周扣明，周志恒，賈 培

（1.南通遠(yuǎn)控自動(dòng)化技術(shù)有限公司，江蘇 南通226002；2.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 常州213022；3.海安市水利局，江蘇 海安226600）

1 引言

我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)提水泵站的用水計(jì)量采用按時(shí)計(jì)量的方式完成，操作結(jié)果和實(shí)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(gè)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(cuò)的問(wèn)題，更加難以實(shí)時(shí)地顯示各個(gè)提水泵站的相關(guān)信息，歷史數(shù)據(jù)的查詢也有諸多不便，對(duì)泵站的統(tǒng)一管理構(gòu)成巨大阻礙。

無(wú)線通信技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等領(lǐng)域，極大節(jié)省了人工成本[1]?；?G技術(shù)的農(nóng)業(yè)用水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的遠(yuǎn)距離傳輸，使計(jì)量終端與服務(wù)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(shè)計(jì)一套農(nóng)業(yè)用水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各站點(diǎn)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(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約

水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約是由水文局制訂的規(guī)范。其中，針對(duì)江河湖海等水文環(huán)境，對(duì)各種監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中的通信接口及通信協(xié)議作了詳細(xì)規(guī)定，包括監(jiān)測(cè)終端與數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)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(cè)站與數(shù)據(jù)中心站之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議（報(bào)文傳輸規(guī)約）等。該規(guī)約并不詳盡，而僅是規(guī)定出一個(gè)框架，具體的內(nèi)容會(huì)在框架基礎(chǔ)上進(jìn)一步填充。

本設(shè)計(jì)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(gè)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(zhǎng)）、尾部校驗(yàn)碼（2字節(jié)）。

在此報(bào)文幀結(jié)構(gòu)框架基礎(chǔ)上，采用HEX/BCD報(bào)文編碼結(jié)構(gòu)，選擇適宜的報(bào)文正文、要素編碼組合，并確定合適點(diǎn)的單幀報(bào)文長(zhǎng)度。其中主機(jī)接收端亦采用相同的功能碼、編碼要素及標(biāo)識(shí)符。所設(shè)計(jì)出的具體數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)由表1給出。

表1 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的基于水利通信規(guī)約的農(nóng)業(yè)用水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由終端監(jiān)測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)通信鏈路和上位機(jī)三部分構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)電水轉(zhuǎn)換計(jì)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(shí)現(xiàn)，具有技術(shù)成熟、工作穩(wěn)定、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的總體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

計(jì)量終端的程序運(yùn)行流程按圖3所示設(shè)計(jì)。

圖3 計(jì)量終端程序運(yùn)行流程圖

由MCU對(duì)各個(gè)模塊的初始化函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，判斷芯片內(nèi)是否存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，若存在數(shù)據(jù)則讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行替換，若無(wú)數(shù)據(jù)則判斷是否觸發(fā)了485接收中斷。當(dāng)請(qǐng)求接收中斷時(shí)，終端通過(guò)RS485接收服務(wù)器端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行解析和儲(chǔ)存，否則通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊獲取水泵數(shù)據(jù)[4-5]。若電流超過(guò)閾值，則對(duì)相應(yīng)的計(jì)時(shí)器進(jìn)行使能操作。電能計(jì)量芯片結(jié)合傳感器采集的電壓、電流大小進(jìn)行電量計(jì)算；MCU則根據(jù)耗電量-水量轉(zhuǎn)換法模型進(jìn)行耗電量-供水量數(shù)值的轉(zhuǎn)換[6]。最終，當(dāng)計(jì)數(shù)器的數(shù)值達(dá)到了上傳時(shí)間間隔，由MCU進(jìn)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(shè)備通電運(yùn)行后，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將耗電量轉(zhuǎn)化為用水量，并以設(shè)計(jì)好的數(shù)據(jù)幀及時(shí)將結(jié)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(wù)器。服務(wù)器接收符合數(shù)據(jù)幀格式并通過(guò)CRC校驗(yàn)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行解析，最終將解析的各項(xiàng)信息儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)際搭建與測(cè)試

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在PC端采用B/S架構(gòu)。與C/S架構(gòu)相比，B/S架構(gòu)系統(tǒng)可以在任何地方進(jìn)行操作而不用安裝任何專門(mén)的軟件，用一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)的電腦就可使用，不用安裝客戶端，免于耗費(fèi)精力維護(hù)，同時(shí)注重?cái)U(kuò)展功能，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本[7]。軟件使用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)于IDEA，并采用Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)，最終搭建起如圖5所示的架構(gòu)[8-9]。

圖5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

用戶在客戶端（瀏覽器頁(yè)面）提交表單操作，向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，等待服務(wù)器響應(yīng)。服務(wù)器端接收并處理請(qǐng)求，對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，產(chǎn)生響應(yīng)[10]。由服務(wù)器端把用戶請(qǐng)求的數(shù)據(jù)（累計(jì)時(shí)間、流量、水量、瞬時(shí)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(shí)現(xiàn)的在線監(jiān)測(cè)功能及其能顯示的數(shù)據(jù)項(xiàng)如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)功能及顯示數(shù)據(jù)項(xiàng)

所設(shè)計(jì)系統(tǒng)經(jīng)實(shí)際搭建，在江蘇某市某泵站進(jìn)行試用，對(duì)供水進(jìn)行功能測(cè)試。圖7為監(jiān)測(cè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)物圖。裝置安裝在動(dòng)力柜附近，方便對(duì)水泵電機(jī)的電壓電流進(jìn)行采集。供電來(lái)源于配電柜，可通過(guò)裝置附近的空氣開(kāi)關(guān)進(jìn)行裝置的開(kāi)關(guān)控制。圖8為系統(tǒng)運(yùn)行界面，展示了各提水泵站水泵的工作狀態(tài)，包括實(shí)時(shí)耗電量和實(shí)時(shí)耗水量、累計(jì)耗電量、累計(jì)工作時(shí)間等。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，該套系統(tǒng)高效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)提水泵站實(shí)時(shí)運(yùn)行情況的全面監(jiān)控。

圖7 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)物圖

圖8 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行界面

5 結(jié)束語(yǔ)

以江蘇某市農(nóng)業(yè)用水計(jì)量存在的問(wèn)題為研究背景，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套基于水利通信規(guī)約的農(nóng)業(yè)用水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，借助于傳感器、微機(jī)處理及4G遠(yuǎn)程無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)泵站供水量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)在常規(guī)聯(lián)網(wǎng)的PC機(jī)上通過(guò)瀏覽器即可實(shí)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(shí)際意義和應(yīng)用前景。