張鋒

(中南林業(yè)科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410004)

基于射頻技術(shù)的農(nóng)業(yè)智能灌溉案例研究

張鋒

(中南林業(yè)科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410004)

基于射頻IC卡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)灌溉用水的智能控制、用水量自動(dòng)計(jì)量及水費(fèi)預(yù)交繳等功能。射頻IC卡在系統(tǒng)中作為信息傳輸?shù)慕橘|(zhì)，將控制和管理有機(jī)結(jié)合起來(lái)。射頻IC卡在下位機(jī)實(shí)現(xiàn)水泵的開(kāi)啟/關(guān)閉和水量計(jì)量等控制功能，在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)購(gòu)水、查詢、統(tǒng)計(jì)等管理功能。水利部門對(duì)取用地下水及地表水資源的用戶安裝射頻IC卡系統(tǒng)，可統(tǒng)籌調(diào)配當(dāng)?shù)厮Y源，實(shí)現(xiàn)水資源管理的科學(xué)化、規(guī)范化、節(jié)約化，達(dá)到計(jì)劃用水、節(jié)約用水的目的。

智能灌溉；射頻控制；刷卡系統(tǒng)

1.引言

水利是農(nóng)業(yè)的命脈，糧食的增產(chǎn)往往是通過(guò)灌溉面積的增加來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前全國(guó)1.3億HM3的耕地面積中，水田、水澆地占0.5億HM2，不足40%，而生產(chǎn)的糧食卻占全國(guó)糧食總產(chǎn)量的80%。然而，灌溉面積的增加已受到水資源總量和用水結(jié)構(gòu)變化的雙重制約。

2011年國(guó)務(wù)院出臺(tái)的《全國(guó)節(jié)水灌溉發(fā)展“十二五”規(guī)劃》和《大型灌區(qū)續(xù)建配套和節(jié)水改造“十二五”規(guī)劃》提出，到2015年，力爭(zhēng)全國(guó)新增高效節(jié)水灌溉面積達(dá)1億畝，全國(guó)70%大型灌區(qū)和50%中型灌區(qū)完成配套續(xù)建和節(jié)水改造任務(wù)，共涉及灌溉面積近2.83億畝。根據(jù)兩項(xiàng)規(guī)劃，國(guó)家財(cái)政“十二五”期間每年投入高效節(jié)水灌溉領(lǐng)域的扶持資金至少將達(dá)200億元。相關(guān)專家指出，上述規(guī)劃擬定的“十二五”高效節(jié)水灌溉目標(biāo)，比2012年中央“一號(hào)”文件提出的5000萬(wàn)畝數(shù)字高出一倍，凸顯出政策對(duì)于“十二五”期間大力發(fā)展節(jié)水灌溉業(yè)的重視。

因此發(fā)展農(nóng)業(yè)的根本出路在于節(jié)水。節(jié)水灌溉已不僅僅是技術(shù)問(wèn)題，而是直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)發(fā)展的根本，是實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用戰(zhàn)略和實(shí)現(xiàn)從粗放到集約經(jīng)營(yíng)戰(zhàn)略的具體體現(xiàn)。

現(xiàn)階段，我國(guó)農(nóng)田機(jī)井灌溉系統(tǒng)末端很多地區(qū)采用手動(dòng)開(kāi)關(guān)水泵、人工計(jì)量計(jì)費(fèi)的方式。這種作業(yè)方式存在的問(wèn)題是：不便于水資源的快捷調(diào)度；不能及時(shí)收取水費(fèi)；用水量計(jì)量精度低，易引發(fā)矛盾；容易造成水資源的浪費(fèi)；管理人員的野外勞動(dòng)強(qiáng)度大．

有鑒于此，本設(shè)計(jì)基于射頻IC卡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)灌溉用水的智能控制、用水量自動(dòng)計(jì)量及水費(fèi)預(yù)繳等功能。射頻IC卡在系統(tǒng)中作為信息傳輸?shù)慕橘|(zhì)，將控制和管理有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。射頻IC卡在下位機(jī)實(shí)現(xiàn)水泵的開(kāi)啟／關(guān)閉和水量計(jì)量等控制功能，在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)購(gòu)水、查詢、統(tǒng)計(jì)等管理功能。水利部門對(duì)取用地下水及地表水資源的用戶安裝射頻IC卡系統(tǒng)，可統(tǒng)籌調(diào)配當(dāng)?shù)厮Y源，實(shí)現(xiàn)水資源管理的科學(xué)化、規(guī)范化、節(jié)約化，達(dá)到計(jì)劃用水、節(jié)約用水的目的。

本文研究的主要內(nèi)容是根據(jù)射頻識(shí)別的原理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況規(guī)劃實(shí)現(xiàn)方案,設(shè)計(jì)射頻IC卡供水自動(dòng)計(jì)量控制器，并且在開(kāi)發(fā)的智能刷卡灌溉終端上，實(shí)現(xiàn)基于WINCE的觸摸屏人機(jī)界面。系統(tǒng)采用MCGS顯示屏，支持Microsoft開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)互連（ODBC）接口，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接能力。本文從軟硬件兩方面介紹觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)，給出了在WINCE操作系統(tǒng)下調(diào)試觸摸屏驅(qū)動(dòng)的通用方法，并應(yīng)用于智能灌溉系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)組成

整個(gè)系統(tǒng)由主控芯片、射頻模塊、存儲(chǔ)器，語(yǔ)音芯片、時(shí)鐘芯片、顯示模塊、水流量傳感器以及電機(jī)保護(hù)和控制電路幾大部分組成，如圖所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

主控芯片采用c8051f340，c8051f340具有精確校準(zhǔn)的12MHz內(nèi)部振蕩器和4倍時(shí)鐘乘法器、64KB的片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器、352字節(jié)片內(nèi)RAM（256+4KB）、硬件實(shí)現(xiàn)的SMBUS/I2C、增強(qiáng)型UART（最多兩個(gè)）和增強(qiáng)型SPI串行接口、4個(gè)通用的16位定時(shí)器。具有5個(gè)捕捉/比較模塊和看門狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA）片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器和時(shí)鐘丟失檢測(cè)器、40個(gè)端口I/O（容許5V輸入），具有片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、電壓調(diào)整器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的C8051F340是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。

(2)射頻模塊中，處理射頻器的芯片采用MFRC500。Philips公司的 MF RC500是應(yīng)用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員。該讀卡IC系列利用先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。MF RC500支持ISO14443A所有的層，內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動(dòng)操作近距離的天線（可達(dá)100mm）；接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)固而有效的解調(diào)和解碼電路，用于ISO14443兼容的應(yīng)答器信號(hào)；數(shù)字部分處理ISO14443A幀和錯(cuò)誤檢測(cè)。此外，它還支持快速CRYPTOI加密算法，用于驗(yàn)證Mifare系列產(chǎn)品。方便的并行接口可直接連接到任何8位微處理器，給讀卡器/終端的設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。MF RC500可方便地用于各種基于ISO/IEC 14443A標(biāo)準(zhǔn)并且要求低成本、小尺寸、高性能以及單電源的非接觸式通信的應(yīng)用場(chǎng)合。

MF RC500內(nèi)部包括并行微控制器接口、雙向、FIFO緩沖區(qū)、中斷、數(shù)據(jù)處理單元、狀態(tài)控制單元、安全和密碼控制單元、模擬電路接口及天線接口。MF RC500的外部接口包括數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線(包含讀寫(xiě)信號(hào)和中斷等)和電源等。MF RC500的并行微控制器接口自動(dòng)檢測(cè)連接的8位并行接口的類型。它包含一個(gè)易用的雙向FIFO緩沖區(qū)和一個(gè)可配置的中斷輸出,為連接各種MCU提供了很大的靈活性。即使采用成本非常低的器件也能滿足高速非接觸式通信的要求。數(shù)據(jù)處理部分執(zhí)行數(shù)據(jù)的并行—串行轉(zhuǎn)換。支持的幀包括CRC和奇偶校驗(yàn)。MF RC500以完全透明的模式進(jìn)行操作． 因而支持IS014443A的所有層。狀態(tài)和控制部分允許對(duì)器件進(jìn)行配置以適應(yīng)環(huán)境的影響,并將性能調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)。

（3）非接觸式IC卡選用Mifare one射頻IC卡，其內(nèi)部包括高速CMOS EEPROM、數(shù)字邏輯模塊和高效率射頻天線模塊，卡片無(wú)源，工作時(shí)使用的電源能量由卡片讀寫(xiě)器天線發(fā)送無(wú)線電載波信號(hào)耦合到卡片上的天線產(chǎn)生。Mifare one卡片的存儲(chǔ)容量為IK*8位字長(zhǎng)，采用EEPROM作為存儲(chǔ)介質(zhì)，整個(gè)結(jié)構(gòu)劃分為16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)4個(gè)塊，每個(gè)塊包含16個(gè)字節(jié)，全部存儲(chǔ)空間共有64個(gè)塊。Mifare one卡的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如表1所示。

在Mifare one的64個(gè)塊中，扇區(qū)0的第0塊用于存儲(chǔ)該卡的序列號(hào)和生產(chǎn)廠商的標(biāo)志信息，該塊是只讀。其余扇區(qū)的塊0、塊1和塊2用于保存數(shù)據(jù)，塊3用于對(duì)該扇區(qū)的控制，被稱為控制塊。表1 Mifare one內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。在這16個(gè)字節(jié)中，包括了密匙A、B和控制字三種結(jié)構(gòu)。

（4）射頻IC卡讀寫(xiě)模塊采用PHILIPS公司的非接觸技術(shù)設(shè)計(jì)的微型嵌入式非接觸式IC卡讀寫(xiě)模塊，內(nèi)嵌MF RC500射頻基站，整個(gè)模塊也是采用llC協(xié)議與主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

（5）電機(jī)控制系統(tǒng)由交流接觸器完成，交流接觸器通過(guò)主控芯片的P1．61sIIN接控制，同時(shí)還受到電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的控制，電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中交流互感器采集到電流信號(hào)并加以分析處理，當(dāng)電機(jī)供電系統(tǒng)中出現(xiàn)缺相、倒序、過(guò)流、欠壓等不正常情況時(shí)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)采取保護(hù)措施斷開(kāi)交流接觸器。

（6）流量傳感器采用靈敏度較高的渦街流量傳感器，它的脈沖信號(hào)經(jīng)光電耦合傳給主控芯片的TO口。

（7）交流固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)單片機(jī)電路與水泵電機(jī)電路的可靠隔離:當(dāng)刷卡確認(rèn)取水時(shí)，單片機(jī)輸出高電平，固態(tài)繼電器接通，啟動(dòng)水泵抽水;當(dāng)再次刷卡或卡中余額不足時(shí)，單片機(jī)輸出低電平，固態(tài)繼電器斷開(kāi)，水泵停止抽水。

3.計(jì)費(fèi)控制系統(tǒng)工作流程

用戶用水情況進(jìn)行自動(dòng)計(jì)量，采用脈沖式遠(yuǎn)傳水表器件，該脈沖水表安裝在水泵出水口過(guò)濾器之后的干管上，每流過(guò)1m3的水即發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)對(duì)脈沖進(jìn)行記數(shù)，軟件根據(jù)單片機(jī)采樣的脈沖，進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算、累加，最后得到用戶用水量，完成計(jì)量工作，進(jìn)而扣除用戶相應(yīng)的水費(fèi)。

圖2 射頻計(jì)費(fèi)控制示意圖

計(jì)費(fèi)系統(tǒng)控制流程：流量傳感器采集的脈沖信號(hào)送到主控芯片記錄脈沖數(shù)量并進(jìn)行換算、計(jì)量出用水量和費(fèi)用，并更新數(shù)據(jù)到EEPROM以防止中途非正常斷電，根據(jù)射頻IC卡讀出的用戶信息控制機(jī)井電機(jī)的工作狀態(tài)。如下圖所示：

刷卡主程序主要完成系統(tǒng)的初始化，循環(huán)檢測(cè)射頻IC卡讀寫(xiě)器的天線周圍是否有卡，讀取卡上的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，記錄脈沖，計(jì)算用水費(fèi)用，顯示用水量及余額。本系統(tǒng)主要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)有：四字節(jié)的用戶卡編號(hào)、六字節(jié)的密碼、五字節(jié)的金額。

4.結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)田灌溉，與原有設(shè)備相比具備了預(yù)付費(fèi)、刷卡取水、按水（電）計(jì)量、自主消費(fèi)、人機(jī)界面交互功能。用戶只要用手指輕輕地指碰顯示屏上的圖符或文字，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵進(jìn)行操作，從而使人機(jī)交互更為直截了當(dāng)，同時(shí)使水（電）計(jì)量實(shí)時(shí)更新在顯示屏，具有快速感應(yīng)與精確定位的特點(diǎn)，集聲音、圖像、文字于一體，具有方便直觀、圖像清晰、安全防護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定、易于交流和節(jié)省空間等特點(diǎn)。使農(nóng)田機(jī)井應(yīng)用和管理水平得以提高，不僅實(shí)現(xiàn)了預(yù)付費(fèi)后自主刷卡澆地，并且實(shí)時(shí)信息都已以可觸摸的形式出現(xiàn)，極大地方便了那些不懂電腦操作的用戶。

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圖3 刷卡讀寫(xiě)程序流程圖

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TP391

A

1671-5136(2014)04-0133-03

2014-10-18

張鋒（1980-），男，湖南寧鄉(xiāng)人，中南林業(yè)科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院2013級(jí)碩士研究生。