超聲波明渠流量計物聯感知技術在農田灌溉中的應用
發布時間：2019-09-28 發布作者：
摘 要：物聯感知和傳輸技術為農田灌溉水量的統計提供了真實、有效、實時的監測數據。本文對超聲波明渠流量計應用場景進行分析，確定了支持多種傳感器、數據存儲與管理、通信、顯示與配置的功能需求，在硬件上采用模塊化設計，軟件上采用分層設計的方法和面向對象的設計思路，使超聲波明渠流量計實現多功能可擴展，在農田灌溉水有效利用系數智能測算系統中發揮重要作用。
一、引言
寧波市農田灌溉水有效利用系數智能測算分析系統通過對選取典型田塊供、用水量的統計，分析樣點田塊的年凈灌溉用水量和年毛灌溉用水量數據，計算獲得樣點灌區的灌溉
水有效利用系數。實時多任務超聲波明渠流量計作為橋梁，向下連接雨量和流量等水量監測傳感器，向上連接物聯網平臺，將各個樣點地塊的水量變化情況匯總到物聯網平臺，為灌溉水有效利用系數分析提供基礎數據，是農田灌溉水有效利用系數智能測算分析系統中的一個重要組成部分。
二、應用場景分析
1．支持多種傳感器
量水監測站中使用翻斗式雨量計（脈沖量接口）、管道流量計（RS485 接口）和超聲波明渠流量計（RS485 接口）等傳感器感知水量變化，為了感知量水監測站的運行狀態，還需要監測如太陽能電池板的電壓，蓄電池的電壓，以及監測輸水設備中水泵、明渠排水閘門等的開關狀態。可知，超聲波明渠流量計需要設計有：脈沖量采集接口，RS485 通信接口，模數轉換接口和開關量采集接口等。
2．任務實時處理
超聲波明渠流量計的采集和傳輸均需要實時處理，以降雨量監測舉例。超聲波明渠流量計需要記錄雨量計發出的脈沖數。如果在降雨過程中雨量計發出的脈沖數沒有被超聲波明渠流量計獲取到，隨著時間的推移，降雨數據偏差將會被放大，造成灌溉用水系數計算結果錯誤。
3．多任務協同
超聲波明渠流量計需要實現五大功能，分別是：采集傳感器的數據、本地數據的存儲與管理、與物聯網平臺通信、就地顯示、參數配置。
超聲波明渠流量計要在限定的時間內完成規定的任務。有些任務需要及時緊急處理。例如，超聲波明渠流量計在接收到物聯網平臺的命令后，需要及時響應，必須中斷正在執行的相對不重要的任務，如果顯示數據的任務。當任務不需要執行時，量水監控終端需要讓任務休眠，以提高水監控終端的整體工作效率。
4．支持多種傳輸協議
傳輸協議有兩個部分：
（1）基于數字接口通信的量水監控終端和智能傳感器的傳輸協議。基于 RS232 或 RS485 接口的智能傳感器一般采用 Modbus RUT 協議，一些比較特殊的智能傳感器需要支持自定義通信協議。
（2）遠程數據中心與
超聲波明渠流量計通信時的傳輸協議。國家出臺了兩個數據傳輸規約，即：《水資源監測數據傳輸協議 SZY206-2016》和《監測數據通信協議 SL651》，主要是為解決各區域數據格式不一致、水資源監測數據管理不統一等問題。隨著物聯網技術和計算機技術相關技術的普及和廣泛應用，XML（可擴展標記語言可擴展標記語言）和 JSON（javascript 對象表示法）等輕量級數據交換表示正在成為主流。這種格式便于人們讀寫，也便于機器解析和生成，有效地提高了網絡傳輸效率。
5．其他功能
灌溉用水監測的環境鋪設供電電纜成本較高，使用率較低，因此，可持續的供電設計越來越受到重視。農業用水屬于糧食安全問題，數據加密需要重點考慮。
三、超聲波明渠流量計軟硬件設計
1．模塊化電路設計
從超聲波明渠流量計的應用場景分析可以看出，硬件主要包括：通信信號接口、存儲器芯片、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，量水監測系統分為電源管理模塊、中央處理單元、存儲模塊、通信模塊和數據定位接口，每個硬件都有自己的功能作為一個基本單元，中央處理器是核心，構成一個完整的量水監控終端的硬件結構。硬件結構圖如圖1 所示。
2．軟件分層設計與面向對象編程
超聲波明渠流量計的軟件不僅要管理硬件中的多個模塊，而且要實現邏輯判斷，任務切換等功能，簡單的順序編程在設計上很難滿足要求，因此引入了嵌入式實時操作系統、分層的軟件設計和面向對象的編程方法。
（1）嵌入式實時操作系統
首先，操作系統支持多任務處理，根據各個任務的優先級別進行自動分配系統資源，以保證系統在多任務處理中的協調性。其次，操作系統都是能夠滿足實時性的要求。在正常任務執行期間，操作系統對任務進行優先級別的排序，優先執行重要任務。此外，操作系統都是可以采用統一的編程接口，方便系統有效擴展，并可以使用開源組件進行快速開發。
（2）軟件框架分層
超聲波明渠流量計軟件分為四層：硬件驅動層、硬件管理層、系統管理層、應用服務層。硬件驅動層與硬件直接相關，直接驅動硬件模塊的打開關閉讀寫操作。硬件管理層為硬件驅動層提供統一的管理框架，并為上層應用提供統一的調用接口，在底層硬件發生變化時無需調整上層的程序。系統管理層即為操作系統，操作系統根據設置好的系統參數，自動為各個任務分配資源，使實時性和多任務性可以得到保障。應用服務層實現各個任務要求，如通信，顯示等。
（3）硬件設備數據結構抽象
硬件設備的常見功能包括打開、關閉、編寫指令或數據、讀取數據或指令、修改設備信息等，因此，硬件設備可以抽象為該數據類型的通用結構數據類型（struct），有 init、open、close、read、write 和 control 等一些操作。將所有硬件設備都被抽象為一個設備對象，定義相關的數據屬性和操作。使所有硬件設備都能使用統一的接口管理，提高編程效率，提高設備的可擴展性。（4）傳感器數據結構的抽象
超聲波明渠流量計需要支持多種傳感器，有必要設計一種傳感器裝置的數據結構，它能表達傳感器的所有屬性和操作，并能在需要增加傳感器數量時快速建立相應的數據結構實體。
傳感器的相應屬性是名稱、類型、參數（基礎、校正、閾值）、單位、數據等。在定義傳感器屬性后，系統根據屬性自動分配傳感器操作。例如，當類型為模擬類型時，分配給它的數據采集方法是模式轉換，較終數據將是在參數中定義的工程量。轉換為模擬的校準值。如果類型為 RS485 數字量，則分配給它的數據采集模式是基于 Modbus RTU 協議通信方法的 RS485 接口。傳感器中的寄存器地址等信息在參數中定義。
（5）數據傳輸規約的抽象
JSON 和 XML 對于數據的相關格式有明確的定義，傳輸的內容可以根據遙測的需要進行定制，因此實現起來并不困難。SZY026 和 SL651 的功能和通信方式發生了很大的變化，但這些協議的數據幀結構定義明確，如數據幀中的功能碼、幀頭、校驗碼等。位置和占用的字節是固定的。此外，這些協議的數據幀結構相對相似，屬于不同協議的數據幀基本上包含功能碼、幀頭和校驗碼等信息組件。根據這一特點，協議可以被抽象成具有數據屬性的結構，如幀頭、函數代碼、編碼內容、編碼元素和校驗碼。在協議打包或解碼中調用結構處理消息。
四、總結
物聯網技術在農田灌溉中的推廣應用，將推動農田管理水平的提升，提高灌溉水、肥等資源的利用率。本文介紹了在寧波市農田灌溉水有效利用系數智能測算分析系統中超聲波明渠流量計的設計思路，從應用場景出發分析功能需求，在硬件上采用模塊化設計的方法，在軟件上采用分層設計和面向對象編程的思路，從硬件軟件設計中針對應用的需求而設計。
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