田家賓，焦麗娜，史慶生

（天津市水利科學(xué)研究院，天津300061）

全國(guó)農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革工作正在穩(wěn)步推進(jìn)[1]，做好用水計(jì)量工作是開(kāi)展水價(jià)改革的重要基礎(chǔ)。井灌區(qū)機(jī)井全面開(kāi)展配套安裝智能化計(jì)量設(shè)施，傳統(tǒng)機(jī)井灌溉控制器采用IC卡刷卡方式取水。農(nóng)戶需多次往返田間與機(jī)井，距離較遠(yuǎn)實(shí)際操作繁瑣，且機(jī)井灌溉為輪灌，IC卡灌溉無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)約灌溉，農(nóng)戶澆地排隊(duì)等待時(shí)間長(zhǎng)，遇到繁忙季節(jié)易引發(fā)矛盾。灌溉控制器不支持水權(quán)管理功能，無(wú)法控制超額用水機(jī)井和農(nóng)戶取水，不能有效落實(shí)農(nóng)業(yè)灌溉定額用水要求，農(nóng)民的節(jié)水意識(shí)淡薄，大水漫灌現(xiàn)象普遍存在[2]。

隨著智能手機(jī)應(yīng)用的普及和云計(jì)算技術(shù)的成熟，以移動(dòng)端掌上服務(wù)為代表的移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)和共享經(jīng)濟(jì)模式正快速發(fā)展，催生出眾多全新的服務(wù)理念和服務(wù)方式，深刻改變著人們的生產(chǎn)生活。井灌區(qū)農(nóng)田灌溉服務(wù)順應(yīng)社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)，創(chuàng)新服務(wù)理念，通過(guò)基于移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)開(kāi)發(fā)機(jī)井智能遠(yuǎn)程灌溉控制器，為農(nóng)戶提供手機(jī)遠(yuǎn)程灌溉的全新澆地體驗(yàn)。農(nóng)戶通過(guò)操作手機(jī)掃描機(jī)井二維碼認(rèn)證開(kāi)泵，通過(guò)微信、支付寶第三方支付系統(tǒng)自助購(gòu)水將成為一種更加方便快捷的灌溉方式。通過(guò)落實(shí)階梯水價(jià)和水權(quán)分配加強(qiáng)用水過(guò)程管控，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉用水定額管理和總量控制目標(biāo)，提高農(nóng)民的節(jié)水意識(shí)[3]。

1 控制器的總體設(shè)計(jì)

創(chuàng)新服務(wù)模式，按照“互聯(lián)網(wǎng)+”工作思路，基于移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)和共享思維運(yùn)營(yíng)模式，以農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井為共享資源，為每眼機(jī)井設(shè)置唯一標(biāo)識(shí)的二維碼，農(nóng)戶通過(guò)手機(jī)App掃碼的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程灌溉。控制器支持預(yù)約灌溉功能，可提前確定灌溉時(shí)間、灌溉水量，省工省時(shí)，便捷智能，有效減少水事糾紛。

機(jī)井智能遠(yuǎn)程灌溉控制器滿足農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井用水計(jì)量和控制要求?？刂破骷S碼遠(yuǎn)程灌溉用水、IC卡刷卡灌溉用水、自動(dòng)用水用電計(jì)量、水泵本地控制、防盜報(bào)警、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制等功能于一體，實(shí)現(xiàn)一體化多功能、一體化操作和一體化集成安裝；同時(shí)，采用GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，上傳至農(nóng)業(yè)灌溉用水?dāng)?shù)據(jù)中心，支持自動(dòng)報(bào)送和遠(yuǎn)程遙測(cè)相結(jié)合的模式[4]。

2 控制器的功能設(shè)計(jì)

機(jī)井智能遠(yuǎn)程灌溉控制器集機(jī)井用水量、用電量等數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、傳輸以及水泵、電動(dòng)閥門(mén)控制、水權(quán)控制于一體，為農(nóng)業(yè)灌溉用水?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)、分析提供支持[5]，主要具有以下功能。

（1）用水量和用電量計(jì)量。支持通過(guò)直接采集流量計(jì)和電表數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行計(jì)量；支持通過(guò)“以電折水”和“以時(shí)計(jì)水”水量換算的方式計(jì)量用水量。

（2）灌溉取水。支持手機(jī)App遠(yuǎn)程灌溉和IC卡刷卡灌溉2種方式。其中，手機(jī)App遠(yuǎn)程灌溉取水，用水戶需提水灌溉時(shí)通過(guò)手機(jī)App掃描機(jī)井二維碼啟動(dòng)機(jī)泵取水和停泵；IC卡刷卡取水由用水戶手持IC卡刷卡啟動(dòng)機(jī)泵取水，再刷卡停泵。控制器根據(jù)取水量自動(dòng)扣除水量，在已充值剩余水量達(dá)到報(bào)警值時(shí)自動(dòng)告警，水量用完自動(dòng)停機(jī)。

（3）水權(quán)管理。具有限制機(jī)井取水功能，農(nóng)戶或機(jī)井年累計(jì)取水量超過(guò)設(shè)定水權(quán)值，自動(dòng)停泵。

（4）充值收費(fèi)管理。支持手機(jī)App和IC卡2種充值管理方式。其中，手機(jī)App充值通過(guò)微信和支付寶第三方支付方式進(jìn)行在線充值；IC卡充值收費(fèi)支持IC卡“一井一卡”“一井多卡”“一卡多井”使用方式，通過(guò)充值收費(fèi)管理系統(tǒng)對(duì)用水戶IC卡進(jìn)行充值。

（5）水泵控制。以取水量（或電量）為控制量，用水戶通過(guò)手機(jī)App或刷IC卡控制水泵啟閉，控制器在設(shè)備出現(xiàn)故障或事故時(shí)立即切斷電源。

（6）信息傳輸。支持GPRS/3G/4G傳輸方式，采用固定IP模式上傳至上位機(jī)自動(dòng)報(bào)送和遠(yuǎn)程遙測(cè)相結(jié)合模式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查詢遙測(cè)功能。

（7）參數(shù)遠(yuǎn)程配置?？刂破髟O(shè)備可遠(yuǎn)程配置報(bào)送時(shí)間、時(shí)間間隔、“以電折水”系數(shù)及“以時(shí)計(jì)水”系數(shù)等參數(shù)。

（8）設(shè)備自檢和故障診斷。當(dāng)計(jì)量設(shè)施出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)上報(bào)信息。

（9）備用電源自動(dòng)切換。配備備用鋰電池，外部電源有電狀態(tài)下自動(dòng)對(duì)備用電源充電，外部電源斷電時(shí)備用電源能夠自動(dòng)切換，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不丟失。

（10）保護(hù)功能。配備漏電保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、過(guò)壓、欠壓、輸入缺相保護(hù)等安全保護(hù)功能，具備防雷擊保護(hù)措施。

（11）存儲(chǔ)功能。存儲(chǔ)用戶用水記錄數(shù)據(jù)不小于10 000條。

3 控制器的終端硬件設(shè)計(jì)

控制器終端硬件主要包括主處理器、電器控制部分、電源、人機(jī)交互系統(tǒng)、控制執(zhí)行部分和傳感器部分[6]，控制器安裝在機(jī)井首部。

（1）主控制器。主控制器采用ATSAMA5D36CU作為處理芯片。ATSAMA5D36CU是一款A(yù)RM Cortex A5內(nèi)核的工業(yè)級(jí)芯片，帶有USB2.0協(xié)議的USB HOST和Device接口，采用嵌入式ARM Linux，實(shí)現(xiàn)基于ARM的嵌入式Linux系統(tǒng)移植開(kāi)發(fā)。

（2）電器控制部分。控制器電源由農(nóng)用灌溉三相電380V作為設(shè)備的總供電電源，加入漏電保護(hù)器，提高安全性；加入浪涌保護(hù)器，增強(qiáng)浪涌抗擊能力，增加設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性；在水泵設(shè)備前加軟啟動(dòng)器，減少水泵突然啟動(dòng)和突然停止產(chǎn)生的“水錘”對(duì)管道的影響，使得水泵啟動(dòng)方式平緩穩(wěn)定。

（3）電源設(shè)計(jì)。電源需要12、5、3.3 V量級(jí)的電壓。其中，12 V是整個(gè)控制器和各類(lèi)傳感器的供電電壓，配有12 V鋰電池，在主電源斷開(kāi)后給系統(tǒng)供電；鋰電池為充電電池，主電源存在時(shí)給電池充電。5 V電壓主要是通信模塊、系統(tǒng)工作的驅(qū)動(dòng)電壓。3.3 V電壓主要為主芯片工作、程序下載調(diào)試模塊、程序外部看門(mén)狗等其他輔助功能模塊的供電電壓。

（4）人機(jī)交互系統(tǒng)。選擇LCD液晶顯示屏作為控制器的顯示屏，屏幕尺寸大，能夠?qū)τ盟?、用電量、農(nóng)戶信息、水費(fèi)、開(kāi)關(guān)泵時(shí)間、流速、用戶余額等進(jìn)行全面顯示，使農(nóng)戶能夠清晰了解灌溉數(shù)據(jù)，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。

（5）控制執(zhí)行部分。該部分是控制管理層和收費(fèi)管理層下發(fā)命令最終實(shí)現(xiàn)的一個(gè)執(zhí)行終端，主要功能是收到工作指令后實(shí)現(xiàn)水泵的開(kāi)啟和關(guān)閉，主要元器件包括繼電器及其驅(qū)動(dòng)器。

（6）傳感器部分?？刂破髦С植杉镩g傳感器數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)包括土壤墑情、水位、溫度、pH值、電導(dǎo)率等，傳感器采用RS485通信方式，協(xié)議為MODBUS-RTU。

（7）控制器整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。控制器整體釆用上中下分層式設(shè)計(jì)，上層主要放置刷卡器；中間層主要放置系統(tǒng)的控制部分元器件；下層主要放置電氣控制部分器件。通過(guò)分層設(shè)計(jì)，有效利用了控制器空間，同時(shí)將強(qiáng)電線路與弱電控制電路分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)水電分離，有效防止了相互干擾，提高了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)方便維護(hù)和安裝。

4 控制器的軟件設(shè)計(jì)

4.1 控制管理層軟件設(shè)計(jì)

控制終端程序運(yùn)行嵌入式Linux系統(tǒng)，在Eclipse開(kāi)發(fā)環(huán)境下通過(guò)安裝CDT插件，采用C/C++語(yǔ)言編程，主要實(shí)現(xiàn)用水計(jì)量采集、水費(fèi)計(jì)算、水權(quán)計(jì)算、傳感器采集，完成水泵、電動(dòng)閥門(mén)的遠(yuǎn)程控制。

控制器采用多任務(wù)的處理方式，主要有服務(wù)器通信進(jìn)程、業(yè)務(wù)進(jìn)程、顯示/按鍵/蜂鳴器進(jìn)程、傳感器采集進(jìn)程、電量采集進(jìn)程、水量采集進(jìn)程、日志進(jìn)程、IC卡操作進(jìn)程、GPRS操作進(jìn)程等，多個(gè)進(jìn)程間需要交互通信。其中，服務(wù)器通信進(jìn)程完成與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互，顯示/按鍵/蜂鳴器進(jìn)程主要完成界面顯示、人機(jī)交互功能，傳感器采集進(jìn)程主要完成外部傳感器包括土壤墑情、溫濕度、水位、水質(zhì)等信息采集，電量采集進(jìn)程主要完成智能電表信息采集，水量采集進(jìn)程主要完成流量計(jì)采集，日志進(jìn)程主要完成系統(tǒng)運(yùn)行日志記錄功能，IC卡操作進(jìn)程主要完成IC卡的刷卡、寫(xiě)卡功能，GPRS操作進(jìn)程主要完成底層GPRS網(wǎng)絡(luò)通信功能，報(bào)警進(jìn)程主要完成各種報(bào)警功能。控制器軟件運(yùn)行流程，如圖1所示。

圖1 控制器軟件運(yùn)行流程

4.2 通信管理程序設(shè)計(jì)

控制器采用MQTT物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議同上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)水泵的遠(yuǎn)程開(kāi)啟、關(guān)閉，實(shí)時(shí)采集水量、電量、水位、水質(zhì)、墑情等數(shù)據(jù)。MQTT基于消息主題通過(guò)“發(fā)布/訂閱”方式進(jìn)行通信，具有實(shí)時(shí)性、高效率、低功耗等特點(diǎn)，專(zhuān)為受限設(shè)備和低帶寬、高延遲或不可靠的網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)，十分適用于工作環(huán)境惡劣的野外機(jī)井。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)、采用MQTT物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議開(kāi)發(fā)的機(jī)井用水計(jì)量遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，手機(jī)App遠(yuǎn)程控制灌溉顛覆了傳統(tǒng)IC卡刷卡灌溉模式，為農(nóng)業(yè)灌溉用水提供了全新的服務(wù)模式?；诠蚕硭季S，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)農(nóng)戶利用手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程灌溉，提升農(nóng)業(yè)灌溉效率，為農(nóng)戶提供方便、快捷的用水服務(wù)，進(jìn)一步提高了農(nóng)業(yè)灌溉的智能化水平。該控制器操作簡(jiǎn)單，人機(jī)交互界面友好，可以有效落實(shí)農(nóng)業(yè)灌溉用水定額管理和總量控制的總體目標(biāo)，滿足農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革政策需求，下一階段將開(kāi)展產(chǎn)品轉(zhuǎn)化，完善產(chǎn)品功能，提高在野外環(huán)境下工作穩(wěn)定性，達(dá)到規(guī)?；a(chǎn)的目的。