超聲波明渠流量計(jì)物聯(lián)感知技術(shù)在農(nóng)田灌溉中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2019-09-28 發(fā)布作者：
摘 要：物聯(lián)感知和傳輸技術(shù)為農(nóng)田灌溉水量的統(tǒng)計(jì)提供了真實(shí)、有效、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。本文對(duì)超聲波明渠流量計(jì)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，確定了支持多種傳感器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、通信、顯示與配置的功能需求，在硬件上采用模塊化設(shè)計(jì)，軟件上采用分層設(shè)計(jì)的方法和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思路，使超聲波明渠流量計(jì)實(shí)現(xiàn)多功能可擴(kuò)展，在農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)智能測(cè)算系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。
一、引言
寧波市農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)智能測(cè)算分析系統(tǒng)通過對(duì)選取典型田塊供、用水量的統(tǒng)計(jì)，分析樣點(diǎn)田塊的年凈灌溉用水量和年毛灌溉用水量數(shù)據(jù)，計(jì)算獲得樣點(diǎn)灌區(qū)的灌溉
水有效利用系數(shù)。實(shí)時(shí)多任務(wù)超聲波明渠流量計(jì)作為橋梁，向下連接雨量和流量等水量監(jiān)測(cè)傳感器，向上連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，將各個(gè)樣點(diǎn)地塊的水量變化情況匯總到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，為灌溉水有效利用系數(shù)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)智能測(cè)算分析系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。
二、應(yīng)用場(chǎng)景分析
1．支持多種傳感器
量水監(jiān)測(cè)站中使用翻斗式雨量計(jì)（脈沖量接口）、管道流量計(jì)（RS485 接口）和超聲波明渠流量計(jì)（RS485 接口）等傳感器感知水量變化，為了感知量水監(jiān)測(cè)站的運(yùn)行狀態(tài)，還需要監(jiān)測(cè)如太陽能電池板的電壓，蓄電池的電壓，以及監(jiān)測(cè)輸水設(shè)備中水泵、明渠排水閘門等的開關(guān)狀態(tài)�？芍�，超聲波明渠流量計(jì)需要設(shè)計(jì)有：脈沖量采集接口，RS485 通信接口，模數(shù)轉(zhuǎn)換接口和開關(guān)量采集接口等。
2．任務(wù)實(shí)時(shí)處理
超聲波明渠流量計(jì)的采集和傳輸均需要實(shí)時(shí)處理，以降雨量監(jiān)測(cè)舉例。超聲波明渠流量計(jì)需要記錄雨量計(jì)發(fā)出的脈沖數(shù)。如果在降雨過程中雨量計(jì)發(fā)出的脈沖數(shù)沒有被超聲波明渠流量計(jì)獲取到，隨著時(shí)間的推移，降雨數(shù)據(jù)偏差將會(huì)被放大，造成灌溉用水系數(shù)計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤。
3．多任務(wù)協(xié)同
超聲波明渠流量計(jì)需要實(shí)現(xiàn)五大功能，分別是：采集傳感器的數(shù)據(jù)、本地?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理、與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通信、就地顯示、參數(shù)配置。
超聲波明渠流量計(jì)要在限定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的任務(wù)。有些任務(wù)需要及時(shí)緊急處理。例如，超聲波明渠流量計(jì)在接收到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的命令后，需要及時(shí)響應(yīng)，必須中斷正在執(zhí)行的相對(duì)不重要的任務(wù)，如果顯示數(shù)據(jù)的任務(wù)。當(dāng)任務(wù)不需要執(zhí)行時(shí)，量水監(jiān)控終端需要讓任務(wù)休眠，以提高水監(jiān)控終端的整體工作效率。
4．支持多種傳輸協(xié)議
傳輸協(xié)議有兩個(gè)部分：
（1）基于數(shù)字接口通信的量水監(jiān)控終端和智能傳感器的傳輸協(xié)議�；� RS232 或 RS485 接口的智能傳感器一般采用 Modbus RUT 協(xié)議，一些比較特殊的智能傳感器需要支持自定義通信協(xié)議。
（2）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心與
超聲波明渠流量計(jì)通信時(shí)的傳輸協(xié)議。國家出臺(tái)了兩個(gè)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約，即：《水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議 SZY206-2016》和《監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信協(xié)議 SL651》，主要是為解決各區(qū)域數(shù)據(jù)格式不一致、水資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理不統(tǒng)一等問題。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相關(guān)技術(shù)的普及和廣泛應(yīng)用，XML（可擴(kuò)展標(biāo)記語言可擴(kuò)展標(biāo)記語言）和 JSON（javascript 對(duì)象表示法）等輕量級(jí)數(shù)據(jù)交換表示正在成為主流。這種格式便于人們讀寫，也便于機(jī)器解析和生成，有效地提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。
5．其他功能
灌溉用水監(jiān)測(cè)的環(huán)境鋪設(shè)供電電纜成本較高，使用率較低，因此，可持續(xù)的供電設(shè)計(jì)越來越受到重視。農(nóng)業(yè)用水屬于糧食安全問題，數(shù)據(jù)加密需要重點(diǎn)考慮。
三、超聲波明渠流量計(jì)軟硬件設(shè)計(jì)
1．模塊化電路設(shè)計(jì)
從超聲波明渠流量計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)景分析可以看出，硬件主要包括：通信信號(hào)接口、存儲(chǔ)器芯片、通信模組電路和顯示器等，為了硬件管理需要，必須配置中央處理和供電電源。從功能角度來看，量水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為電源管理模塊、中央處理單元、存儲(chǔ)模塊、通信模塊和數(shù)據(jù)定位接口，每個(gè)硬件都有自己的功能作為一個(gè)基本單元，中央處理器是核心，構(gòu)成一個(gè)完整的量水監(jiān)控終端的硬件結(jié)構(gòu)。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。
2．軟件分層設(shè)計(jì)與面向?qū)ο缶幊?/div>
超聲波明渠流量計(jì)的軟件不僅要管理硬件中的多個(gè)模塊，而且要實(shí)現(xiàn)邏輯判斷，任務(wù)切換等功能，簡(jiǎn)單的順序編程在設(shè)計(jì)上很難滿足要求，因此引入了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、分層的軟件設(shè)計(jì)和面向?qū)ο蟮木幊谭椒ā?/div>
（1）嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)
首先，操作系統(tǒng)支持多任務(wù)處理，根據(jù)各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)別進(jìn)行自動(dòng)分配系統(tǒng)資源，以保證系統(tǒng)在多任務(wù)處理中的協(xié)調(diào)性。其次，操作系統(tǒng)都是能夠滿足實(shí)時(shí)性的要求。在正常任務(wù)執(zhí)行期間，操作系統(tǒng)對(duì)任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)別的排序，優(yōu)先執(zhí)行重要任務(wù)。此外，操作系統(tǒng)都是可以采用統(tǒng)一的編程接口，方便系統(tǒng)有效擴(kuò)展，并可以使用開源組件進(jìn)行快速開發(fā)。
（2）軟件框架分層
超聲波明渠流量計(jì)軟件分為四層：硬件驅(qū)動(dòng)層、硬件管理層、系統(tǒng)管理層、應(yīng)用服務(wù)層。硬件驅(qū)動(dòng)層與硬件直接相關(guān)，直接驅(qū)動(dòng)硬件模塊的打開關(guān)閉讀寫操作。硬件管理層為硬件驅(qū)動(dòng)層提供統(tǒng)一的管理框架，并為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的調(diào)用接口，在底層硬件發(fā)生變化時(shí)無需調(diào)整上層的程序。系統(tǒng)管理層即為操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置好的系統(tǒng)參數(shù)，自動(dòng)為各個(gè)任務(wù)分配資源，使實(shí)時(shí)性和多任務(wù)性可以得到保障。應(yīng)用服務(wù)層實(shí)現(xiàn)各個(gè)任務(wù)要求，如通信，顯示等。
（3）硬件設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)抽象
硬件設(shè)備的常見功能包括打開、關(guān)閉、編寫指令或數(shù)據(jù)、讀取數(shù)據(jù)或指令、修改設(shè)備信息等，因此，硬件設(shè)備可以抽象為該數(shù)據(jù)類型的通用結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型（struct），有 init、open、close、read、write 和 control 等一些操作。將所有硬件設(shè)備都被抽象為一個(gè)設(shè)備對(duì)象，定義相關(guān)的數(shù)據(jù)屬性和操作。使所有硬件設(shè)備都能使用統(tǒng)一的接口管理，提高編程效率，提高設(shè)備的可擴(kuò)展性。（4）傳感器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的抽象
超聲波明渠流量計(jì)需要支持多種傳感器，有必要設(shè)計(jì)一種傳感器裝置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它能表達(dá)傳感器的所有屬性和操作，并能在需要增加傳感器數(shù)量時(shí)快速建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)體。
傳感器的相應(yīng)屬性是名稱、類型、參數(shù)（基礎(chǔ)、校正、閾值）、單位、數(shù)據(jù)等。在定義傳感器屬性后，系統(tǒng)根據(jù)屬性自動(dòng)分配傳感器操作。例如，當(dāng)類型為模擬類型時(shí)，分配給它的數(shù)據(jù)采集方法是模式轉(zhuǎn)換，較終數(shù)據(jù)將是在參數(shù)中定義的工程量。轉(zhuǎn)換為模擬的校準(zhǔn)值。如果類型為 RS485 數(shù)字量，則分配給它的數(shù)據(jù)采集模式是基于 Modbus RTU 協(xié)議通信方法的 RS485 接口。傳感器中的寄存器地址等信息在參數(shù)中定義。
（5）數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約的抽象
JSON 和 XML 對(duì)于數(shù)據(jù)的相關(guān)格式有明確的定義，傳輸?shù)膬?nèi)容可以根據(jù)遙測(cè)的需要進(jìn)行定制，因此實(shí)現(xiàn)起來并不困難。SZY026 和 SL651 的功能和通信方式發(fā)生了很大的變化，但這些協(xié)議的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)定義明確，如數(shù)據(jù)幀中的功能碼、幀頭、校驗(yàn)碼等。位置和占用的字節(jié)是固定的。此外，這些協(xié)議的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)相對(duì)相似，屬于不同協(xié)議的數(shù)據(jù)幀基本上包含功能碼、幀頭和校驗(yàn)碼等信息組件。根據(jù)這一特點(diǎn)，協(xié)議可以被抽象成具有數(shù)據(jù)屬性的結(jié)構(gòu)，如幀頭、函數(shù)代碼、編碼內(nèi)容、編碼元素和校驗(yàn)碼。在協(xié)議打包或解碼中調(diào)用結(jié)構(gòu)處理消息。
四、總結(jié)
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)田灌溉中的推廣應(yīng)用，將推動(dòng)農(nóng)田管理水平的提升，提高灌溉水、肥等資源的利用率。本文介紹了在寧波市農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)智能測(cè)算分析系統(tǒng)中超聲波明渠流量計(jì)的設(shè)計(jì)思路，從應(yīng)用場(chǎng)景出發(fā)分析功能需求，在硬件上采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，在軟件上采用分層設(shè)計(jì)和面向?qū)ο缶幊痰乃悸罚瑥挠布浖O(shè)計(jì)中針對(duì)應(yīng)用的需求而設(shè)計(jì)。
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