超声波明渠流量计物联感知技术在农田灌溉中的应用
发布时间：2019-09-28 发布作者：
摘 要：物联感知和传输技术为农田灌溉水量的统计提供了真实、有效、实时的监测数据。本文对超声波明渠流量计应用场景进行分析，确定了支持多种传感器、数据存储与管理、通信、显示与配置的功能需求，在硬件上采用模块化设计，软件上采用分层设计的方法和面向对象的设计思路，使超声波明渠流量计实现多功能可扩展，在农田灌溉水有效利用系数智能测算系统中发挥重要作用。
一、引言
宁波市农田灌溉水有效利用系数智能测算分析系统通过对选取典型田块供、用水量的统计，分析样点田块的年净灌溉用水量和年毛灌溉用水量数据，计算获得样点灌区的灌溉
水有效利用系数。实时多任务超声波明渠流量计作为桥梁，向下连接雨量和流量等水量监测传感器，向上连接物联网平台，将各个样点地块的水量变化情况汇总到物联网平台，为灌溉水有效利用系数分析提供基础数据，是农田灌溉水有效利用系数智能测算分析系统中的一个重要组成部分。
二、应用场景分析
1．支持多种传感器
量水监测站中使用翻斗式雨量计（脉冲量接口）、管道流量计（RS485 接口）和超声波明渠流量计（RS485 接口）等传感器感知水量变化，为了感知量水监测站的运行状态，还需要监测如太阳能电池板的电压，蓄电池的电压，以及监测输水设备中水泵、明渠排水闸门等的开关状态。可知，超声波明渠流量计需要设计有：脉冲量采集接口，RS485 通信接口，模数转换接口和开关量采集接口等。
2．任务实时处理
超声波明渠流量计的采集和传输均需要实时处理，以降雨量监测举例。超声波明渠流量计需要记录雨量计发出的脉冲数。如果在降雨过程中雨量计发出的脉冲数没有被超声波明渠流量计获取到，随着时间的推移，降雨数据偏差将会被放大，造成灌溉用水系数计算结果错误。
3．多任务协同
超声波明渠流量计需要实现五大功能，分别是：采集传感器的数据、本地数据的存储与管理、与物联网平台通信、就地显示、参数配置。
超声波明渠流量计要在限定的时间内完成规定的任务。有些任务需要及时紧急处理。例如，超声波明渠流量计在接收到物联网平台的命令后，需要及时响应，必须中断正在执行的相对不重要的任务，如果显示数据的任务。当任务不需要执行时，量水监控终端需要让任务休眠，以提高水监控终端的整体工作效率。
4．支持多种传输协议
传输协议有两个部分：
（1）基于数字接口通信的量水监控终端和智能传感器的传输协议。基于 RS232 或 RS485 接口的智能传感器一般采用 Modbus RUT 协议，一些比较特殊的智能传感器需要支持自定义通信协议。
（2）远程数据中心与
超声波明渠流量计通信时的传输协议。国家出台了两个数据传输规约，即：《水资源监测数据传输协议 SZY206-2016》和《监测数据通信协议 SL651》，主要是为解决各区域数据格式不一致、水资源监测数据管理不统一等问题。随着物联网技术和计算机技术相关技术的普及和广泛应用，XML（可扩展标记语言可扩展标记语言）和 JSON（javascript 对象表示法）等轻量级数据交换表示正在成为主流。这种格式便于人们读写，也便于机器解析和生成，有效地提高了网络传输效率。
5．其他功能
灌溉用水监测的环境铺设供电电缆成本较高，使用率较低，因此，可持续的供电设计越来越受到重视。农业用水属于粮食安全问题，数据加密需要重点考虑。
三、超声波明渠流量计软硬件设计
1．模块化电路设计
从超声波明渠流量计的应用场景分析可以看出，硬件主要包括：通信信号接口、存储器芯片、通信模组电路和显示器等，为了硬件管理需要，必须配置中央处理和供电电源。从功能角度来看，量水监测系统分为电源管理模块、中央处理单元、存储模块、通信模块和数据定位接口，每个硬件都有自己的功能作为一个基本单元，中央处理器是核心，构成一个完整的量水监控终端的硬件结构。硬件结构图如图1 所示。
2．软件分层设计与面向对象编程
超声波明渠流量计的软件不仅要管理硬件中的多个模块，而且要实现逻辑判断，任务切换等功能，简单的顺序编程在设计上很难满足要求，因此引入了嵌入式实时操作系统、分层的软件设计和面向对象的编程方法。
（1）嵌入式实时操作系统
首先，操作系统支持多任务处理，根据各个任务的优先级别进行自动分配系统资源，以保证系统在多任务处理中的协调性。其次，操作系统都是能够满足实时性的要求。在正常任务执行期间，操作系统对任务进行优先级别的排序，优先执行重要任务。此外，操作系统都是可以采用统一的编程接口，方便系统有效扩展，并可以使用开源组件进行快速开发。
（2）软件框架分层
超声波明渠流量计软件分为四层：硬件驱动层、硬件管理层、系统管理层、应用服务层。硬件驱动层与硬件直接相关，直接驱动硬件模块的打开关闭读写操作。硬件管理层为硬件驱动层提供统一的管理框架，并为上层应用提供统一的调用接口，在底层硬件发生变化时无需调整上层的程序。系统管理层即为操作系统，操作系统根据设置好的系统参数，自动为各个任务分配资源，使实时性和多任务性可以得到保障。应用服务层实现各个任务要求，如通信，显示等。
（3）硬件设备数据结构抽象
硬件设备的常见功能包括打开、关闭、编写指令或数据、读取数据或指令、修改设备信息等，因此，硬件设备可以抽象为该数据类型的通用结构数据类型（struct），有 init、open、close、read、write 和 control 等一些操作。将所有硬件设备都被抽象为一个设备对象，定义相关的数据属性和操作。使所有硬件设备都能使用统一的接口管理，提高编程效率，提高设备的可扩展性。（4）传感器数据结构的抽象
超声波明渠流量计需要支持多种传感器，有必要设计一种传感器装置的数据结构，它能表达传感器的所有属性和操作，并能在需要增加传感器数量时快速建立相应的数据结构实体。
传感器的相应属性是名称、类型、参数（基础、校正、阈值）、单位、数据等。在定义传感器属性后，系统根据属性自动分配传感器操作。例如，当类型为模拟类型时，分配给它的数据采集方法是模式转换，较终数据将是在参数中定义的工程量。转换为模拟的校准值。如果类型为 RS485 数字量，则分配给它的数据采集模式是基于 Modbus RTU 协议通信方法的 RS485 接口。传感器中的寄存器地址等信息在参数中定义。
（5）数据传输规约的抽象
JSON 和 XML 对于数据的相关格式有明确的定义，传输的内容可以根据遥测的需要进行定制，因此实现起来并不困难。SZY026 和 SL651 的功能和通信方式发生了很大的变化，但这些协议的数据帧结构定义明确，如数据帧中的功能码、帧头、校验码等。位置和占用的字节是固定的。此外，这些协议的数据帧结构相对相似，属于不同协议的数据帧基本上包含功能码、帧头和校验码等信息组件。根据这一特点，协议可以被抽象成具有数据属性的结构，如帧头、函数代码、编码内容、编码元素和校验码。在协议打包或解码中调用结构处理消息。
四、总结
物联网技术在农田灌溉中的推广应用，将推动农田管理水平的提升，提高灌溉水、肥等资源的利用率。本文介绍了在宁波市农田灌溉水有效利用系数智能测算分析系统中超声波明渠流量计的设计思路，从应用场景出发分析功能需求，在硬件上采用模块化设计的方法，在软件上采用分层设计和面向对象编程的思路，从硬件软件设计中针对应用的需求而设计。
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