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IC卡技术在农业用水分户计量中的应用与研究

来源:一卡通世界      作者:王学峰      2013-7-22 16:30:41

    摘要: 论述了IC卡在农业灌溉工程中的应用,包括IC卡的写入、IC卡的读出执行及工程控制部分;阐述了IC卡与磁卡和井控IC卡相比较所具有的优势及适用灌溉方式,与无线远程控制相比较所具有的管理和使用灵活的特点;从安全性与实用性等方面论述了IC卡在农业用水分户计量应用中的可操作性,为农业用水实施有计划、有秩序和总量控制提供技术支持。

    0 研究背景

    干旱和半干旱的北方地区农牧业比较发达,但是近几年来,干旱一直影响着这些地区农牧业的发展。为了促进生产,各地区消耗了大量的水资源,超量采集地下水,使有些地区已经接近无水可采,严重影响到人畜的生存。据资料统计,农业用水占整个用水的70% 一80% ,绝大部分农田采用效率很低的灌溉方式。其原因:一方面是国家投人不足;另一方面是用水管理机制没有建立,使农业灌溉用水处于无序状态,浪费了大量的水资源。目前,农业灌溉用水逐步采用节水灌溉方式(如喷灌、滴灌等),特别是半干旱农业生产比较发达地区,计划在5—8年时间内使原来采用漫灌的农田基本上都采用灌溉效率较高的节水方式。但政府在强力推行农业节水过程中出现以下一些问题:一是灌溉方式比较单一,政府只推行膜下滴灌技术,为用户免费提供滴灌管,其他节水方式则没有补贴;二是与滴灌技术相配套的用水管理机制没有建立,使得节水灌溉是政府有积极性,但百姓并不买帐。滴灌方式一方面增加劳动力成本(这部分政府没有补贴);另一方面农业灌溉用水费还是采取大锅饭的结算方式,即秋后按每公倾的耗水量或消耗的电量来平摊结算,不能详细体现每个用户的用水量;甚至秋后收水费也是一个难题,使用户没有节约用水的积极性,甚至拒绝使用滴灌管。本课题的意义在于使用地下输水管道,每个用户有1个或多个出口,每个出水水口设置1个阀门,通过使用IC卡控制阀门的开启与关闭,对用户的用水量进行精确计量,使农业灌溉用水能够有计划地采取地下水,定量不定时。另外,利用IC卡把费率和控制功能合一的技术,对灌溉用水实行总量控制,杜绝无序开采和用水,利用价格调节,引导用户采用节水方式进行灌溉,提高用水效益。

    1 IC卡控制的基本原理

    IC卡技术在银行、电力、饮食和用水等消费领域应用越来越广,这些领域费还要涉及到输出控制技术。一个完整的IC卡应用系统包括如框图1所示几个主要单元。

  IC卡应用系统框图

图1 IC卡应用系统框图

    1.1 IC卡读出写入管理单元

    主要包括读出写入器和计算机。这部分的主要作用是对IC卡进行充值,对IC卡的使用状况做记录,对每张IC卡用户的用水量进行记载,为实施管理提供方便快捷的服务。

    1.2 控制单元

    控制单元是在本题中最重要的一个单元,不但要完成IC卡的读出写入功能,还要输出控制信号,它的主要功能如框图2所示。

 控制单元功能框图

图2 控制单元功能框图

    控制单元是一个独立的、放置于农田中间的、对IC卡的数据进行读写和执行的控制设备,又称读出写入盒或简称控制盒。其功能主要包括:
    1)显示功能:对控制盒的功能进行显示,并提示操作顺序和步骤;
    2)功能键:包括0~9数字键、时间、输出路数和确认键,在农田灌溉中对水量的计量是以时间模式进行的,输出的路数就是每一路控制一个阀门,选择不同的路数就是选择不同的输出控制阀f-I;
    3)读写区:对IC卡进行读写的区域;
    4)输出:是对IC卡中的数据读入控制盒之后,控制盒要输出的控制信号,这个信号是开关量,开是高电平信号,这个信号延续时间的长短就是灌溉的时间,关是低电平信号,执行它阀门关闭;
    5)中心控制器:由集成电路组成,是本设备的核心,在这里完成IC卡与控制盒的数据交换,并把数据转换成功能键的命令,实施输出控制,这些输出可以是1路、2路、4路或更多路。

    1.3 执行单元

    它主要由两部分组成,即功率放大和电动阀门。功率放大是把控制单元输出的开关信号进行放大,控制直流电机的正反转,每一路都必须进行功率放
大,且相互独立。电动阀门是由直流慢速电机和阀门体组成。开关信号的变化来驱动电动机的正转和反转,并带动阀门的开启和关闭。阀门开启的时间就是灌溉时间。

    2 灌溉组成单元

    灌溉组成单元如图3所示。

 濯溉组成单元图

图3 濯溉组成单元图

    图3是以每个控制盒输出两路为例,控制盒之间除了直流电源相连外,它们之间是相互独立的。每个控制盒输出两路开关信号,每路的开关信号又是独立的。控制盒1只能容纳两个用户,即每个用户至少有1个阀门。另外,一个用户根据自己承包的土地面积大小可以申请阀门l、阀门2、阀门3等多个阀门,为拥有土地面积大小不同的用户提供可以选择的余地。用户可以根据管道的输水量开启阀f-I 1、阀门2或阀门3等,直到所有开启的阀门出水量等于主管道的输水量,这叫并联使用。用户可以根据种植不同的作物,选择不同的阀门(如阀门2、阀门5等),满足不同农作物的用水需求,但每个阀门的水控面积内必须种植同一种作物。由于使用恒压泵供水,这里不用担心只开启一个阀门时水压会有变化而撑破滴灌管。

    3 IC卡在农田灌溉中的分户计量计算

    3.1 水量的计算

    农田灌溉中输水管道的口径和位置是固定的,决定了电动阀门的口径和位置也是固定的。另外,在使用节水方式灌溉时(如地表面的滴灌技术),输水管内的压力也是恒定的,从而决定了通过阀门的水压力是恒定的,或使用恒压泵来供水。水通过某个阀门的流量是固定不变的,设为9,这个流量必须根据阀门的口径、位置由人工现场测定,不同的阀门有不同的流量,但对于某个阀门这个流量就是常数。阀门开启时间为H,这是用户可选的变量,则用水量M=QxH。

    3.2 费率换算

    计算机根据不同用户的Q值和使用的时间H,对IC卡中的金额进行费率换算。这种换算由程序操作员来完成,实现水用量的管理功能。每个用户可以申请1张IC卡,1张IC卡可以控制1个阀门,也可以控制多个阀门。多个阀门可以顺时开启工作,即多个用户可以并联同时用水。

    4 IC卡在农田灌溉分户计量中的特点

    4.1 与井控lC卡相比较

    井控IC卡就是使用IC卡控制机电井的水泵,每个用户有1张IC卡,使用时插入控制盒,水泵开始工作,关闭水泵时抽出IC卡。这种井控的优点是,用水量是分户计量,先付费后使用,为用水管理提供方便。

    缺点:一是多个用户连续使用时水泵要频繁地启动,容易损坏水泵;二是各用户之间必须串联使用,即一个用户使用完毕另一个用户才能使用;三是若采用效率较高的滴灌方式进行的话,另一些用户必须等待较长时间才能用上水,有的甚至几天。显然不适用于节水方式,仅适用于效率低下的漫灌。

    4.2 与无线远程控制相比较

    无线远程控制是在主控机(主控计算机与无线发射接收设备)与农田中接收控制设备之间实行的传输控制,它主要控制阀门的开启与关闭。它的优点是:自动化程度高,用户只需与操作员联系,由操作员完成水控任务,用户本身不需要到田间去操作;分户计量,并联使用。缺点是:设备成本较高;先用水后交费,不利于用水管理。

    4.3 lC卡技术的特点

    1)用户必须携带IC卡到田间中的控制盒去亲自操作,自行选择灌溉时间、灌溉水量和灌溉区域,使用方式方法灵活,不受其他人为因素的影响,而且必须在IC卡上存储一定额度的资金以后才能消费,属于先交钱后使用,有利于用水管理。
    2)使用IC卡控制阀门,根据管道的输水量,几个用户可以同时使用,特别适用于效率较高的滴灌方式。滴灌最大的优点是省水,单位面积的耗水量最少,缺点是灌溉所用时间较长。几个用户同时并联使用,可以在同一时间内灌溉较大面积的土地,不但及时灌溉作物,而且提高用电效率。

    5 lC卡在农田灌溉应用中的可行性

    5.1 操作简单

    用户只要把卡插入田间的控制盒。控制盒自动辨认卡号,用户只要输入灌溉时间和阀门路数(要开启的阀门),按确认即可。抽出IC卡,阀门自动开启,运行完用户所选取时间之后,阀门自动关闭。用户可以在其他控制盒上(已经申请并被确认的控制盒)重复上述过程。这个过程不需要培训,只需介绍即可。

    5.2 集中管理,分散使用

    利用IC卡的控制功能,政府以一个自然村为一个单位集中管理IC卡的充值、费率计算和总量记录等功能,并建立与实施用水的奖惩制度,规范和约束用户的用水行为。而用户的用水时间、用水量和用水区域则由用户自己决定。通过IC卡的使用,政府可以掌握本村的用水总量以及每个用户的用水量。

    5.3 IC卡控制的灵活性

    IC卡控制不仅适用于一家一户的分散经营种植,而且也适用于集约化和大面积的种植。因为1张IC卡可以控制1个阀门,也可以控制多个阀门。

    5.4 为用水管理提供有力的技术保障

    用水管理的核心问题是分户计量。本题中一个用户所使用的阀门数是固定的,每个用户至少拥有一个阀门或多个阀门,但每个用户只有一张IC卡,这就为分户计量和总量控制提供方便。管理者通过IC卡提前预收取用水费用,用户分时使用,IC卡内若没有金额时,阀门要么打不开,要么自动关闭,实行计划用水,先交费后用水。

    6 结束语

    本文主要对IC卡的控制盒及应用进行了论述,同时也在实际应用中得到了验证。IC卡技术的迅速发展,为人们的生产、生活、工作和出行等方面提供了方便,IC卡技术在农田用水分户计量中具有很大的推广应用价值,它计量简单,使用方便灵活,不但适用于目前农田的一家一户的分散经营,而且也适用于农田的集约化经营种植。与其他几种控制形式相比较,IC卡技术的可操作性比较符合农村农民灌溉农田用水习惯,如配以严格的用水管理和国家政策的支持,相信对地下水的无序开采和粗放式的使用能够得到规范和管理。

    参考文献:
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