农田节水灌溉计量控制系统研究

摘 要：为加速实现我国农业灌溉系统的现代化、标准化，改善目前我国农业灌溉产业收费混乱和计量系统不统一的情况，根治无意义的水资源浪费和胡乱开采问题，设计出一套节水计量灌溉系统。该系统通过与数据库技术的深度融合，同时结合IC卡射频技术和单片机自动控制技术，集成了购水、购电、用户信息采集等功能。基于此，本文对该系统进行介绍，以促进农业发展，促进农业用水系统现代化。

关键词：灌溉系统;用户体验;现代化

我国是世界上水资源稀缺的国家之一，其中农业灌溉用水占据了水资源利用的较大比例，但是我国对于水资源的利用率却远不及一些主流的发达国家，且农业用水利用率仅为这些国家的1/2左右。因此，利用农田节水灌溉计量控制系统提升我国农业用水的综合利用率是非常迫切的现实需求，也符合我国的基本国情。

一、系统组成

农田节水灌溉计量系统基本由灌溉控制器、射频IC卡及用户信息管理设备组成。灌溉控制器可以借助计量模块实现对用户耗水量、耗电量的精准监控;射频IC卡可以实现用户和控制器之间的数据传输;而射频IC卡的充值则由用户信息管理设备完成，且用户通过在控制器刷卡实现身份识别也同样利用了用户信息管理设备。灌溉控制器分为2种模式，分别为手动和自动，系统可以智能记录水量和电量的消耗，自动扣除余额，最后由IC卡读写模块将余额记录在卡中，完成整个灌溉流程[1]。

（一）系统原理

最初用户可以在系统管理人员的操作下在卡中充入预设金额，在刷卡灌溉时，该卡便会自动锁定，只能同时在一个机井实现操作功能，待灌溉结束后用户的用水量、用电量等实时数据记录在射频IC卡后，该卡才能在别处使用。

用户刷卡完成身份识别时机器会自动显示卡内剩余的水量和电量，当水量和电量接近临界值时灌溉便会自动停止，待用户重新充值，超过临界值才会恢复灌溉。

针对不同的用水需求系统设定了阶梯水价，遵从超出的部分适当加价，对节约用水的用户适当减免费用的原则。将用水量分为低档和高档，系统自动判断用户用水的额度从而结算出用户应支付的价格，每月在系统管理员处结算费用时用水量处于低档的用户会享受到相应的优惠奖励，而对于用水量高档的用户则会适当提高水的单价，保证收费过公开透明。

如果发生不慎丢失卡的情况，用户可第一时间在系统管理员处请求挂失该卡，挂失后再次使用该卡需要额外进行身份认证，卡若遗失无法找回则可申请重新办理新卡。同时，可将旧卡上储存的用户信息及余额充入新卡中，方便用户继续使用。整个过程保障了用户的个人信息不被泄露，极大地提高了农田节水灌溉计量系统的实用性和安全性。

（二）硬件设计

系统硬件电路由单片机、外部存储器、电源模块、土壤湿度检测模块、继电器控制模块、水量计量模块、人机交互模块及射频IC卡读写模块组成。电源模块负责提供系统需要的稳定电压;射频IC卡读写模块用于实现读入、写出操作;人机交互模块可以让用户方便直观地看到灌溉信息的动态展示;水量计量模块负责信号的转化，将系统内的水、电流量转化为机器可以识别的脉冲信号;单片机实时记录脉冲数量并按照一定的算法计算出相关费用;土壤湿度检测模块定时采集土壤内的水分含量、湿度等信息并将信息传递给微处理器，帮助决策灌溉方式;外部存储模块不间断更新用户信息，避免因为各种突发性意外而导致用户信息丢失;继电器控制模板专门接收信号，控制相关机器运作。

1.中央处理器与外部存储模块

中央处理器选择STC15W4K60S4单片机作为农田节水灌溉计量系统的微处理器，其优势在于不仅可以快速稳定地实现各种数据处理，同时还可以保持低功耗平稳运行，速度相较传统8051有高达10倍地明显提升，并且可在指令代码移植性较强的情况下保证足够的安全性和保密性，外来设备很难破解，抗干扰能力强，可以在复杂环境下顺利工作。

为了防止灌溉过程中出现突发意外情况导致用户数据丢失或要记载一些重要信息，如用水量、电费等，系统需要额外设立一个独立的模块用以处理意外状况。而外部存储模块恰好能解决这些问题。

2.人机交互模块

人机交互模块作为人与系统之间连接的枢纽起到了很重要的作用，通过这一模块可以按照人们的需求调节系统各项参数，也可以实时了解系统运行状况。考虑到系统的实用性，可采用DMT80480C050DGUS屏幕作为农田节水灌溉计量系统的显示终端接口，采用了800×840分辨率，在同等系列产品中拥有较好的显示效果，方便用户查看各种信息，也支持触控操作，操作难度较低，能降低用户的操作门槛。

3.电源模块

电源模块作为为系统输送电能的重要组成部分，必须实现稳定输出来确保其他模块正常运作。由于农田灌溉使用的机泵采取的是电压较高的380 V三相交流电源，不同于系统电路中的5 V或12 V，因此需要借助变压器和开关电源将其转变为12 V直流电才能正常使用。

直流电源经过的是LM2576降压型开关稳定器，可以取代过去使用的三端线性稳压器。LM2576稳定器具有较小的电压调整率和电流调整率，负载驱动力达到3 A，可以应对日常工作中常见的电压情况。为了防止高温或电路过载对电路造成破坏，该芯片内部设置了相应的保护系统，在使用其重新设计电路时不必重新接入外部元器件，降低了操作成本，且正常范围内造成的正常误差不会妨碍系统的正常运作。

4.射频IC卡读写和接口电路设计

当IC卡被系统识别时需要进行相关的读入写出操作，农田节水灌溉计量系统使用的是YMC-150系列读写模块，其内部支持相关的ISO14443A协议，支持Mifare1 S50/S70卡片，曾被广泛应用于高校一卡通等需要频繁识别的场景，借由RS485便可直接执行相关的操作，无需遵守复杂的通信协议。该读卡器工作电压不超过12 V，同时工作电流上限为100 mA，工作频率为13.56 H，用户设置的波特率为4 800～115 200 Bite/s，内部集成了LED指示灯和蜂鸣器。

5.土壤湿度检测模块设计

农作物需要的水分主要来自于土壤，这部分水分便是系统需要收集的重要信息。高精度FDR-100型土壤湿度传感器广泛应用于各个领域，如农业滴灌、温室作物和科学试验等，其具有传感精度高、稳定性好、使用寿命长等特点，可以在各种复杂的环境中正常使用，非常适合应用于农田节水灌溉计量控制系统。

二、节水灌溉系统发展趋势

虽然我国在农田节水灌溉计量控制系统建设方面不断发展进步，但当前仍然落后于国外先进的灌溉系统，但国外灌溉系统价格昂贵，不能大批引进，因此，只有制造出本土化的灌溉系统才真正符合我国的环境和国情。但现阶段，我国的灌溉技术仍处于摸索阶段，普及度低，且价格并未下调到合理范围，很难被多数用户接受。

随着我国农业不断发展，农业灌溉领域已经吸纳了大量资金，同时也取得了较大进步。此外，新时代农民开始重视科技的应用，改变了旧有观念，开始尝试使用新技术，促进了农田灌溉系统在国内的发展。因此，农田节水灌溉计量控制系统具有广阔的发展前景，应加大研究力度并大力推广普及。

三、结语

农田节水灌溉计量控制系统结合IC卡射频技术、土壤湿度检测技术等众多创新科技，实现了灌溉系统的自动化和精准化，逐渐完善的灌溉系统和人性化的操作都使得灌溉系统越来越被用户所接受。因此，在政府的帮助和扶持下，农田节水灌溉系统一定会顺利拓宽市场，在国内大范围普及，进而推动我国农业现代化发展[2]。

参考文献：

[1]方正，徐晓辉，苏彦莽，等.农田节水灌溉计量控制系统的研究[J].江苏农业科学，2018（2）：173-175

[2]孟炜.农田灌溉用水趋势及节水措施分析[J].水能经济，2018（1）：132.