CN212693879U

CN212693879U - 一种农业用水智能化计量终端

Info

Publication number: CN212693879U
Application number: CN202020340156.5U
Authority: CN
Inventors: 李威; 侯荣奇
Original assignee: Suzhou Beijiafu Electric Automation Co ltd
Current assignee: Suzhou Beijiafu Electric Automation Co ltd
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2020-03-10
Publication date: 2021-03-12
Anticipated expiration: 2030-03-10

Abstract

一种农业用水智能化计量终端，针对计量终端方案，采用电流电压传感器进行电力参数的采集，通过电能计量芯片实现电量的计算，利用温度湿度传感器采集灌溉站点环境信息，由STM32单片机进行电量、水量关系的转换并进行数据的封装，采用RS485接口模块和4G模块实现数据的实时收发。本发明完成农业用水智能化计量终端的设计，通过硬件电路设计实现农业灌溉站点信息的实时采集、数据的智能处理与远程无线传输功能。本发明能做到具有普遍适用性，设备价格底，不受环境影响，维护性好，测量数值准确，使用方便，智能化计量降低了人工成本。

Description

一种农业用水智能化计量终端

技术领域

本发明涉及一种用水计量终端，具体地说涉及一种通过采集水泵电机的电流和电压及温度和湿度等参数，数据传输至电能计量模块和主控芯片，在显示屏显示实时耗电量、供水量和运行状态的一种农业用水智能化计量终端。

背景技术

目前农业用水计量方法主要有，利用水工建筑物进行计量用水，利用水堰、量水槽等特设量水设备进行测流，利用水尺量水，利用仪表仪器进行用水计量，如超声波流量计、电磁流量计等，间接估算法是用水定额推算、电度法、时间法、油耗法等。以上农业用水计量方法均很多缺点：不具有普遍适用性，每个地区需要根据不同情况建设不同的量水设施，工程繁杂，设备价格昂贵，易受恶劣环境影响，可维护性差，测量数值和估算数值之间的关系难以确定，存在一定的误差。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种通过采集水泵电机的电流和电压及温度和湿度等参数，数据传输至电能计量模块和主控芯片，在显示屏显示实时耗电量、供水量和运行状态的一种农业用水智能化计量终端。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种农业用水智能化计量终端，包括控制单元和采集单元，控制单元由外围电路、电源电路、数据采集及处理电路、存储与显示电路、通信接口电路组成，采集单元包括电流互感器、电压互感器、温度传感器、湿度传感器，采集单元用于采集水泵电机的电流和电压及温度和湿度工作环境参数，并将这些数据传输至数据数据采集及处理电路模块，数据采集及处理电路模块包括电能计量模块和主控芯片，主控芯片负责对采集单元获取的数据进行加工处理，转换成所需要的数据类型和数据格式，存储与显示电路包括存储模块和显示模块，存储模块用于存储重要参数，存储每个水泵的电流阈值以及发送时间的间隔，显示模块将数据处理模块中加工完毕的数据在LCD显示屏进行显示实时耗电量、供水量、运行状态以及温度和湿度，同时还会涵盖工作信号指示，通信接口电路采用RS485通讯接口模块，所有上传的数据会以规定的数据帧格由RS485通讯接口模块传输给4G通讯模块，再由4G通讯模块以无线通信的方式上传至服务器。

本发明的有益效果是，一种农业用水智能化计量终端，针对计量终端方案，采用电流电压传感器进行电力参数的采集，通过电能计量芯片实现电量的计算，利用温度湿度传感器采集灌溉站点环境信息，由STM32单片机进行电量、水量关系的转换并进行数据的封装，采用RS485接口模块和4G模块实现数据的实时收发。本发明完成农业用水智能化计量终端的设计，通过硬件电路设计实现农业灌溉站点信息的实时采集、数据的智能处理与远程无线传输功能。本发明能做到具有普遍适用性，设备价格底，不受环境影响，维护性好，测量数值准确，使用方便，智能化计量降低了人工成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的实施例一的硬件总体结构框图。

图2是本发明的实施例一的主控芯片及引脚分配电路图。

图3是本发明的实施例一的复位电路图。

图4是本发明的实施例一的8M时钟晶振电路图。

图5是本发明的实施例一的32.768K时钟晶振电路图。

图6是本发明的实施例一的电源电路图。

图7是本发明的实施例一的电能计量模块芯片电路图。

图8是本发明的实施例一的电能计量模块辅助电路图。

图9是本发明的实施例一的温湿度传感器电路图。

图10是本发明的实施例一的存储电路图。

图11是本发明的实施例一的LED指示电路图。

图12是本发明的实施例一的存储显示电路图。

图13是本发明的实施例一的通信接口电路图。

具体实施方式

实施本发明的一种农业用水智能化计量终端，包括控制单元和采集单元，控制单元由外围电路、电源电路、数据采集及处理电路、存储与显示电路、通信接口电路组成，采集单元包括电流互感器、电压互感器、温度传感器、湿度传感器，采集单元用于采集水泵电机的电流和电压及温度和湿度工作环境参数，并将这些数据传输至数据数据采集及处理电路模块，数据采集及处理电路模块包括电能计量模块和主控芯片，主控芯片负责对采集单元获取的数据进行加工处理，转换成所需要的数据类型和数据格式，存储与显示电路包括存储模块和显示模块，存储模块用于存储重要参数，存储每个水泵的电流阈值以及发送时间的间隔，显示模块将数据处理模块中加工完毕的数据在LCD显示屏进行显示实时耗电量、供水量、运行状态以及温度和湿度，同时还会涵盖工作信号指示，通信接口电路采用RS485通讯接口模块，所有上传的数据会以规定的数据帧格由RS485通讯接口模块传输给4G通讯模块，再由4G通讯模块以无线通信的方式上传至服务器。

实施本发明的一种农业用水智能化计量终端，主控芯片是农业用水计量终端的核心部分，主控芯片协调各模块之间的运转，主控芯片安装在计量终端内，计量终端安装在紧邻电机的动力柜内，主控芯片存在有电磁干扰，主控芯片必须具有抗电磁干扰性能，主控芯片采用STM32F103系列的单片机，能保证主控芯片的稳定运行。

实施本发明的一种农业用水智能化计量终端，外围电路包括复位电路和时钟振荡电路组成，复位电路中单片机正常工作时，RESET引脚处于高电平状态，在复位引脚与GND之间加入复位按键，当装置需要重置时，按下复位按键，RESET与GND连通，表现为低电平，系统自动复位，时钟振荡电路采用三个时钟源，高频、低频晶振电路和数字振荡器，数字振荡器集成在芯片内部，初始振荡频率为8MHz通过二分频和倍频最高可达64MHz，晶振电路两端并联电容能够最大限度的保证频率值的误差，同时也能保证温漂等误差，并联的电阻起到阻抗匹配的作用，为晶体本身工作提供更良好的条件。

实施本发明的一种农业用水智能化计量终端，电源电路直流输出为3.3V、5V、24V三种电压等级的电路组成，电能计量模块工作电压为3.3V，4G通讯的供电为24V，LCD显示器背光输入电压为5V，指示灯工作标准电压为5V，MCU及EEPROM为3.3V电压供电。

实施本发明的一种农业用水智能化计量终端，电能计量模块是通过测量计量水泵电机消耗的电量，根据电水转换关系间接计量用水，电量的测量是数据采集处理部分的核心，采用IDT-90E36电能计量芯片，是测量电气参数的高级精密电能计量芯片。

实施本发明的一种农业用水智能化计量终端，温度湿度采集模块采用DHT11作为温度湿度传感器进行站点环境的监测，DHT11传感器具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、数字输出的优点，DHT11传感器包括一个感湿元件和一个负温度系数热敏电阻器(NTC)，传感器校准系数存储在一次性可编程(OTP)内存中，在检测信号的处理过程中要调用这些系数，数据可以通过串行接口直接传输到单片机，DHT11传感器与单片机之间仅需一个I/O接口，可以采用简单的单总线进行通信，1脚接3.3V直流供电，2脚和STM32的PC4引脚相连，3脚4脚与GND连接。

实施本发明的一种农业用水智能化计量终端，存储模块应根据每个灌溉站点的水泵规格/功率的不同，其带载电流也应不同，在计量终端中设定的阈值也应相应匹配，电、水法系数应随着水泵电机设备的工作年限的增加来修订，为了方便设备后期的运行维护，在计量终端电路中设置了一块存储电路，采用外部存储芯片24C02作为存储，用于存储上位机下传的修订参数。

实施本发明的一种农业用水智能化计量终端，显示模块包括LED指示电路和液晶显示电路，LED指示电路共有三个指示灯，电源指示灯LED常亮，运行指示灯LED0在水泵带载运行时常亮，通信指示灯LED1在数据发送和接收时进行闪烁，发光二极管正极接有510Ω的限流电阻起保护作用，防止电流超过二极管的承载能力，LED显示电路中的LED0、LED1分别与STM32微处理器的PC5、PE5连接，液晶显示电路采用了ALIENTEK TFTLCD液晶屏，大小为3.5寸，分辨率320*480(RGB)，工作电压采用3.3V，背光电压采用5V，LCD电路功能是实时显示站点中每个泵站的运行状态(开/关)、实时耗电量、实时供水量、运行时间以及站点的相关环境参数，方便灌溉站点的管理人员能够直观获取站点机器的工作情况。

实施本发明的一种农业用水智能化计量终端，通信接口电路用RS485接口电路与4G通讯进行通信，采用RS485接口电路具有抗干扰性强、传输速率高、可联网工作、兼容性好。

本发明实施例一如下：

主控芯片采用STM32F103系列的单片机，具有以下几方面特点：

1.内核：STM32单片机采用32位的Cortex-M3微处理器，其工作频率最高可达72MHz，并且自带单周期乘法以及内部除法。2.时钟、复位和电源：MCU是通过2.0V-3.6V的DC电源供电的，并且其IO驱动电压与工作电压一致，其内部自带上电、掉电复位功能，同时需外接32.768kHz时钟晶振及8MHz晶振使系统正常工作。3.低功耗：STM32单片机有休眠、停止、待机三种的功耗模式，可以在特定的时候工作在低功耗模式下，增加工作时间。4.丰富的IO功能：STM32具有SWD和JTAG两种烧写方式可分别独立进行程序下载；同时具有12路DMA通道可以更加快速的采集数据；自带16个12位AD采集通道同时测量；内部有两个12位D/A模块；同时支持ADC，DAC，SPI，IIC和串口等外设。5.多个通信接口：STM32单片机拥有两个IIC接口；两个IIS复用接口；三个SPI通信接口：五个USART接口；并且支持USB2.0和SDIO同时传输接口的功能。考虑到MCU能够同时支持两个电能计量模块以SPI方式进行通信，同时还需要以IO形式驱动LCD及其他外设，故在芯片选型上需要考虑GPIO的数量是否充足。为了留有一定的裕量，本计量终端选择144引脚的STM32F103ZET6单片机作为MCU。

根据实地考察，一个农业灌溉站点最多含有四个水泵，个别站点含有两个或者三个水泵，因此在设计MCU与电能计量模块的接口时，为了计量终端产品的普遍适用性，按照四个水泵的规格进行设计，即需接入两个电能计量模块(一个电能计量模块能够计量两台机器的电量)，故将PB10-PB11、PB12-PB15作为电能计量模块1与MCU的接口，PE3-PE4，PC0-PC4作为电能计量模块2与MCU的接口，前两个端口为GPIO通过控制高低电平选择IDT90E36的工作模式，后四个GPIO通过软件模拟SPI时序达到SPI通信的功能。RS485的使能端口只需一个GPIO即可，选择PA0，发送接收端口选择STM32的USART_TX和USART_RX引脚作为通信接口。温度湿度传感器的数据传输位和信号指示灯的引脚端口没有特殊要求，普通的IO口即可。本发明设计的存储单元主要通过IIC驱动，故选择STM 32的I2C1_CLK、I2C1_SDA作为其引脚。LCD显示模块是通过IO并行驱动的，所以将整个连续的GPIOD作为其数据地址位，剩余的控制位选择普通的IO口即可。

电源模块是为保证数据采集和通信的可靠性提供支撑，4G模块的输入电压应远高于最低5V的工作电压，以保证通信模块的充足供电，电源的输入端为220V交流市电，此供电来源于动力柜，之后经过船型电源开关和保险丝连接至交、直流电源转换模块HE24P24LRN，将220V交流电转换成24V直流电，在输出端并联1000uf的电解电容，依靠其充放电特性，能够平滑整流后的直流电压纹波，对于存留的高频及脉冲干扰信号，采用在其两端并联104电容的方式，对高频及脉冲干扰进一步滤除，此时电容两端为24V平稳的直流电压，为4G模块提供稳定的供电支撑，24V直流电压作为LM2596降压芯片的输入，输出端主要由二极管、工字电感、电解电容构成，电感起到储能、降压的作用，电容达到平稳电压的目的，简单的说，开关管导通时，电感充电，电容提供电压，开关管截止时，电感放电，电容稳定电压，滤波电容两端的5V直流电为液晶显示提供电压需求，最后5V直流电压经过LM1117集成块的3.3V降压芯片转换成3.3V直流电为STM32及电能计量模块提供电压支撑。

电能计量模块是通过测量计量水泵电机消耗的电量，根据电、水转换关系间接计量用水，所以电量的测量是数据采集处理部分的核心。采用IDT-90E36电能计量芯片，这是一款测量电气参数的高级精密电能计量芯片。芯片可对电力系统中的三相四线(三线)制的电压和电流信号进行准确测量。芯片中的信号处理电路与参考电路，能对电压(电流)相位角、电压(电流)有效值、有功(无功)功率、功率因数等在内的电气参数进行准确检测，与应用的需求相匹配。电能计量模块电路左侧为电路的信号采集部分，IDT-90E36的输入信号可以为三路，分别对应三相电路的ABC三相。为了提高整个农业用水计量终端的普遍适用性，规定一个电能计量模块测量两个水泵电机的电气状态。同时，根据实地调研，泵站中的电机采用三相四线制接法，Y-Δ的启动方式，运行时观测动力柜内嵌的电流、电压表，基本处于三相平衡状态，所以可采用一瓦计的方式，只需获取线电压和线电流即可从芯片寄存器中读取单相功率，再根据三相平衡间接计算得到三相功率，根据现场调研应用试点地水泵类型基本为混流泵，最大工作电流不超过100A，同时三相电机中任意两相之间的电压大约在380V-400V数值区间。IDT-90E36芯片手册中要求A/D输入信号的电压范围在120uVrms-720mVrms之间有效，读出的数值较为精准，故需要在采集端进行信号处理。电流采集部分采用KHCT921L开合式电流互感器，该类型互感器通过松紧螺丝固定在待测量线缆上，输出端与中端子H3/H4相连。互感器一次侧与二次侧的电流比为100A/40mA，为了保证二次侧两端的电压能够满足120uVrms-720mVrms之间，故在二次侧并联10Ω的采样电阻，此时二次侧输出电压范围：0Vrms-4mVrms，满足电压输入要求，18nf的电容起到信号滤波的作用。电压采集部分采用DL-PT202H1精密型电压互感器，其耐压值为380V，采样电压为4V，互感器一次侧和二次侧的电流比为2mA/2mA，同样需要在输入侧进行信号处理，电机实际工作电压稳定在380V-400V之间，因此在正极串联2个200kΩ的限流电阻，保证正极电流在2mA承载范围以内，同时在输出端两侧并联200Ω的采样电阻，使得计量芯片的输入电压稳定在120uVrms-720mVrms之间。芯片的外围电路中，芯片采用16.384MHz作为系统工作频率，芯片内部已经构建了晶体振荡电路和10pf的匹配电容，外围电路只需在OSSI和OSCO端口之间接16.384MHz有源晶振。芯片供电由外部提供，经过整流和稳压之后输出3.3V到芯片数字电源DVDD，模拟电源AVDD经过一个10uh的滤波电感直连DVDD。同样，数字地和模拟地之间也连接有滤波电感。芯片的基准电压引脚Vref外接10uf和0.1uf两个电容与模拟地相连。芯片将SPI接口作为与外部MCU通信的接口，MCU采用SPI方式对芯片寄存器进行配置读写，该芯片的SPI接口有主/从两种工作模式。在从方式的工作模式下，寄存器读写操作由SPI接口完成。读写数据的完整大小为32bits，由16bits数据位和16bits地址位构成。在地址位当中，最高位控制操作模式，最高位置1是读操作，最高位置0位写操作，bit0-bit9对应芯片中寄存器的有效地址，其余位为保留位。

存储电路中24C02是一个串行的EEPROM芯片，该存储模块因为拥有体积小、驱动简单、掉电能够进行数据保护的优点，在电气工业、自动化控制产业得到了广泛的应用。24C02是一个基于IIC总线的存储器件，内含256个存储单元，每个单元可以容纳1Byte，本计量终端所需要存储的电流阈值、电-水转换系数以及发送间隔等参数在256个字节以内。根据引脚的功能和电气特性，引脚5和引脚6需要和STM32具有IIC_SCL和IIC_SDA功能的引脚PB6和PB7连接，104电容起到滤波的作用。

液晶显示电路中的显示模块采用了ALIENTEK TFTLCD液晶屏，大小为3.5寸，分辨率320*480(RGB)，工作电压采用3.3V，背光电压采用5V。其主要功能是实时显示站点中每个泵站的运行状态(开/关)、实时耗电量、实时供水量、运行时间以及站点的相关环境参数，方便灌溉站点的管理人员能够直观获取站点机器的工作情况。TFTLCD模块采用16位并行的方式与单片机的一个完整的GPIO口直连，同时，复位引脚和单片机的复位引脚相连，不由软件控制，节省一个IO口。

通信接口电路中RS485共有A、B两线，以电平差表征逻辑，采用差分信号传递数据。A、B端的电压分别为V_A、V_B，当V_A比V_B高0.2V时逻辑为1；反之逻辑为0；当两端的绝对电压差小于0.2V时逻辑将判定为不确定。RS485接口A、B端的连接线是阻抗特性为120Ω的双绞线，因此在A、B两端接入120Ω电阻进行阻抗匹配，以达到增加信号强度、减少信号反射的目的。由于RS485只能支持半双工通信，因此将芯片的发送/接收使能端DE/RE短接在一起，并且与单片机的一个IO口相连，通过控制高低电平来决定RS485的工作模式，默认RS485处于接收状态。RS485芯片的RO、DI分别和单片机的RXD、TXD连接，引脚A、B分别与4G通讯模块的A、B口相连接，此外还需外接天线增强信号强度并提供SIM卡支持。

实施本发明，效果很好。

Claims

1.一种农业用水智能化计量终端，包括控制单元和采集单元，其特征在于，在所述控制单元由外围电路、电源电路、数据采集及处理电路、存储与显示电路、通信接口电路组成，采集单元包括电流互感器、电压互感器、温度传感器、湿度传感器，采集单元用于采集水泵电机的电流和电压及温度和湿度工作环境参数，并将这些数据传输至数据数据采集及处理电路模块，数据采集及处理电路模块包括电能计量模块和主控芯片，主控芯片负责对采集单元获取的数据进行加工处理，转换成所需要的数据类型和数据格式，存储与显示电路包括存储模块和显示模块，存储模块用于存储重要参数，存储每个水泵的电流阈值以及发送时间的间隔，显示模块将数据处理模块中加工完毕的数据在LCD显示屏进行显示实时耗电量、供水量、运行状态以及温度和湿度，同时还会涵盖工作信号指示，通信接口电路采用RS485通讯接口模块，所有上传的数据会以规定的数据帧格由RS485通讯接口模块传输给4G通讯模块，再由4G通讯模块以无线通信的方式上传至服务器。

2.根据权利要求1所述的一种农业用水智能化计量终端，其特征在所述主控芯片是农业用水计量终端的核心部分，主控芯片协调各模块之间的运转，主控芯片安装在计量终端内，计量终端安装在紧邻电机的动力柜内，主控芯片存在有电磁干扰，主控芯片必须具有抗电磁干扰性能，主控芯片采用STM32F103系列的单片机，能保证主控芯片的稳定运行。

3.根据权利要求1所述的一种农业用水智能化计量终端，其特征在所述外围电路包括复位电路和时钟振荡电路组成，复位电路中单片机正常工作时，RESET引脚处于高电平状态，在复位引脚与GND之间加入复位按键，当装置需要重置时，按下复位按键，RESET与GND连通，表现为低电平，系统自动复位，时钟振荡电路采用三个时钟源，高频、低频晶振电路和数字振荡器，数字振荡器集成在芯片内部，初始振荡频率为8MHz通过二分频和倍频最高可达64MHz，晶振电路两端并联电容能够最大限度的保证频率值的误差，同时也能保证温漂误差，并联的电阻起到阻抗匹配的作用，为晶体本身工作提供更良好的条件。

4.根据权利要求1所述的一种农业用水智能化计量终端，其特征在所述电源电路直流输出为3.3V、5V、24V三种电压等级的电路组成，电能计量模块工作电压为3.3V，4G通讯的供电为24V，LCD显示器背光输入电压为5V，指示灯工作标准电压为5V，MCU及EEPROM为3.3V电压供电。

5.根据权利要求1所述的一种农业用水智能化计量终端，其特征在所述电能计量模块是通过测量计量水泵电机消耗的电量，根据电水转换关系间接计量用水，电量的测量是数据采集处理部分的核心，采用IDT-90E36电能计量芯片，是测量电气参数的高级精密电能计量芯片。

6.根据权利要求1所述的一种农业用水智能化计量终端，其特征在所述温度传感器、湿度传感器采用DHT11作为温度湿度传感器进行站点环境的监测，DHT11传感器具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、数字输出的优点，DHT11传感器包括一个感湿元件和一个负温度系数热敏电阻器NTC，传感器校准系数存储在一次性可编程OTP内存中，在检测信号的处理过程中要调用这些系数，数据可以通过串行接口直接传输到单片机，DHT11传感器与单片机之间仅需一个I/O接口，可以采用简单的单总线进行通信，1脚接3.3V直流供电，2脚和STM32的PC4引脚相连，3脚4脚与GND连接。

7.根据权利要求1所述的一种农业用水智能化计量终端，其特征在所述存储模块应根据每个灌溉站点的水泵规格/功率的不同，其带载电流也应不同，在计量终端中设定的阈值也应相应匹配，电、水法系数应随着水泵电机设备的工作年限的增加来修订，为了方便设备后期的运行维护，在计量终端电路中设置了一块存储电路，采用外部存储芯片24C02作为存储，用于存储上位机下传的修订参数。

8.根据权利要求1所述的一种农业用水智能化计量终端，其特征在所述显示模块包括LED指示电路和液晶显示电路，LED指示电路共有三个指示灯，电源指示灯LED常亮，运行指示灯LED0在水泵带载运行时常亮，通信指示灯LED1在数据发送和接收时进行闪烁，发光二极管正极接有510Ω的限流电阻起保护作用，防止电流超过二极管的承载能力，LED显示电路中的LED0、LED1分别与STM32微处理器的PC5、PE5连接，液晶显示电路采用了ALIENTEKTFTLCD液晶屏，大小为3.5寸，分辨率320*480RGB，工作电压采用3.3V，背光电压采用5V，LCD电路功能是实时显示站点中每个泵站的运行状态开/关、实时耗电量、实时供水量、运行时间以及站点的相关环境参数，方便灌溉站点的管理人员能够直观获取站点机器的工作情况。

9.根据权利要求1所述的一种农业用水智能化计量终端，其特征在所述通信接口电路用RS485接口电路与4G通讯进行通信，采用RS485接口电路具有抗干扰性强、传输速率高、可联网工作、兼容性好。