论文部分内容阅读
摘 要 为了提高井灌管理的信息化水平，采用了微电脑、集成电路、传感器、射频IC卡等技术，开发了IC卡井灌取用水管理系统。系统以取用水控制器为核心，主要由射频IC卡、机井灌溉收费机、机井灌溉收费控制箱、管理系统以及水电计量单元构成。实现了实时监控、定时上报数据、断电数据保护、远程召测、IC卡充值、远程控制水泵、日志记录、防雷击等功能。该系统在多个大中型灌区得到实际应用，表明技术领先、功能完备、安装便捷、使用方便。
关键词 射频IC卡；节水灌溉；GPRS/GSM；管理系统
中图分类号 TP2 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）17-0230-03
1 系统设计
1.1 总体结构
智能井灌取用水管理系统是针对农业井灌进行远程监测的智能化监控系统，在取用水点安装射频IC卡取用水控制器，可通过对用水时间、用水流量、用水电量等计量方式进行收费管理；可对水井水位、水泵电流、电压等信息进行采集，同时也可实现水泵启停、电动阀开闭等控制。通过GPRS/GSM等无线通讯方式与管理中心联网，实时监测各取用水单位。如取用水单位出现人为断电、外加水泵，水表损坏等情况，系统显示故障并报警。管理中心可根据需要，控制水泵启停，对欠缴水资源费的用户，经授权可远程控制用水单位的电动阀门、水泵启停，实现水资源管理与监控的自动化、一体化。同时，管理系统具有实时显示用水户信息、用水数据、动态监测水井运行状况、自动生成统计报表、图表、IC卡收费管理等功能。
1.2 主要功能模块
1）初始化。通过上位机应用软件，通过桌面读卡器，利用上位机管理软件制作设置卡，将初始化设置信息写入射频卡或者IC卡。用户持卡在取水控制器上刷卡，从而将设置卡的设置信息写入到取水控制器。初始化设置的参数包括取水控制器标识号、消费价格描述、报警信息，参数在数码管显示符号如表1所示。设置成功后，蜂鸣器长鸣一次，逐次显示下表信息（间隔1秒），最终显示序号7的符号；设置不成功，短鸣5次，序号8中的符号闪烁。
2）计费及扣费。共有计电型、计水型、计时型、电水转换型、水电计量方式型等5种计费方式。其中计电型需要外接三相电子式电能表，计水型需要外接脉冲式水表。扣费程序如下。（1）取水控制器在无人使用即空闲状态的时候，交流接触器处于断开状态，同时合闸状态指示灯熄灭，数码管显示“-----”。（2）用户持卡在取水控制器上第一次划卡，数码管显示卡内剩余余额，“uxxxx”。如果余额低于下限值，则发出报警信息，提示“请及时充值”。如果余额为0，则显示“余额不足，请充值”。（3）3s后，用户第二次刷卡，如果剩余电量（或剩余水量、剩余金额）不为0，接触器吸合（合闸指示灯亮），水泵开始供水。（4）对于计电型，电表每走1度电，控制器内的剩余电量就减1度电；对于计水型，水表每走1t水，控制器内的剩余水量就减1吨水；如果计量时间，每用电0.1元，控制器内的剩余金额就减0.1元。（5）第三次当本次用水完成后，用户再次划卡，关闭水泵，同时将控制器内的剩余电量（或剩余水量、剩余金额）存入用户卡内并对用户按照用户编号、剩余金额存入取水控制器存储器，同时显示用户卡卡内余额大约5s，数码管显示“-----”，控制器处于空闲状态，以便其他用户继续使用。（6）在用水过程中如果余额低于下限值，控制器自动发出语音报警，提示农户“卡内余额不足，需要及时充值”。
2 系统性能分析
2.1 实验工况
为验证智能井灌取用水管理系统的可用性，根据《机井灌溉控制器测评方案大纲》等技术标准，对产品进行了实验室检测、户外模拟测试和实际应用測试。
实验室检测主要包括产品的环境适应性、电气部分、使用方便、数据传输、配套软件等方面，选择了2个样品，严格按照跌落、振动、温度、湿度、电磁环境、电压波动、防雷、防雨等8个项目逐一进行检测。跌落测试检测，是在距地面1M高度，3次自由跌落；振动检测是在频率10Hz～150Hz～10Hz，循环5次的振动试验；温度检测是在温度-5℃、-65℃环境各1h后，恢复常温；湿度监测是在40℃、90%RH环境2h后，恢复正常大气条件；磁场检测是在磁场强度10A/m、磁场50频率/Hz中对X、Y、Z的3个线圈方向，持续时间30s进行测试；电压波动抗扰度试验中，在额定电压380V±15%条件下持续测试10min；防雷抗扰度试验中，在电压±1 000和±2 000条件下测试；防雨测试是按照IPX5等级进行防雨测试。
户外模拟测试主要检测产品的固态存储功能、数据采集、异常处理及IC卡部分功能。模拟实际用水流程，验证系统量测精度。
实际应用测试。为验证系统的实际应用效果，研究人员和灌溉用户在某灌区安装部署一套产品，进行实际刷卡量测，并对比人工测流，检测系统可靠性和易
用性。
2.2 实验结果
实验室检测中，按照相关标准，经过跌落、振动、温度、湿度、电磁环境、电压波动、防雷、防雨等8个项目分别实验检测后，检测样品通电后能够正常开机，自检正常，刷卡后参数显示正常，评定为合格。
户外模拟测试中，测评了防触电、设备接入、计量精度、数据上传等31个项目。泵开启后，连续运行10min，水量、电量实际检测值与控制器记录值对比分析，结果见表2、表3，总体上看，量测值小于标准值，误差均小于2%，满足产品出厂要求，评定为合格。
实际应用测试中，针对刷卡控制泵站启停反应时间和刷卡计费灵敏度等是否符合设计标准和用户要求，进行了反复试验，结果见表4，启停各刷卡10次，响应10次，响应正常率100%，响应时间控制在0.5s内。刷卡扣费10次，正确率100%，刷卡操作灵敏度，反应时间控制在1s内，无延时异常现象，延时可控率100%。评定为合格。
综上所述，针对智能井灌取用水管理系统主要功能、计量精度、系统可靠性等方面的测试结果表明，该系统符合相关技术规范，计量数据可靠，有较强的抗干扰措施，运行稳定。综合评定为合格。
3 结论
智能井灌取用水管理系统，满足了井灌管理现代化的需求，经过实验室、野外模拟和实地的多工况产品评测，主要有以下结论：
1）智能井灌取用水管理系统实现了定时上报、主动报警功、断电数据保护、远程召测、IC卡充值、远程控制水泵启停及设置、日志纪录及打印
功能。
2）系统水量、电量量测误差在2%以内，系统刷卡控制反应时间为0.3s～0.7s，在误差允许范围内，满足产品技术要求和用户使用
要求。
3）该系统性能可靠、功能全面、运行稳定、数据准确、可维护性好、易用性强，可以在相似灌区推广应用。
本系统已获得水利先进实用产品（技术）测评证书，并纳入了《2016年水利先进实用技术重点推广指导目录》。本系统的推广应用，提高了井灌效益，解决了农业井灌区长期存在的水费（电费）计量不准、拖欠及人为浪费严重的现象，改变了以往查表收费的落后方式，降低了管理成本，对以信息化推进井灌管理现代化，提高地下水资源管理水平具有重要
意义。
参考文献
[1]李健华.灌区机井用水计量控制系统设计[J].节水灌溉，2013（11）：55-61.
[2]姜吉顺，张亮，赵艳雷.农田灌溉节能节水智能控制系统的研究[J].中国农村水利水电，2013（5）：69-73.
关键词 射频IC卡；节水灌溉；GPRS/GSM；管理系统
中图分类号 TP2 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）17-0230-03
1 系统设计
1.1 总体结构
智能井灌取用水管理系统是针对农业井灌进行远程监测的智能化监控系统，在取用水点安装射频IC卡取用水控制器，可通过对用水时间、用水流量、用水电量等计量方式进行收费管理；可对水井水位、水泵电流、电压等信息进行采集，同时也可实现水泵启停、电动阀开闭等控制。通过GPRS/GSM等无线通讯方式与管理中心联网，实时监测各取用水单位。如取用水单位出现人为断电、外加水泵，水表损坏等情况，系统显示故障并报警。管理中心可根据需要，控制水泵启停，对欠缴水资源费的用户，经授权可远程控制用水单位的电动阀门、水泵启停，实现水资源管理与监控的自动化、一体化。同时，管理系统具有实时显示用水户信息、用水数据、动态监测水井运行状况、自动生成统计报表、图表、IC卡收费管理等功能。
1.2 主要功能模块
1）初始化。通过上位机应用软件，通过桌面读卡器，利用上位机管理软件制作设置卡，将初始化设置信息写入射频卡或者IC卡。用户持卡在取水控制器上刷卡，从而将设置卡的设置信息写入到取水控制器。初始化设置的参数包括取水控制器标识号、消费价格描述、报警信息，参数在数码管显示符号如表1所示。设置成功后，蜂鸣器长鸣一次，逐次显示下表信息（间隔1秒），最终显示序号7的符号；设置不成功，短鸣5次，序号8中的符号闪烁。
2）计费及扣费。共有计电型、计水型、计时型、电水转换型、水电计量方式型等5种计费方式。其中计电型需要外接三相电子式电能表，计水型需要外接脉冲式水表。扣费程序如下。（1）取水控制器在无人使用即空闲状态的时候，交流接触器处于断开状态，同时合闸状态指示灯熄灭，数码管显示“-----”。（2）用户持卡在取水控制器上第一次划卡，数码管显示卡内剩余余额，“uxxxx”。如果余额低于下限值，则发出报警信息，提示“请及时充值”。如果余额为0，则显示“余额不足，请充值”。（3）3s后，用户第二次刷卡，如果剩余电量（或剩余水量、剩余金额）不为0，接触器吸合（合闸指示灯亮），水泵开始供水。（4）对于计电型，电表每走1度电，控制器内的剩余电量就减1度电；对于计水型，水表每走1t水，控制器内的剩余水量就减1吨水；如果计量时间，每用电0.1元，控制器内的剩余金额就减0.1元。（5）第三次当本次用水完成后，用户再次划卡，关闭水泵，同时将控制器内的剩余电量（或剩余水量、剩余金额）存入用户卡内并对用户按照用户编号、剩余金额存入取水控制器存储器，同时显示用户卡卡内余额大约5s，数码管显示“-----”，控制器处于空闲状态，以便其他用户继续使用。（6）在用水过程中如果余额低于下限值，控制器自动发出语音报警，提示农户“卡内余额不足，需要及时充值”。
2 系统性能分析
2.1 实验工况
为验证智能井灌取用水管理系统的可用性，根据《机井灌溉控制器测评方案大纲》等技术标准，对产品进行了实验室检测、户外模拟测试和实际应用測试。
实验室检测主要包括产品的环境适应性、电气部分、使用方便、数据传输、配套软件等方面，选择了2个样品，严格按照跌落、振动、温度、湿度、电磁环境、电压波动、防雷、防雨等8个项目逐一进行检测。跌落测试检测，是在距地面1M高度，3次自由跌落；振动检测是在频率10Hz～150Hz～10Hz，循环5次的振动试验；温度检测是在温度-5℃、-65℃环境各1h后，恢复常温；湿度监测是在40℃、90%RH环境2h后，恢复正常大气条件；磁场检测是在磁场强度10A/m、磁场50频率/Hz中对X、Y、Z的3个线圈方向，持续时间30s进行测试；电压波动抗扰度试验中，在额定电压380V±15%条件下持续测试10min；防雷抗扰度试验中，在电压±1 000和±2 000条件下测试；防雨测试是按照IPX5等级进行防雨测试。
户外模拟测试主要检测产品的固态存储功能、数据采集、异常处理及IC卡部分功能。模拟实际用水流程，验证系统量测精度。
实际应用测试。为验证系统的实际应用效果，研究人员和灌溉用户在某灌区安装部署一套产品，进行实际刷卡量测，并对比人工测流，检测系统可靠性和易
用性。
2.2 实验结果
实验室检测中，按照相关标准，经过跌落、振动、温度、湿度、电磁环境、电压波动、防雷、防雨等8个项目分别实验检测后，检测样品通电后能够正常开机，自检正常，刷卡后参数显示正常，评定为合格。
户外模拟测试中，测评了防触电、设备接入、计量精度、数据上传等31个项目。泵开启后，连续运行10min，水量、电量实际检测值与控制器记录值对比分析，结果见表2、表3，总体上看，量测值小于标准值，误差均小于2%，满足产品出厂要求，评定为合格。
实际应用测试中，针对刷卡控制泵站启停反应时间和刷卡计费灵敏度等是否符合设计标准和用户要求，进行了反复试验，结果见表4，启停各刷卡10次，响应10次，响应正常率100%，响应时间控制在0.5s内。刷卡扣费10次，正确率100%，刷卡操作灵敏度，反应时间控制在1s内，无延时异常现象，延时可控率100%。评定为合格。
综上所述，针对智能井灌取用水管理系统主要功能、计量精度、系统可靠性等方面的测试结果表明，该系统符合相关技术规范，计量数据可靠，有较强的抗干扰措施，运行稳定。综合评定为合格。
3 结论
智能井灌取用水管理系统，满足了井灌管理现代化的需求，经过实验室、野外模拟和实地的多工况产品评测，主要有以下结论：
1）智能井灌取用水管理系统实现了定时上报、主动报警功、断电数据保护、远程召测、IC卡充值、远程控制水泵启停及设置、日志纪录及打印
功能。
2）系统水量、电量量测误差在2%以内，系统刷卡控制反应时间为0.3s～0.7s，在误差允许范围内，满足产品技术要求和用户使用
要求。
3）该系统性能可靠、功能全面、运行稳定、数据准确、可维护性好、易用性强，可以在相似灌区推广应用。
本系统已获得水利先进实用产品（技术）测评证书，并纳入了《2016年水利先进实用技术重点推广指导目录》。本系统的推广应用，提高了井灌效益，解决了农业井灌区长期存在的水费（电费）计量不准、拖欠及人为浪费严重的现象，改变了以往查表收费的落后方式，降低了管理成本，对以信息化推进井灌管理现代化，提高地下水资源管理水平具有重要
意义。
参考文献
[1]李健华.灌区机井用水计量控制系统设计[J].节水灌溉，2013（11）：55-61.
[2]姜吉顺，张亮，赵艳雷.农田灌溉节能节水智能控制系统的研究[J].中国农村水利水电，2013（5）：69-73.