基于智能IC卡的节水灌溉控制与管理系统研究

    我国在节水灌溉实时控制与管理方面比较落后，往往还仅限于单个排灌站、取水井、喷灌头、微灌头的控制，并且控制系统与管理系统没有关联。本系统采用IC智能卡在下位机实现阀门的开启和用水时间的设定等控制功能，在上位机实现购水、查询、统计等管理功能。IC 卡在系统中作为信息传输的介质，将控制和管理有机地结合起来，实现节水灌溉的目的。

1 系统组成

    IC卡控制阀门的基本思想是对一灌区内的每一个控制阀建立相对应的IC卡账户，并且采用先付款（或先登记）后供水方式进行。当用户欲打开阀门供水时必须持用户IC卡插卡后设置供水量或启停时间，控制电路则根据用户卡上的信息确认其合法性，若合法且设置值在有效范围内，CPU 会对开、关阀时间进行判断，如到达设定的开、关阀时间，电控系统就控制阀门驱动电路去打开、关闭水阀。在供水过程中，水表的计量机构将水的流量转换成脉冲信号输入单片机，软件根据单片机采样的脉冲，进行实时计算、累加，最后得到用户用水量。如果用户所购水量用完，电控系统便会自动关闭水阀（即使未到用户设定的关机时间）。系统的硬件由上位机（PC 机和卡读写器）和下位机（智能控制和相应的芯片及接口电路）组成。系统结构见图1。

图1 系统结构示意图

2 系统工作原理

    系统采用的加密存储卡容量为256 字节，头32 字节可进行写保护。写保护区的每一字节可单独进行写保护，进行写保护后，内容不可再更改。只有在密码核对正确后，才能修改数据，但未核对密码前数据可以读出。其中有一个密码错误计数器，初始值为3，若密码核对出错1 次，密码错误计数器减1，当密码错误计数器值为0 时，整张卡被锁死，仅能进行读操作。当密码错误计数器不为0 时，有1 次密码核对正确，可恢复到初始值。根据管理上的需要，IC 卡根据功能不同分用户卡、管理卡、清零卡3 种类型。用户卡主要是存储购水量和设定开、关阀时间及用水量记录、用水时间记录等。管理卡主要是设定系统时间及系统查询、修改、维护等。清零卡用于清除控制阀中累计水量、当前用水量和购水量的记录。清除记录只需将清零卡插入并拔出就可以实现。清零卡一般用于对控制阀的初始化。每种卡都有一种独特的卡类型标识符（长度为1 字节，地址为28 H）和系统标识符（长度为4 字节，地址为20 ～ 23 H）。用户卡还起钥匙作用，用户必须持卡购水后才能开启阀门，必须插卡才能设定开、关阀时间。用户购水后首次插卡时，卡中购水量自动存入控制阀中。每次插卡并拔出后就可用功能按键设定开关阀时间。功能按键共有3 个：左键为增加键，按左键可增加被调整时间位；中键为选择键，按中键可选择调整的时间位（被选中的调整位总是处于闪动状态）；右键为确定键，当设定好开阀或关阀时间后按该键就将设定时间值存入控制阀。同时IC卡可以向上位机反馈累计用水量。

3 系统功能

3.1 控制系统功能

    预付费功能：用户需到管理部门购水后才能开启控制阀，当所购水量用完时，控制阀会自动关闭。显示功能：通过此功能用户可以查看用水时间、当前用水量和购水量。

    定时控制功能：用户可通过功能按键设定开关控制阀的时间。到达设定时间时，控制阀就会自动开启或关闭。掉电保护功能：如果电池电量不足，控制阀能及时将关键信息保存起来，并关闭控制阀，以避免误操作。加密功能：该功能可使控制阀识别并显示卡的合法性，即是否为该系统所承认的卡类型，以保证系统的安全性。

3.2 管理系统功能

    建立用户档案（开户）功能：放一张新的用户卡，即创建一个新用户时，都要向数据库录入一条与该卡用户有关的记录。内容包括：发卡时间、购卡单位、售水情况、用户用水情况及用户个人基本资料等信息。

    售水收费管理功能：每次用户购水时，管理部门除向用户卡中充入所购水量外，还向数据库中录入该用户购水量、购水时间和购水金额等。

    用户用水情况管理功能：用户每次插卡操作的信息都会存储到用户卡上，待用户下次购水时通过上位机的IC 卡读写器反馈到数据库中，建立用户用水情况记录，以便于有关部门进行统计。

    统计和查询功能：管理部门可以随时查询用户的购水情况、用水情况、剩余水量等数据，并将其统计成表，但管理人员在没有用户卡的情况下无权修改用户的信息。

    报表打印功能：管理部门可以定期或根据需要将数据库的记录以报表的形式打印。

    用户密码备份功能：用户档案中存有该用户IC 卡的密码，如果用户卡丢失，管理部门需根据该密码制作一新卡，用户才能到对应的控制阀上操作。

    用户卡挂失功能：当用户不慎将IC 卡丢失时，可到管理部门进行挂失。管理部门查实后，在新卡中充入剩余水量发给用户，并将原卡中的相关信息写入新卡中。

    退水管理功能：若用户卡中还有购水量，但用户短期内不需要进行灌溉，通过该功能，可掉退卡中的购水量，并可退回相应的水费。