基于射频技术的农业智能灌溉案例研究

张锋

(中南林业科技大学计算机与信息工程学院,湖南长沙410004)

基于射频技术的农业智能灌溉案例研究

张锋

(中南林业科技大学计算机与信息工程学院,湖南长沙410004)

基于射频IC卡的节水灌溉控制系统，实现灌溉用水的智能控制、用水量自动计量及水费预交缴等功能。射频IC卡在系统中作为信息传输的介质，将控制和管理有机结合起来。射频IC卡在下位机实现水泵的开启/关闭和水量计量等控制功能，在上位机实现购水、查询、统计等管理功能。水利部门对取用地下水及地表水资源的用户安装射频IC卡系统，可统筹调配当地水资源，实现水资源管理的科学化、规范化、节约化，达到计划用水、节约用水的目的。

智能灌溉；射频控制；刷卡系统

1.引言

水利是农业的命脉，粮食的增产往往是通过灌溉面积的增加来实现的。目前全国1.3亿HM3的耕地面积中，水田、水浇地占0.5亿HM2，不足40%，而生产的粮食却占全国粮食总产量的80%。然而，灌溉面积的增加已受到水资源总量和用水结构变化的双重制约。

2011年国务院出台的《全国节水灌溉发展“十二五”规划》和《大型灌区续建配套和节水改造“十二五”规划》提出，到2015年，力争全国新增高效节水灌溉面积达1亿亩，全国70%大型灌区和50%中型灌区完成配套续建和节水改造任务，共涉及灌溉面积近2.83亿亩。根据两项规划，国家财政“十二五”期间每年投入高效节水灌溉领域的扶持资金至少将达200亿元。相关专家指出，上述规划拟定的“十二五”高效节水灌溉目标，比2012年中央“一号”文件提出的5000万亩数字高出一倍，凸显出政策对于“十二五”期间大力发展节水灌溉业的重视。

因此发展农业的根本出路在于节水。节水灌溉已不仅仅是技术问题，而是直接关系到农业发展的根本，是实现水资源的可持续利用战略和实现从粗放到集约经营战略的具体体现。

现阶段，我国农田机井灌溉系统末端很多地区采用手动开关水泵、人工计量计费的方式。这种作业方式存在的问题是：不便于水资源的快捷调度；不能及时收取水费；用水量计量精度低，易引发矛盾；容易造成水资源的浪费；管理人员的野外劳动强度大．

有鉴于此，本设计基于射频IC卡的节水灌溉控制系统，实现灌溉用水的智能控制、用水量自动计量及水费预缴等功能。射频IC卡在系统中作为信息传输的介质，将控制和管理有机地结合起来。射频IC卡在下位机实现水泵的开启／关闭和水量计量等控制功能，在上位机实现购水、查询、统计等管理功能。水利部门对取用地下水及地表水资源的用户安装射频IC卡系统，可统筹调配当地水资源，实现水资源管理的科学化、规范化、节约化，达到计划用水、节约用水的目的。

本文研究的主要内容是根据射频识别的原理，结合现场情况规划实现方案,设计射频IC卡供水自动计量控制器，并且在开发的智能刷卡灌溉终端上，实现基于WINCE的触摸屏人机界面。系统采用MCGS显示屏，支持Microsoft开放数据库互连（ODBC）接口，有强大的数据库链接能力。本文从软硬件两方面介绍触摸屏驱动程序的实现，给出了在WINCE操作系统下调试触摸屏驱动的通用方法，并应用于智能灌溉系统。

2.系统组成

整个系统由主控芯片、射频模块、存储器，语音芯片、时钟芯片、显示模块、水流量传感器以及电机保护和控制电路几大部分组成，如图所示。

图1 系统硬件框图

主控芯片采用c8051f340，c8051f340具有精确校准的12MHz内部振荡器和4倍时钟乘法器、64KB的片内FLASH存储器、352字节片内RAM（256+4KB）、硬件实现的SMBUS/I2C、增强型UART（最多两个）和增强型SPI串行接口、4个通用的16位定时器。具有5个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）片内上电复位、VDD监视器和时钟丢失检测器、40个端口I/O（容许5V输入），具有片内上电复位、VDD监视器、电压调整器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F340是真正能独立工作的片上系统。

(2)射频模块中，处理射频器的芯片采用MFRC500。Philips公司的 MF RC500是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成读卡IC系列中的一员。该读卡IC系列利用先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MF RC500支持ISO14443A所有的层，内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动操作近距离的天线（可达100mm）；接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路，用于ISO14443兼容的应答器信号；数字部分处理ISO14443A帧和错误检测。此外，它还支持快速CRYPTOI加密算法，用于验证Mifare系列产品。方便的并行接口可直接连接到任何8位微处理器，给读卡器/终端的设计提供了极大的灵活性。MF RC500可方便地用于各种基于ISO/IEC 14443A标准并且要求低成本、小尺寸、高性能以及单电源的非接触式通信的应用场合。

MF RC500内部包括并行微控制器接口、双向、FIFO缓冲区、中断、数据处理单元、状态控制单元、安全和密码控制单元、模拟电路接口及天线接口。MF RC500的外部接口包括数据总线、地址总线、控制总线(包含读写信号和中断等)和电源等。MF RC500的并行微控制器接口自动检测连接的8位并行接口的类型。它包含一个易用的双向FIFO缓冲区和一个可配置的中断输出,为连接各种MCU提供了很大的灵活性。即使采用成本非常低的器件也能满足高速非接触式通信的要求。数据处理部分执行数据的并行—串行转换。支持的帧包括CRC和奇偶校验。MF RC500以完全透明的模式进行操作． 因而支持IS014443A的所有层。状态和控制部分允许对器件进行配置以适应环境的影响,并将性能调节到最佳状态。

（3）非接触式IC卡选用Mifare one射频IC卡，其内部包括高速CMOS EEPROM、数字逻辑模块和高效率射频天线模块，卡片无源，工作时使用的电源能量由卡片读写器天线发送无线电载波信号耦合到卡片上的天线产生。Mifare one卡片的存储容量为IK*8位字长，采用EEPROM作为存储介质，整个结构划分为16个扇区，每个扇区4个块，每个块包含16个字节，全部存储空间共有64个块。Mifare one卡的存储结构如表1所示。

在Mifare one的64个块中，扇区0的第0块用于存储该卡的序列号和生产厂商的标志信息，该块是只读。其余扇区的块0、块1和块2用于保存数据，块3用于对该扇区的控制，被称为控制块。表1 Mifare one内部存储结构。在这16个字节中，包括了密匙A、B和控制字三种结构。

（4）射频IC卡读写模块采用PHILIPS公司的非接触技术设计的微型嵌入式非接触式IC卡读写模块，内嵌MF RC500射频基站，整个模块也是采用llC协议与主控芯片进行数据通信。

（5）电机控制系统由交流接触器完成，交流接触器通过主控芯片的P1．61sIIN接控制，同时还受到电机保护系统的控制，电机保护系统中交流互感器采集到电流信号并加以分析处理，当电机供电系统中出现缺相、倒序、过流、欠压等不正常情况时电机保护系统采取保护措施断开交流接触器。

（6）流量传感器采用灵敏度较高的涡街流量传感器，它的脉冲信号经光电耦合传给主控芯片的TO口。

（7）交流固态继电器实现单片机电路与水泵电机电路的可靠隔离:当刷卡确认取水时，单片机输出高电平，固态继电器接通，启动水泵抽水;当再次刷卡或卡中余额不足时，单片机输出低电平，固态继电器断开，水泵停止抽水。

3.计费控制系统工作流程

用户用水情况进行自动计量，采用脉冲式远传水表器件，该脉冲水表安装在水泵出水口过滤器之后的干管上，每流过1m3的水即发送一个脉冲信号，单片机通过对脉冲进行记数，软件根据单片机采样的脉冲，进行实时计算、累加，最后得到用户用水量，完成计量工作，进而扣除用户相应的水费。

图2 射频计费控制示意图

计费系统控制流程：流量传感器采集的脉冲信号送到主控芯片记录脉冲数量并进行换算、计量出用水量和费用，并更新数据到EEPROM以防止中途非正常断电，根据射频IC卡读出的用户信息控制机井电机的工作状态。如下图所示：

刷卡主程序主要完成系统的初始化，循环检测射频IC卡读写器的天线周围是否有卡，读取卡上的数据，存储数据，记录脉冲，计算用水费用，显示用水量及余额。本系统主要存储的数据有：四字节的用户卡编号、六字节的密码、五字节的金额。

4.结语

本系统应用于农田灌溉，与原有设备相比具备了预付费、刷卡取水、按水（电）计量、自主消费、人机界面交互功能。用户只要用手指轻轻地指碰显示屏上的图符或文字，就能实现对水泵进行操作，从而使人机交互更为直截了当，同时使水（电）计量实时更新在显示屏，具有快速感应与精确定位的特点，集声音、图像、文字于一体，具有方便直观、图像清晰、安全防护系统稳定、易于交流和节省空间等特点。使农田机井应用和管理水平得以提高，不仅实现了预付费后自主刷卡浇地，并且实时信息都已以可触摸的形式出现，极大地方便了那些不懂电脑操作的用户。

[1]王友贞,汤广民.节水灌溉与农业可持续发展[J].节水灌溉, 2005,(2):33～34.

[2]徐爱钧,彭秀华.KeilCx5l V7.0单片机高级语言编程与uVision2应用实践[M].北京:电子工业出版社.2004.

[3]龚建伟,熊光明.Vision C++/Turbo C串口通信编程实践[M].北京:电子工业出版社,2004.

[4]张武.无线通信模块PTR8000在温室环境监测中的应用[J].农业网络信息,2007,(2):29-31.

图3 刷卡读写程序流程图

[5]刘建翔,董浩斌.基于PTR8000的无线数据传输系统设计[J].科技情报开发与经济,2006,16(6):232-233.

[6]张迎新等.单片微型计算机原理、应用接口技术(第2版)[M].北京:国防工业出版社,2004.

[7]曹成茂,夏萍,朱张青.无线数据传输在节水灌溉自动控制中的应用[J].农业工程学报,2005,21(4):127-130.

[8]武聪玲,滕光辉,李长缨.黄瓜幼苗生长信息的无损监测系统的应用与验证[J].农业工程学报,2005,21(4):109-112.

[9]罗锡文.精细农业中农情信息采集技术的研究进展[D].北京:数字农业技术与标准研讨会,2005.

[10]伍德林,毛罕平.温室作物需水信息指标及湿度控制策略研究进展[J].中国农村水利水电,2007,(l):4-35.

[11]段爱旺,孟兆江.作物水分信息采集技术与采集设备[J].中国农业科技导报,2007,9(1):6-14.

[12]陈海涛,房川等.TDR3000在测量土壤水分中的应用[J].生命科学仪器,2007,5(10):51-52.

[13]张冬梅,池宝亮等.土壤水分时域反射仪自制探头的校正[J].山西农业科学,2007,35(2):52-54.

[14]回楠木,乔晓军,.Zigbee无线农田采集控制系统的实现方案[J].农机化研究,2008,（2）：69-72．

[15]刘淼.嵌入式系统接口设计与Linux驱动程序开发[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006．

[16]Samsung Electronics.User’s Manual S3C2410X 32－Bit RISC Microprocessor[Z].Korea：2003.15-42．

TP391

A

1671-5136(2014)04-0133-03

2014-10-18

张锋（1980-），男，湖南宁乡人，中南林业科技大学计算机与信息工程学院2013级硕士研究生。