水电双计节水灌溉RTU的设计

白志峰　徐晓丹

摘 要：本文阐述了一款水电双计节水灌溉RTU，该设备以LPC1763为控制核心，采用射频卡作为计费载体供用户与设备交互信息，设计有多种通讯接口，可以和各类电表水表连接，方便实现费用计量;设计有液晶显示和语音提示，可以方便提示用户，采用了大容量存储器和无线通讯模块，设计有多路模拟量采集接口，可以方便对水位、墒情等信息实现实时采集。

关键词：节水灌溉 水电双计 射频卡 语音提示 数据上传

目前，水资源短缺已经成为全球性问题，节约利用水资源已成为可持续发展的首要任务。全球农业用水约占总用水量的70%，我国作为一个农业大国，在农田节水灌溉方面存在着节水意识不强、技术落后、缺乏监督激励机制、资金投入相对缺乏等问题，从农业用水上做好节约用水显得尤为重要，鉴于此，我国政府提出了加速开发和推广高效节水灌溉技术。

本文设计的水电双计节水灌溉RTU主要从灌溉用水用电计费方面来进行控制，实时监测用户的用水、用电、地下水位和墒情信息，并根据这些信息进行计费，以增强用户的节水意识。该设备采用射频卡方式实现人机交互，操作非常方便，设备具有无线通讯功能，可以远程配置参数或远程升级程序，极大地提高了应用的便利性。

一、硬件设计

本水电双计节水灌溉RTU由微控制器、存储器、实时时钟、液晶显示、语音提示、射频控制、无线通讯、模拟量采集、开关量采集、继电器输出、仪表接口等部分组成，硬件电路结构框图如图1所示。

（一）微控制器

微控制器采用NXP半導体公司的LPC1763FBD100，该芯片集成了I2C接口和SPI接口，有4路UART接口，多路AD转换器，方便实现对水位、墒情的模拟信号的采集，芯片集成有70个GPIO，可以非常方便地实现多路开关量的采集和输出。

（二）电源

采用TI的宽范围输入电源芯片LM2576HV-5.0、LM2576HV-ADJ，该电源芯片可以稳定的实现对较宽输入电压范围的直流电源到指定直流电压的电源转换，输入的直流电源范围可以从直流7V到直流60V，采用广州金升阳公司的电源隔离模块IF0505S-1W，SP1117-3.3电源芯片将LM2576HV-5.0输出的5V电源转换为3.3V电源。

（三）存储器

Flash采用华邦电子研发生产的W25Q64，该Flash芯片容量为64Mbit，可以方便的实现灌溉记录的存储，芯片采用SPI通讯接口和微控制器连接通讯。铁电存储芯片采用富士通半导体生产的MB85RC64A，I2C接口与微控制器连接通讯，读写速度快，没有写延时。

（四）实时时钟

NXP半导体研发生产的PCF8563，与微控制器之间采用I2C总线通讯，外部需要连接32.768kHz的晶振，该芯片采用3V纽扣电池和5V电源双重供电的方式供电，当RTU电源有电时由RTU上的5V电源供电，当RTU断电时，自动切换为3V纽扣电池供电，确保实时时钟一直处于正常运行状态。

（五）液晶显示

RTU的液晶显示采用天马提供的128X64的黑白点阵屏，采用串行接口和微控制器连接通讯。

（六）语音提示

水电双计节水灌溉RTU设计了语音提示电路，该电路采用广州九芯电子的NVC040芯片，可以直接驱动0.5W的喇叭，与微控制器采用两线串口连接。

（七）射频控制

采用复旦微电子的FM17520作为射频卡控制电路的控制芯片，可以实现13.56MHz下的非接触读写操作，支持符合ISO/IEC 14443 TypeA/MIFARE协议的非接触读写器模式。控制电路如图2所示，其中FM17520和微控制器之间采用SPI通讯接口，并由微控制器控制FM17520的复位管脚（NPD管脚）信号，FM17520使用27.12MHz的高精度晶振，电路右侧为射频匹配网络，最右侧ANT处为射频天线，这里采用PCB射频天线。

射频卡采用标准的MF1S50卡，当射频卡片靠近射频天线区域（距离小于100mm）时，射频卡内部电路接收到天线发出的射频信号获得电能开始工作，二者通过射频进行数据交互，从而实现射频卡的读写操作。本设计中将射频卡分为4种，分别是用户卡、管理卡、清零卡和设置卡。用户卡由灌溉用户持有，存储用户的费用信息，用于启停灌溉计费使用。管理卡、清零卡和设置卡都由管理员持有，用于强制启停灌溉、清除RTU累积数据和设置参数，所有卡片都由管理员使用管理机统一设置发放，确保数据安全可靠。

（八）模拟量采集

在RTU电路中设计了2路模拟量采集，可以分别采集地下水位和土壤墒情。

（九）开关量采集

采用微控制器的普通IO口实现采集，外围采用电平处理电路，使状态输入电压不超过微控制器的正常输入范围。

（十） 继电器输出

采用宏发的超小型大功率继电器HF7FD，该继电器可以实现对250V、16A交流电的开关切换，输出触点主要用于控制外部大功率交流接触器的驱动线圈。

（十一）无线通讯

采用有人科技的USR-GM3无线通讯模块，该模块与微控制器采用Uart接口连接。

（十二）仪表接口

设计有RS485和脉冲输入两种，脉冲计量接口和开关量接口基本一致，RS485接口电路则采用ADM2483芯片，该芯片可以实现电磁隔离，与微控制器对应的Uart0接口连接。

二、软件设计

（一）工作流程

水电双计节水灌溉RTU通过射频卡与用户交互信息，当检测到有效用户刷卡操作时，RTU根据用户卡内的余额情况判定是否启动灌溉，若启动灌溉则开始记录灌溉用水、用电信息，根据设定的费用计算方式计费，同时语音显示同时提示相关信息，具体流程如图3所示。

（二）计费设计

RTU的计费方式和计费单价可以用设置卡在现场设置，也可通过GPRS远程设定。默认为按用水量计费，可以设定为灌溉用电量计费或灌溉用时计费，也可以设定为这几种计费方式的组合计费。

（三）数据上传设计

RTU设计有自动数据上传功能，无线网络正常时，RTU在启停灌溉操作时自动上传灌溉信息。为了确保服务中心能够及时获取最新的灌溉信息，在RTU的铁电存储器中预留了400个byte的空间用于存储灌溉记录上传状态信息。上传灌溉记录时自动将对应的记录的标志位置1，如果收到上位机返回的确认数据则将该标志位清零，表示该记录上传成功。如果没有收到确认信息，则每隔10分钟重新上传一次。如果重传3次还没有成功，则不再重新上传该记录，并将网络状态确认为故障状态，待网络恢复正常后，则重新上传没有成功上传的灌溉记录。

三、测试

经过大量的测试发现，刷卡1000次的启停灌溉的成功率可以达到100%，各种计费方式下的灌溉用水、灌溉用电、灌溉用时、灌溉费用等信息误差均小于0.5%。灌溉记录、意外断电等情况下的灌溉记录都能完好保存，设计的灌溉记录自动上传等功能在无线网络正常的情况下也都能准确实现。网络故障时的灌溉记录在网络恢复后也都能实现准确的补传，完全满足水利部科技推广中心的文件要求。本RTU现在已经进行了小批量的试产，并在多个农田灌区进行了实际应用验证，运行稳定性和实用性也得到一定程度的验证。

四、结语

本RTU特别针对节水灌溉设计，采用射频卡实现人机交互，具有液晶显示和语音提示功能，优化了人机交互。设计有多种仪表接口，方便与计量水表、电表的连接。还有大容量存储器，方便实现本地大容量灌溉记录存储。由于采用了灵活的计费措施，对用户的节水意识有了一定的提高，具有无线通讯模块，可以非常方便地实现远程控制。设计的灌溉记录数据自动上传功能可以及时地将灌区的灌溉信息上传到数据中心，非常适合在节水灌溉工程中推广应用。

参考文献

[1]刘晓.节水灌溉控制技术研究综述[J].电子世界，2019.

[2]聂圣杰，聂鑫鑫，张俊峰.农田灌溉用水趋势及节水措施[J].河南水利与南水北调，2018.