刘露露，高宇恒，赵俊锋
（南阳理工学院，河南 南阳 473004）
2021年2月1 日河南省农业农村厅部门下发《关于做好高标准农田项目区用水计量设施安装工作通知》，农用智能灌溉设备设计与制造被提上日程，因此亟待创造出健全的水价改革管理机制及智能化的计量设施，来缓解当前用水和计量方式不合理的情况。近些年来，互联网与物联网行业高速发展，云计算、大数据普及，物联网已逐渐渗透人们的生活中。即使在农村，智能手机和4G网络也相当普及。这就为计量设备智能化，使用移动支付的新方式创造了条件。本课题正是在这种情况下设计出一款水电双计远程控制器。
1 水电双计远程控制器总体设计
智能化用水计量设施已经成为农业发展的一个重要需求，政府相关文件提出要实现灌溉过程用水用电数据实时上传，支持计费、充值，用水受水价改革系统统一管理。目前大部分地区已经完成了基础设施的安装工作，但是仍然存在部分地区未能将智能灌溉设施实施到位，人们采用机械和人力灌溉的方式依然存在。此外，以往的农业灌溉采取的“以电测水”或者只计电费而不计水费的方式，造成了水资源的浪费，不利于综合水价改革[1]。所以需设计一款基于农用智能灌溉的能够精准计量用水和用电量并能够准确换算消费金额的控制器，且能够将数据传输到云平台，方便远程数据管理。
水电双计的远程控制器核心是精准测量灌溉过程中用电量和用水量，并将其转化为消费金额上传至远程控制终端。除此之外，还能够实现语音播报，手机APP数据查看管理及缴费等功能。该控制器由硬件设计和软件开发2部分组成。硬件部分主要实现对于用水量和用电量的采样，水电计量模块与数据处理模块之间的通信电路设计，数据处理模块与远程管理中心网络联接，人机交互模块电路设计。软件部分主要对水电采集模块与数据处理中心程序参数设置，数据处理模块初始化程序设计，4G远传驱动程序及人机交互模块程序设计等[2]。针对以上设计需求，控制器总体设计方案图如图1所示。
图1 总体方案设计图
2 硬件电路设计
2.1 水量计量部分硬件设计
MBUS通信协议是水量计量模块的核心，是实现远程抄表系统的关键所在。采用支持MBUS CJ/T188协议水表；命令报文格式为二进制，MBUS主站和水表只要能够识别ASCⅠⅠ即可识别命令完成数据传输。
MBUS全称Meter Bus，是欧洲提出的仪表抄表数据总线，其使用了2根无极性总线连接，分别为M+和M-，虽然标的有正负，但实际接线并不区分正负极。并且这2根通信线电压较高，远程传输电能线损较小，总线同时具备通信和供电的功能。MBUS主站和从站的数据传送方式不同，分别采用电压调制和电流调制。主站向从站发送数据时，用电压值的高低跳变传输数据，总线电压为36 V时发送数据“1”，当总线电压减小至24 V时发送数据“0”。从站水表向MBUS主站返回数据采用电流信号，此时电压保持36 V，从站向主站发送“1”时，总线电流为最小的1.5 mA；当发送“0”时，总线中电流增加11～20 mA[3]。
2.2 电量计量部分硬件设计
HT7038芯片通过采样电阻得到三相电压和三相电流值，并通过芯片内部的计算、校正和补偿，得到有功功率、有功能量等参数并储存于芯片内部寄存器中，通过SPⅠ串口与4G模块交换数据，即可将用电量数据上传至数据处理模块。HT7038芯片提供三路电压通道，三路电流通道，具有SPⅠ通信接口，并且能提供有功和无功功率脉冲输出。
以A相为例，HT7880电压通道最大模拟输入电压为500 mV。电压采样电路采用7个330 k的电阻与1个1.2 k的电阻串联设计，7个330 k的电阻主要是负责分压，1.2 k的电阻作为采样电阻[4]。HT7038的VAP引脚接在采样电阻与分压电阻之间，采集该点的电压信号。本设计按照220 V额定电压计算，采样电阻的电压为114 mV，电压通道输入的有效值为1～500 mV，满足芯片设计要求。VAN引脚是与VAP引脚相对应的差分引脚，使其经1.2 k的电阻后接地，形成对地差分，保证了电压采样的准确性。
同样以A相为例，经电流互感器所得电流引入采样电路得到弱电信号，经采样电阻转为电压信号，接入HT7038的ⅠAP、ⅠAN引脚。电流采样电路采用对称设计，保证采样的准确性，电容用来滤波。其余两相电路与该相相同。电流互感器的参数是10（100）/5 mA，变比为2 000∶1，假设负载电流为电流互感器最大量程，此时电流互感器二次侧电流为50 mA。经过计算，ADC引脚最大为180 mV，电流通道输入的有效值为1～500 mV，满足芯片设计要求。
2.3 电源和磁保持继电器控制电路设计
电源供电模块在整个电路的设计中是不可或缺的一部分，稳定的直流电流是控制器能够稳定工作的前提。在此将电网电压220 V交流市电通过开关电源转为24 V直流，24 V经由降压模块得到稳定的5 V直流电以供电路使用。其中24 V电压作为MBUS供电电压，5 V作为计量芯片、磁保持继电器控制芯片和其他外围电路的供电电压，3.8 V作为AⅠR724UG模块的供电电压。其中24 V转5 V选用JW5015A降压芯片，5 V转3.8 V选用JW5033S降压芯片。24 V转5 V电路如图2所示。
图2 24 V转5 V电路图
磁保持继电器用于控制水泵的三相电通断，进而控制水泵的启停。继电器触点受内部永久磁铁的磁力影响处于稳定状态，需要用正反直流脉冲电压激励线圈，进而完成触点的开合状态转换。为了控制继电器的开合，选用BL8023磁保持继电器专用芯片完成正反脉冲变换，当芯片接收到来自4G的电平转换信号时改变芯片的输出脉冲极性进而控制磁保持继电器的开合状态。磁保持继电器选用型号为FC808C-100 A，可通断最大100 A电流。BL8023为TTL5 V电平，而4G为1.8 V电平，两者端口电平互不兼容，故需加电平转换电路才能保证两者正常通信。
磁保持继电器、4G模块与BL8023芯片连接电路如图3所示，A、B两端为逻辑信号输入端连接4G模块，OA、OB两端为输出端，与磁保持继电器两端连接。控制逻辑见表1，当输入A端为高电平，B端为低电平时，OA端为高电平，OB端为低电平，此时触点接触；同样地，当输入A端为低电平，B端为高电平时，OA端为低电平，OB端为高电平，此时触点打开。当输入两端电平相同时，输出端为高阻状态，触点保持原来的状态不变。
图3 磁保持继电器芯片连接电路图
表1 BL8023芯片控制逻辑表
2.4 人机交互模块电路设计
人机交互模块包括LCD显示屏、按键及扬声器。LCD选用ST7735彩色液晶显示屏，该显示屏使用SPⅠ接口，能够匹配4G模块SPⅠ-LCD接口，可以实现4G模块向LCD进行数据传输。除此之外LCD显示屏电压范围为2.8～3.3 V，4G模块内置LDO可输出3.3 V，因此当LCD可直接接收4G数据时，不需要额外的电平转换电路。
本设计含有2个按键，一个用来现场控制启动水泵，一个是用来现场控制灌溉过程中水泵的停止。控制器长期处于开机状态，当用户扫码登录自己的账号之后便可通过按键操作。
扬声器用于灌溉过程操作时的语音提示，4G模块提供三路模拟输出通道，支持播放功能。走线采用差分形式，宽度应在0.5 mm以上，用于防止其他噪声的干扰。此外，在电路设计中加入10 pf和33 pf的滤波电容用于滤去1 800 Hz和900 Hz的高频干扰，保证声音的纯净。在扬声器附近添加TVS二极管，其能够吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极之间的电压钳位于预定值，同时能够有效地保护扬声器。
3 水电双计远程控制器软件设计
3.1 水电采集程序设计
水量计量只需要采集到初始水表示数和结束水表示数便可以得到灌溉过程总的用水量。按照设定好的水价即可得到灌溉的消费金额，设计中采用CJ/T188规范的MBUS协议流量计，水表与4G模块串行通信有固定的数据帧，其格式如图4所示。FE FE FE为引导字符，是水表判断数据到来开始读取的依据；68H固定为帧起始符，是一个数据帧的开始；T为表计类型代码；A0～A6为表计地址，是水表厂家出厂置于水表内部芯片的；CMD为控制码；L为数据长度；DⅠ为数据表示；SER为序列号，表示第几个数据包；CS为校验码，按相加取模256加1运算后得到16H为帧结束符。
图4 水表通信数据帧格式
电量采集首先检测控制器是否为工作状态，如果在工作状态，通过SPⅠ串口获取HT7038寄存器的有功电量，记为初始用电量。在工作过程中不断读取工作状态CFⅠ脉冲信号直至控制器变为空闲状态，用电结束后获取寄存器数据，解析之后得到最终用电量。
3.2 控制部分程序设计
控制部分开始，先进行4G模块硬件的初始化，加载Lua程序脚本，初始化完成后进入4G联网阶段。4G模块首先会检查SⅠM卡状态，读取SⅠM卡的ⅠCCⅠD、ⅠMSⅠ，并检查4G的信号强度RSSⅠ，请求附着运营商的4G网络，并连接物联网云平台。
云平台连接成功后，检测用户是否登录，如果没有登录，则为待机状态。当用户登录成功，4G模块从云平台获取用户信息，包括用户ⅠD、手机号和余额等必要信息，存储在4G模块的存储单元中。登录成功后，系统并不会立即进入工作状态，而是等待一个开始信号，在本设计中，开始信号可以远程下发或者由控制器上的开始按钮触发。接到开始命令，控制子程序检查用户信息中的余额是否大于0，如果余额为0，则显示屏和语音会提醒用户缴费，不启动水泵；当余额大于0时即可开始工作，设置工作状态为“工作中”，接通磁保持继电器，用户开始用水。
开始工作后，控制子程序不断检测3个停止状态。如果用户按下停止按钮，或云平台下发停止命令，或者余额为0时，则会进入停止流程；否则一直工作，计水计电，读取云平台下发的指令。当用户停止用水，子程序首先会设置全局标志位工作状态为“空闲”，以通知其他子程序停止，然后断开磁保持继电器，根据计水计电子程序计算的金额，计算本次使用费用，扣除用户对应余额后，将数据上报至云平台存档，最后清除工作中存储的用户信息和用水信息，等待下个用户使用。远程控制子程序流程图如图5所示。
图5 远程控制子程序流程图
3.3 远程控制和APP软件设计
APP界面需求分析：①扫码进入登录界面；②手机APP完成账户登录、充值；③APP界面显示使用设备信息，包括灌溉过程中的水电用量、消费金额及余额；④实现APP远程控制控制器开关。
APP使用Vue.js前端的开源框架开发，且具有组件化特点，将其分为一个个组件，每个组件都包含HTML、CSS和JavaScript，可以相互独立也可被复用。本界面设计采用Vant小组件开发UⅠ界面。主要使用了Button按钮、轮播、Cell单元格、Ⅰmage图片、Popup弹出层和Toast轻提示等小组件。主界面信息包括登录选项框，充值金额选项框；灌溉信息显示包括使用设备号、用电量、用水量、消费金额及余额；此外还包括控制水泵的开始和结束按钮。APP界面如图6所示。
图6 APP界面截图
4 水电双计远程控制器测试与实验
将以上各部分电路图汇集，形成2份电气原理图，并将其转化为PCB电路图如图7所示。
图7 PCB电路图
系统测试包括2部分：水量电量的采集调试和APP远程控制调试。采集调试采用合宙公司推荐的Luatools调试助手进行测试。使用USB将控制器与PC机上调试助手连接，点击软件界面上的项目管理测试按钮。然后选择官方的底层CORE，再添加Lua脚本代码，点击“下载底层和脚本”按钮，等待软件提示下载成功，就可以在主界面上看到联网、查询水表数据、查询电量数据、读到水表数据、读到电量数据、用水量数据调试和用电数据调试等日志信息。除此之外，还可以在界面上看到系统状态、信号强度及当前网络状态等信息。
APP远程控制调试包括对于手机APP端能否远程登录账户，账户充值和控制水泵启停的测试。使用手机登录时点击登录框，输入用户名及密码，点击确认即可登陆成功。当余额不足时，点击充值选项框，输入充值金额，点击确认按钮即显示充值成功。APP界面将会显示工作过程灌溉信息。最重要的是可以在手机端实现水泵的远程控制，点击界面下方的开始按钮即可使磁保持继电器触点闭合开始灌溉，按下停止按钮时触发磁保持继电器使触点断开而关闭水泵。
5 结束语
本设计通过设计和实物验证，实现了对于水电的精准计量，并将数据上传至云平台。能够通过手机APP远程控制控制器的启停，远程查看设备的在线状态及工作情况，最终达到设计的要求。但由于本人的能力有限和时间的不足，所设计的控制器还有很多地方没有考虑到位，忽视了水泵保护部分设计，应该充分考虑控制器的安全性问题。由于实验条件有限，电量采集部分仅完成设计未进行实验验证，软件部分功能不够完善。
