基于水利通信規(guī)約的農(nóng)業(yè)用水計量系統(tǒng)設計

周扣明，周志恒，賈 培

（1.南通遠控自動化技術有限公司，江蘇 南通226002；2.河海大學物聯(lián)網(wǎng)工程學院，江蘇 常州213022；3.海安市水利局，江蘇 海安226600）

1 引言

我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)提水泵站的用水計量采用按時計量的方式完成，操作結果和實際用水量有較大的差異。在江蘇地區(qū)，中小型灌區(qū)較多，其中提水泵站數(shù)量眾多且分布較為分散，若各個泵站全部采用人工管理，不僅效率低下，還存在人工成本高、容易出錯的問題，更加難以實時地顯示各個提水泵站的相關信息，歷史數(shù)據(jù)的查詢也有諸多不便，對泵站的統(tǒng)一管理構成巨大阻礙。

無線通信技術已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等領域，極大節(jié)省了人工成本[1]?；?G技術的農(nóng)業(yè)用水監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的遠距離傳輸，使計量終端與服務器之間建立起可靠的通信，從而保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸[2-3]。在此設計一套農(nóng)業(yè)用水監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)各站點用水信息的可視化和數(shù)據(jù)管理的智能化。

2 水文監(jiān)測數(shù)據(jù)通信規(guī)約

水文監(jiān)測數(shù)據(jù)通信規(guī)約是由水文局制訂的規(guī)范。其中，針對江河湖海等水文環(huán)境，對各種監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中的通信接口及通信協(xié)議作了詳細規(guī)定，包括監(jiān)測終端與數(shù)據(jù)采集節(jié)點傳感器的接口和通信協(xié)議（數(shù)據(jù)采集通信規(guī)約）、監(jiān)測站與數(shù)據(jù)中心站之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議（報文傳輸規(guī)約）等。該規(guī)約并不詳盡，而僅是規(guī)定出一個框架，具體的內(nèi)容會在框架基礎上進一步填充。

本設計系統(tǒng)的電流、電壓傳感器采用RS-485通用通信接口。通信協(xié)議采用Modbus-RTU協(xié)議，該協(xié)議的數(shù)據(jù)幀基本格式分成四個部分，分別為頭部地址（1字節(jié)）、中間功能代碼（1字節(jié)）、數(shù)據(jù)體（不定長）、尾部校驗碼（2字節(jié)）。

在此報文幀結構框架基礎上，采用HEX/BCD報文編碼結構，選擇適宜的報文正文、要素編碼組合，并確定合適點的單幀報文長度。其中主機接收端亦采用相同的功能碼、編碼要素及標識符。所設計出的具體數(shù)據(jù)幀結構由表1給出。

表1 數(shù)據(jù)幀結構設計

3 系統(tǒng)結構設計

所設計的基于水利通信規(guī)約的農(nóng)業(yè)用水監(jiān)測系統(tǒng)由終端監(jiān)測設備、數(shù)據(jù)通信鏈路和上位機三部分構成，系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構框圖

系統(tǒng)硬件部分主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊和通信模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊主要包括電流、電壓互感器，用于采集提水泵站中水泵狀態(tài)及耗水量；數(shù)據(jù)處理模塊主要采用STM32芯片，用于對采集數(shù)據(jù)進行處理，通過電水轉(zhuǎn)換計算耗水量；顯示模塊包括LCD和LED，以LED顯示水泵工作狀態(tài)等信息，以LCD屏幕顯示耗水量等信息；通信模塊主要用4G模塊實現(xiàn)，具有技術成熟、工作穩(wěn)定、使用方便等優(yōu)點。系統(tǒng)硬件設計的總體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

計量終端的程序運行流程按圖3所示設計。

圖3 計量終端程序運行流程圖

由MCU對各個模塊的初始化函數(shù)進行調(diào)用，判斷芯片內(nèi)是否存儲數(shù)據(jù)，若存在數(shù)據(jù)則讀取相關數(shù)據(jù)，并進行替換，若無數(shù)據(jù)則判斷是否觸發(fā)了485接收中斷。當請求接收中斷時，終端通過RS485接收服務器端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并進行解析和儲存，否則通過數(shù)據(jù)采集模塊獲取水泵數(shù)據(jù)[4-5]。若電流超過閾值，則對相應的計時器進行使能操作。電能計量芯片結合傳感器采集的電壓、電流大小進行電量計算；MCU則根據(jù)耗電量-水量轉(zhuǎn)換法模型進行耗電量-供水量數(shù)值的轉(zhuǎn)換[6]。最終，當計數(shù)器的數(shù)值達到了上傳時間間隔，由MCU進行數(shù)據(jù)上傳，否則繼續(xù)執(zhí)行之前各步操作。

各終端設備通電運行后，對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，將耗電量轉(zhuǎn)化為用水量，并以設計好的數(shù)據(jù)幀及時將結果發(fā)送給4G模塊。4G模塊將這些數(shù)據(jù)以安全的TCP協(xié)議發(fā)送給服務器。服務器接收符合數(shù)據(jù)幀格式并通過CRC校驗的數(shù)據(jù)，進行解析，最終將解析的各項信息儲存到數(shù)據(jù)庫中，以便查詢和管理。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)發(fā)送與接收流程圖

4 系統(tǒng)實際搭建與測試

本監(jiān)測系統(tǒng)在PC端采用B/S架構。與C/S架構相比，B/S架構系統(tǒng)可以在任何地方進行操作而不用安裝任何專門的軟件，用一臺聯(lián)網(wǎng)的電腦就可使用，不用安裝客戶端，免于耗費精力維護，同時注重擴展功能，節(jié)約開發(fā)成本[7]。軟件使用Java語言開發(fā)于IDEA，并采用Mysql數(shù)據(jù)庫，最終搭建起如圖5所示的架構[8-9]。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)架構示意圖

用戶在客戶端（瀏覽器頁面）提交表單操作，向服務器發(fā)送請求，等待服務器響應。服務器端接收并處理請求，對請求進行數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生響應[10]。由服務器端把用戶請求的數(shù)據(jù)（累計時間、流量、水量、瞬時電量等信息）返回給客戶端，在瀏覽器上解析執(zhí)行HTML文件，呈現(xiàn)出用戶界面[11-12]。系統(tǒng)最終可實現(xiàn)的在線監(jiān)測功能及其能顯示的數(shù)據(jù)項如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)功能及顯示數(shù)據(jù)項

所設計系統(tǒng)經(jīng)實際搭建，在江蘇某市某泵站進行試用，對供水進行功能測試。圖7為監(jiān)測設備現(xiàn)場安裝實物圖。裝置安裝在動力柜附近，方便對水泵電機的電壓電流進行采集。供電來源于配電柜，可通過裝置附近的空氣開關進行裝置的開關控制。圖8為系統(tǒng)運行界面，展示了各提水泵站水泵的工作狀態(tài)，包括實時耗電量和實時耗水量、累計耗電量、累計工作時間等。經(jīng)實際測試，該套系統(tǒng)高效地實現(xiàn)了對提水泵站實時運行情況的全面監(jiān)控。

圖7 監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場安裝實物圖

圖8 監(jiān)測系統(tǒng)運行界面

5 結束語

以江蘇某市農(nóng)業(yè)用水計量存在的問題為研究背景，設計并實現(xiàn)一套基于水利通信規(guī)約的農(nóng)業(yè)用水監(jiān)測系統(tǒng)，借助于傳感器、微機處理及4G遠程無線通信技術，實現(xiàn)泵站供水量的實時監(jiān)測。系統(tǒng)在常規(guī)聯(lián)網(wǎng)的PC機上通過瀏覽器即可實現(xiàn)功能，在正式工作中所收集到的海量數(shù)據(jù)，可為農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)研究提供支持，提高農(nóng)田水利智能化，在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中具有良好的實際意義和應用前景。