通知》，農用智能灌溉設備設計與制造被提上日程，因此亟待創造出健全的水價改革管理機制及智能化的計量設施，來緩解當前用水和計量方式不合理的情況。近些年來，互聯網與物聯網行業高速發展，云計算、大數據普及，物聯網已逐漸滲透人們的生活中。即使在農村，智能手機和4G網絡也相當普及。這就為計量設備智能化，使用移動支付的新方式創造了條件。本課題正是在這種情況下設計出一款水電雙計遠程控制器。

1 水電雙計遠程控制器總體設計

智能化用水計量設施已經成為農業發展的一個重要需求，政府相關文件提出要實現灌溉過程用水用電數據實時上傳，支持計費、充值，用水受水價改革系統統一管理。目前大部分地區已經完成了基礎設施的安裝工作，但是仍然存在部分地區未能將智能灌溉設施實施到位，人們采用機械和人力灌溉的方式依然存在。此外，以往的農業灌溉采取的“以電測水”或者只計電費而不計水費的方式，造成了水資源的浪費，不利于綜合水價改革[1]。所以需設計一款基于農用智能灌溉的能夠精準計量用水和用電量并能夠準確換算消費金額的控制器，且能夠將數據傳輸到云平臺，方便遠程數據管理。

水電雙計的遠程控制器核心是精準測量灌溉過程中用電量和用水量，并將其轉化為消費金額上傳至遠程控制終端。除此之外，還能夠實現語音播報，手機APP數據查看管理及繳費等功能。該控制器由硬件設計和軟件開發2部分組成。硬件部分主要實現對于用水量和用電量的采樣，水電計量模塊與數據處理模塊之間的通信電路設計，數據處理模塊與遠程管理中心網絡聯接，人機交互模塊電路設計。軟件部分主要對水電采集模塊與數據處理中心程序參數設置，數據處理模塊初始化程序設計，4G遠傳驅動程序及人機交互模塊程序設計等[2]。針對以上設計需求，控制器總體設計方案圖如圖1所示。

圖1 總體方案設計圖

2 硬件電路設計

2.1 水量計量部分硬件設計

MBUS通信協議是水量計量模塊的核心，是實現遠程抄表系統的關鍵所在。采用支持MBUS CJ/T188協議水表；命令報文格式為二進制，MBUS主站和水表只要能夠識別ASCⅠⅠ即可識別命令完成數據傳輸。

MBUS全稱Meter Bus，是歐洲提出的儀表抄表數據總線，其使用了2根無極性總線連接，分別為M+和M-，雖然標的有正負，但實際接線并不區分正負極。并且這2根通信線電壓較高，遠程傳輸電能線損較小，總線同時具備通信和供電的功能。MBUS主站和從站的數據傳送方式不同，分別采用電壓調制和電流調制。主站向從站發送數據時，用電壓值的高低跳變傳輸數據，總線電壓為36 V時發送數據“1”，當總線電壓減小至24 V時發送數據“0”。從站水表向MBUS主站返回數據采用電流信號，此時電壓保持36 V，從站向主站發送“1”時，總線電流為最小的1.5 mA；當發送“0”時，總線中電流增加11～20 mA[3]。

2.2 電量計量部分硬件設計

HT7038芯片通過采樣電阻得到三相電壓和三相電流值，并通過芯片內部的計算、校正和補償，得到有功功率、有功能量等參數并儲存于芯片內部寄存器中，通過SPⅠ串口與4G模塊交換數據，即可將用電量數據上傳至數據處理模塊。HT7038芯片提供三路電壓通道，三路電流通道，具有SPⅠ通信接口，并且能提供有功和無功功率脈沖輸出。

以A相為例，HT7880電壓通道最大模擬輸入電壓為500 mV。電壓采樣電路采用7個330 k的電阻與1個1.2 k的電阻串聯設計，7個330 k的電阻主要是負責分壓，1.2 k的電阻作為采樣電阻[4]。HT7038的VAP引腳接在采樣電阻與分壓電阻之間，采集該點的電壓信號。本設計按照220 V額定電壓計算，采樣電阻的電壓為114 mV，電壓通道輸入的有效值為1～500 mV，滿足芯片設計要求。VAN引腳是與VAP引腳相對應的差分引腳，使其經1.2 k的電阻后接地，形成對地差分，保證了電壓采樣的準確性。

同樣以A相為例，經電流互感器所得電流引入采樣電路得到弱電信號，經采樣電阻轉為電壓信號，接入HT7038的ⅠAP、ⅠAN引腳。電流采樣電路采用對稱設計，保證采樣的準確性，電容用來濾波。其余兩相電路與該相相同。電流互感器的參數是10（100）/5 mA，變比為2 000∶1，假設負載電流為電流互感器最大量程，此時電流互感器二次側電流為50 mA。經過計算，ADC引腳最大為180 mV，電流通道輸入的有效值為1～500 mV，滿足芯片設計要求。

2.3 電源和磁保持繼電器控制電路設計

電源供電模塊在整個電路的設計中是不可或缺的一部分，穩定的直流電流是控制器能夠穩定工作的前提。在此將電網電壓220 V交流市電通過開關電源轉為24 V直流，24 V經由降壓模塊得到穩定的5 V直流電以供電路使用。其中24 V電壓作為MBUS供電電壓，5 V作為計量芯片、磁保持繼電器控制芯片和其他外圍電路的供電電壓，3.8 V作為AⅠR724UG模塊的供電電壓。其中24 V轉5 V選用JW5015A降壓芯片，5 V轉3.8 V選用JW5033S降壓芯片。24 V轉5 V電路如圖2所示。

圖2 24 V轉5 V電路圖

磁保持繼電器用于控制水泵的三相電通斷，進而控制水泵的啟停。繼電器觸點受內部永久磁鐵的磁力影響處于穩定狀態，需要用正反直流脈沖電壓激勵線圈，進而完成觸點的開合狀態轉換。為了控制繼電器的開合，選用BL8023磁保持繼電器專用芯片完成正反脈沖變換，當芯片接收到來自4G的電平轉換信號時改變芯片的輸出脈沖極性進而控制磁保持繼電器的開合狀態。磁保持繼電器選用型號為FC808C-100 A，可通斷最大100 A電流。BL8023為TTL5 V電平，而4G為1.8 V電平，兩者端口電平互不兼容，故需加電平轉換電路才能保證兩者正常通信。

磁保持繼電器、4G模塊與BL8023芯片連接電路如圖3所示，A、B兩端為邏輯信號輸入端連接4G模塊，OA、OB兩端為輸出端，與磁保持繼電器兩端連接。控制邏輯見表1，當輸入A端為高電平，B端為低電平時，OA端為高電平，OB端為低電平，此時觸點接觸；同樣地，當輸入A端為低電平，B端為高電平時，OA端為低電平，OB端為高電平，此時觸點打開。當輸入兩端電平相同時，輸出端為高阻狀態，觸點保持原來的狀態不變。

圖3 磁保持繼電器芯片連接電路圖

表1 BL8023芯片控制邏輯表

2.4 人機交互模塊電路設計

人機交互模塊包括LCD顯示屏、按鍵及揚聲器。LCD選用ST7735彩色液晶顯示屏，該顯示屏使用SPⅠ接口，能夠匹配4G模塊SPⅠ-LCD接口，可以實現4G模塊向LCD進行數據傳輸。除此之外LCD顯示屏電壓范圍為2.8～3.3 V，4G模塊內置LDO可輸出3.3 V，因此當LCD可直接接收4G數據時，不需要額外的電平轉換電路。

本設計含有2個按鍵，一個用來現場控制啟動水泵，一個是用來現場控制灌溉過程中水泵的停止。控制器長期處于開機狀態，當用戶掃碼登錄自己的賬號之后便可通過按鍵操作。

揚聲器用于灌溉過程操作時的語音提示，4G模塊提供三路模擬輸出通道，支持播放功能。走線采用差分形式，寬度應在0.5 mm以上，用于防止其他噪聲的干擾。此外，在電路設計中加入10 pf和33 pf的濾波電容用于濾去1 800 Hz和900 Hz的高頻干擾，保證聲音的純凈。在揚聲器附近添加TVS二極管，其能夠吸收高達數千瓦的浪涌功率，使兩極之間的電壓鉗位于預定值，同時能夠有效地保護揚聲器。

3 水電雙計遠程控制器軟件設計

3.1 水電采集程序設計

水量計量只需要采集到初始水表示數和結束水表示數便可以得到灌溉過程總的用水量。按照設定好的水價即可得到灌溉的消費金額，設計中采用CJ/T188規范的MBUS協議流量計，水表與4G模塊串行通信有固定的數據幀，其格式如圖4所示。FE FE FE為引導字符，是水表判斷數據到來開始讀取的依據；68H固定為幀起始符，是一個數據幀的開始；T為表計類型代碼；A0～A6為表計地址，是水表廠家出廠置于水表內部芯片的；CMD為控制碼；L為數據長度；DⅠ為數據表示；SER為序列號，表示第幾個數據包；CS為校驗碼，按相加取模256加1運算后得到16H為幀結束符。

圖4 水表通信數據幀格式

電量采集首先檢測控制器是否為工作狀態，如果在工作狀態，通過SPⅠ串口獲取HT7038寄存器的有功電量，記為初始用電量。在工作過程中不斷讀取工作狀態CFⅠ脈沖信號直至控制器變為空閑狀態，用電結束后獲取寄存器數據，解析之后得到最終用電量。

3.2 控制部分程序設計

控制部分開始，先進行4G模塊硬件的初始化，加載Lua程序腳本，初始化完成后進入4G聯網階段。4G模塊首先會檢查SⅠM卡狀態，讀取SⅠM卡的ⅠCCⅠD、ⅠMSⅠ，并檢查4G的信號強度RSSⅠ，請求附著運營商的4G網絡，并連接物聯網云平臺。

云平臺連接成功后，檢測用戶是否登錄，如果沒有登錄，則為待機狀態。當用戶登錄成功，4G模塊從云平臺獲取用戶信息，包括用戶ⅠD、手機號和余額等必要信息，存儲在4G模塊的存儲單元中。登錄成功后，系統并不會立即進入工作狀態，而是等待一個開始信號，在本設計中，開始信號可以遠程下發或者由控制器上的開始按鈕觸發。接到開始命令，控制子程序檢查用戶信息中的余額是否大于0，如果余額為0，則顯示屏和語音會提醒用戶繳費，不啟動水泵；當余額大于0時即可開始工作，設置工作狀態為“工作中”，接通磁保持繼電器，用戶開始用水。

開始工作后，控制子程序不斷檢測3個停止狀態。如果用戶按下停止按鈕，或云平臺下發停止命令，或者余額為0時，則會進入停止流程；否則一直工作，計水計電，讀取云平臺下發的指令。當用戶停止用水，子程序首先會設置全局標志位工作狀態為“空閑”，以通知其他子程序停止，然后斷開磁保持繼電器，根據計水計電子程序計算的金額，計算本次使用費用，扣除用戶對應余額后，將數據上報至云平臺存檔，最后清除工作中存儲的用戶信息和用水信息，等待下個用戶使用。遠程控制子程序流程圖如圖5所示。

圖5 遠程控制子程序流程圖

3.3 遠程控制和APP軟件設計

APP界面需求分析：①掃碼進入登錄界面；②手機APP完成賬戶登錄、充值；③APP界面顯示使用設備信息，包括灌溉過程中的水電用量、消費金額及余額；④實現APP遠程控制控制器開關。

APP使用Vue.js前端的開源框架開發，且具有組件化特點，將其分為一個個組件，每個組件都包含HTML、CSS和JavaScript，可以相互獨立也可被復用。本界面設計采用Vant小組件開發UⅠ界面。主要使用了Button按鈕、輪播、Cell單元格、Ⅰmage圖片、Popup彈出層和Toast輕提示等小組件。主界面信息包括登錄選項框，充值金額選項框；灌溉信息顯示包括使用設備號、用電量、用水量、消費金額及余額；此外還包括控制水泵的開始和結束按鈕。APP界面如圖6所示。

圖6 APP界面截圖

4 水電雙計遠程控制器測試與實驗

將以上各部分電路圖匯集，形成2份電氣原理圖，并將其轉化為PCB電路圖如圖7所示。

圖7 PCB電路圖

系統測試包括2部分：水量電量的采集調試和APP遠程控制調試。采集調試采用合宙公司推薦的Luatools調試助手進行測試。使用USB將控制器與PC機上調試助手連接，點擊軟件界面上的項目管理測試按鈕。然后選擇官方的底層CORE，再添加Lua腳本代碼，點擊“下載底層和腳本”按鈕，等待軟件提示下載成功，就可以在主界面上看到聯網、查詢水表數據、查詢電量數據、讀到水表數據、讀到電量數據、用水量數據調試和用電數據調試等日志信息。除此之外，還可以在界面上看到系統狀態、信號強度及當前網絡狀態等信息。

APP遠程控制調試包括對于手機APP端能否遠程登錄賬戶，賬戶充值和控制水泵啟停的測試。使用手機登錄時點擊登錄框，輸入用戶名及密碼，點擊確認即可登陸成功。當余額不足時，點擊充值選項框，輸入充值金額，點擊確認按鈕即顯示充值成功。APP界面將會顯示工作過程灌溉信息。最重要的是可以在手機端實現水泵的遠程控制，點擊界面下方的開始按鈕即可使磁保持繼電器觸點閉合開始灌溉，按下停止按鈕時觸發磁保持繼電器使觸點斷開而關閉水泵。

5 結束語

本設計通過設計和實物驗證，實現了對于水電的精準計量，并將數據上傳至云平臺。能夠通過手機APP遠程控制控制器的啟停，遠程查看設備的在線狀態及工作情況，最終達到設計的要求。但由于本人的能力有限和時間的不足，所設計的控制器還有很多地方沒有考慮到位，忽視了水泵保護部分設計，應該充分考慮控制器的安全性問題。由于實驗條件有限，電量采集部分僅完成設計未進行實驗驗證，軟件部分功能不夠完善。