基于移动互联技术的机井远程灌溉控制器设计与开发

田家宾，焦丽娜，史庆生

（天津市水利科学研究院，天津300061）

全国农业水价综合改革工作正在稳步推进[1]，做好用水计量工作是开展水价改革的重要基础。井灌区机井全面开展配套安装智能化计量设施，传统机井灌溉控制器采用IC卡刷卡方式取水。农户需多次往返田间与机井，距离较远实际操作繁琐，且机井灌溉为轮灌，IC卡灌溉无法实现预约灌溉，农户浇地排队等待时间长，遇到繁忙季节易引发矛盾。灌溉控制器不支持水权管理功能，无法控制超额用水机井和农户取水，不能有效落实农业灌溉定额用水要求，农民的节水意识淡薄，大水漫灌现象普遍存在[2]。

随着智能手机应用的普及和云计算技术的成熟，以移动端掌上服务为代表的移动互联技术和共享经济模式正快速发展，催生出众多全新的服务理念和服务方式，深刻改变着人们的生产生活。井灌区农田灌溉服务顺应社会发展趋势，创新服务理念，通过基于移动互联技术开发机井智能远程灌溉控制器，为农户提供手机远程灌溉的全新浇地体验。农户通过操作手机扫描机井二维码认证开泵，通过微信、支付宝第三方支付系统自助购水将成为一种更加方便快捷的灌溉方式。通过落实阶梯水价和水权分配加强用水过程管控，实现农业灌溉用水定额管理和总量控制目标，提高农民的节水意识[3]。

1 控制器的总体设计

创新服务模式，按照“互联网+”工作思路，基于移动互联技术和共享思维运营模式，以农业灌溉机井为共享资源，为每眼机井设置唯一标识的二维码，农户通过手机App扫码的方式实现远程灌溉。控制器支持预约灌溉功能，可提前确定灌溉时间、灌溉水量，省工省时，便捷智能，有效减少水事纠纷。

机井智能远程灌溉控制器满足农业灌溉机井用水计量和控制要求。控制器集二维码远程灌溉用水、IC卡刷卡灌溉用水、自动用水用电计量、水泵本地控制、防盗报警、远程监测控制等功能于一体，实现一体化多功能、一体化操作和一体化集成安装；同时，采用GPRS网络进行数据传输，上传至农业灌溉用水数据中心，支持自动报送和远程遥测相结合的模式[4]。

2 控制器的功能设计

机井智能远程灌溉控制器集机井用水量、用电量等数据自动采集、存储、传输以及水泵、电动阀门控制、水权控制于一体，为农业灌溉用水数据存储、查询、统计、分析提供支持[5]，主要具有以下功能。

（1）用水量和用电量计量。支持通过直接采集流量计和电表数据的方式进行计量；支持通过“以电折水”和“以时计水”水量换算的方式计量用水量。

（2）灌溉取水。支持手机App远程灌溉和IC卡刷卡灌溉2种方式。其中，手机App远程灌溉取水，用水户需提水灌溉时通过手机App扫描机井二维码启动机泵取水和停泵；IC卡刷卡取水由用水户手持IC卡刷卡启动机泵取水，再刷卡停泵。控制器根据取水量自动扣除水量，在已充值剩余水量达到报警值时自动告警，水量用完自动停机。

（3）水权管理。具有限制机井取水功能，农户或机井年累计取水量超过设定水权值，自动停泵。

（4）充值收费管理。支持手机App和IC卡2种充值管理方式。其中，手机App充值通过微信和支付宝第三方支付方式进行在线充值；IC卡充值收费支持IC卡“一井一卡”“一井多卡”“一卡多井”使用方式，通过充值收费管理系统对用水户IC卡进行充值。

（5）水泵控制。以取水量（或电量）为控制量，用水户通过手机App或刷IC卡控制水泵启闭，控制器在设备出现故障或事故时立即切断电源。

（6）信息传输。支持GPRS/3G/4G传输方式，采用固定IP模式上传至上位机自动报送和远程遥测相结合模式，实现远程查询遥测功能。

（7）参数远程配置。控制器设备可远程配置报送时间、时间间隔、“以电折水”系数及“以时计水”系数等参数。

（8）设备自检和故障诊断。当计量设施出现故障时自动监测，及时上报信息。

（9）备用电源自动切换。配备备用锂电池，外部电源有电状态下自动对备用电源充电，外部电源断电时备用电源能够自动切换，保证监测数据不丢失。

（10）保护功能。配备漏电保护、短路保护、过载保护、过压、欠压、输入缺相保护等安全保护功能，具备防雷击保护措施。

（11）存储功能。存储用户用水记录数据不小于10 000条。

3 控制器的终端硬件设计

控制器终端硬件主要包括主处理器、电器控制部分、电源、人机交互系统、控制执行部分和传感器部分[6]，控制器安装在机井首部。

（1）主控制器。主控制器采用ATSAMA5D36CU作为处理芯片。ATSAMA5D36CU是一款ARM Cortex A5内核的工业级芯片，带有USB2.0协议的USB HOST和Device接口，采用嵌入式ARM Linux，实现基于ARM的嵌入式Linux系统移植开发。

（2）电器控制部分。控制器电源由农用灌溉三相电380V作为设备的总供电电源，加入漏电保护器，提高安全性；加入浪涌保护器，增强浪涌抗击能力，增加设备的稳定性和可靠性；在水泵设备前加软启动器，减少水泵突然启动和突然停止产生的“水锤”对管道的影响，使得水泵启动方式平缓稳定。

（3）电源设计。电源需要12、5、3.3 V量级的电压。其中，12 V是整个控制器和各类传感器的供电电压，配有12 V锂电池，在主电源断开后给系统供电；锂电池为充电电池，主电源存在时给电池充电。5 V电压主要是通信模块、系统工作的驱动电压。3.3 V电压主要为主芯片工作、程序下载调试模块、程序外部看门狗等其他辅助功能模块的供电电压。

（4）人机交互系统。选择LCD液晶显示屏作为控制器的显示屏，屏幕尺寸大，能够对用水量、用电量、农户信息、水费、开关泵时间、流速、用户余额等进行全面显示，使农户能够清晰了解灌溉数据，增强用户体验。

（5）控制执行部分。该部分是控制管理层和收费管理层下发命令最终实现的一个执行终端，主要功能是收到工作指令后实现水泵的开启和关闭，主要元器件包括继电器及其驱动器。

（6）传感器部分。控制器支持采集田间传感器数据，采集的数据包括土壤墒情、水位、温度、pH值、电导率等，传感器采用RS485通信方式，协议为MODBUS-RTU。

（7）控制器整机机械结构设计。控制器整体釆用上中下分层式设计，上层主要放置刷卡器；中间层主要放置系统的控制部分元器件；下层主要放置电气控制部分器件。通过分层设计，有效利用了控制器空间，同时将强电线路与弱电控制电路分开，实现水电分离，有效防止了相互干扰，提高了系统运行稳定性，同时方便维护和安装。

4 控制器的软件设计

4.1 控制管理层软件设计

控制终端程序运行嵌入式Linux系统，在Eclipse开发环境下通过安装CDT插件，采用C/C++语言编程，主要实现用水计量采集、水费计算、水权计算、传感器采集，完成水泵、电动阀门的远程控制。

控制器采用多任务的处理方式，主要有服务器通信进程、业务进程、显示/按键/蜂鸣器进程、传感器采集进程、电量采集进程、水量采集进程、日志进程、IC卡操作进程、GPRS操作进程等，多个进程间需要交互通信。其中，服务器通信进程完成与服务器的数据交互，显示/按键/蜂鸣器进程主要完成界面显示、人机交互功能，传感器采集进程主要完成外部传感器包括土壤墒情、温湿度、水位、水质等信息采集，电量采集进程主要完成智能电表信息采集，水量采集进程主要完成流量计采集，日志进程主要完成系统运行日志记录功能，IC卡操作进程主要完成IC卡的刷卡、写卡功能，GPRS操作进程主要完成底层GPRS网络通信功能，报警进程主要完成各种报警功能。控制器软件运行流程，如图1所示。

图1 控制器软件运行流程

4.2 通信管理程序设计

控制器采用MQTT物联网通信协议同上位机进行实时的数据交互，实现水泵的远程开启、关闭，实时采集水量、电量、水位、水质、墒情等数据。MQTT基于消息主题通过“发布/订阅”方式进行通信，具有实时性、高效率、低功耗等特点，专为受限设备和低带宽、高延迟或不可靠的网络而设计，十分适用于工作环境恶劣的野外机井。

5 结语

本文提出了基于移动互联技术、采用MQTT物联网通信协议开发的机井用水计量远程控制系统，手机App远程控制灌溉颠覆了传统IC卡刷卡灌溉模式，为农业灌溉用水提供了全新的服务模式。基于共享思维，系统实现农户利用手机进行远程灌溉，提升农业灌溉效率，为农户提供方便、快捷的用水服务，进一步提高了农业灌溉的智能化水平。该控制器操作简单，人机交互界面友好，可以有效落实农业灌溉用水定额管理和总量控制的总体目标，满足农业水价综合改革政策需求，下一阶段将开展产品转化，完善产品功能，提高在野外环境下工作稳定性，达到规模化生产的目的。