（模式识别与智能系统专业论文）基于ic卡技术及gsm网络的农业灌溉及地下水管理系统.pdf

t i t l e a g r i c u l 月u r ei i u u g a t i o na n dm a n a g e g r o u n d 7 ：a t e rs y s t e m sb a s e do ni cc a r d t e c h n o l o g ya n dg s mw i r e l e s s n e t w o r k at h e s i ss u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i n p a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o r t h ed e g r e eo f m a s t e r o f e n a i n e e r i n g t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a n gy u i i e 一o 一 m a y , 2 0 1 0 基于i c 卡技术及g s m 网络的农业灌溉及地下水 管理系统 摘要 我国北方地区农业灌溉主要依赖于开采地下水，然而采水灌溉缺乏自动 计量和监控设备对机井的采水量和农业灌溉进行有效管理。本文针对农业灌 溉及地下水开采中存在的问题，提出了基于g s m 无线网络及i c 卡计费的 农业灌溉及地下水管理系统的设计方案，实现了农业灌溉用水的远程控制与 地下水开采信息管理。本文主要完成了以下几个方面的工作： ( 1 ) 通过对系统的需求分析，对农业灌溉及地下水管理系统进行了功 能划分，整个系统包括控制终端、i c 卡付费终端和计算机监控中心三个部 分。 ( 2 ) 完成了控制终端的硬件设计，控制终端以p 8 9 l v 5 1 r d 2 单片机为 核心，通过控制i c 卡读写模块、g s m 模块、流量采集模块、开关量输出等 模块，实现了机井用水量的计量、用户i c 卡水量消减和机泵启停控制，同 时将采集到的用水量信息通过g s m 网络发送至监控中心计算机。 ( 3 ) 完成了i c 卡付费终端的设计，通过付费终端向用户i c 卡中写入 充值信息。讨论了i c 卡充值时的安全问题，提出了数据加密算法并进行了 i c 卡安全密匙的设计。 ( 4 ) 在v i s u a lb a s i c6 0 平台下开发了农业灌溉及地下水管理软件，实 现了采水信息显示与存储、数据统计、系统故障监视、用户信息管理、报表 打印等功能。 实验室运行数据表明，该系统实现了农业灌溉用水的计量与灌溉采水远 程监控，有效的控制农业灌溉对地下水的过度开采。 关键词：灌溉管理，g s m 模块，i c 卡读写模块，单片机 a g i u c u l 月u r ei l u u g a t i o na n dm a n a g e g r o u n d 7 ：a l t e rs y s t e m sb a s e do ni cc a r d t e c h n o l o g ya n dg s mw i r e l e s sn e t w o r k a b s t r a c t a g r i c u l t u r a li r r i g a t i o ni nn o r t h e mc h i n am a i n l yd e p e n d so nt h ee x p l o i t a t i o n o fg r o u n d w a t e r h o w e v e r , w a t e rh a r v e s t i n ga n di r r i g a t i o n ，l a c ko fa u t o m a t i c m e t e r i n ga n dm o n i t o r i n ge q u i p m e n tt om a n a g em o t o r - p u m p e dw e l lw a t e r h a r v e s t i n ga n di r r i g a t i o nf o ra g r i c u l t u r ee f f e c t i v e l y f o ra g r i c u l t u r a li r r i g a t i o n a n dg r o u n d w a t e r m i n i n gp r o b l e m ，p r o p o s e da g r i c u l t u r a li r r i g a t i o n a n d g r o u n d w a t e rm a n a g e m e n ts y s t e md e s i g nb a s e do nt h eg s m w i r e l e s sn e t w o r k a n di cc a r db i l l i n g r e m o t ec o n t r o lo fi r r i g a t i o nw a t e ra n dg r o u n d w a t e rm i n i n g i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ta r ei m p l e m e n t e d t h i sp a p e rc o m p l e t e st h ef o l l o w i n g t a s ka s p e c t s ： ( 1 ) t h r o u g ha n a l y z i n gt h en e e d so ft h es y s t e m ，t h ef u n c t i o n so ft h e a g r i c u l t u r a li r r i g a t i o na n dg r o u n d w a t e rm a n a g e m e n ts y s t e ma r ed i v i d e d t h e c o n t r o lt e r m i n a l ，i cc a r dp a y m e n tt e r m i n a l sa n dt h em o n i t o r i n gc e n t e ro ft h e c o m p u t e ra r ei n c l u d e di nt h ee n t i r es y s t e m ( 2 ) c o n t r o lt e r m i n a lh a r d w a r ed e s i g ni sc o m p l e t e d ，c o n t r o lt e r m i n a lu s e s p 8 9 l v 51r d 2m c ua st h ec o r ec h i p b yc o n t r o l l i n gt h er f i dr e a d e rm o d u l e ， g s mm o d u l e ，t r a f f i ca c q u i s i t i o nm o d u l e ，d i g i t a lo u t p u t sm o d u l e ，m o t o r - p u m p e d w e l lw a t e rc o n s u m p t i o nm e a s u r e m e n t ，t h eu s e ri cc a r do v e r a g er e d u c t i o na n d t h ep u m pc o n t r o la r ea c h i e v e d a tt h es a m et i m e ，t h ew a t e rc o l l e c t e dm o n i t o r i n g s e n dt ot h ec e n t e rc o m p u t e rt h r o u g ht h eg s mn e t w o r k ( 3 ) t h ed e s i g no ft h ei cc a r dp a y m e n tt e r m i n a li sc o m p l e t e d t h er e c h a r g e i n f o r m a t i o ni sw r i r e nt ot h ei cc a r do ft h eu s e rt h r o u g ht h ep a y m e n tt e r m i n a l t h es a f e t yp r o b l e mi sd i s c u s s e dw h e nt h ei cc a r di sr e c h a r g i n g t h ee n c r y p t i o n a l g o r i t h mo f t h ed a t ai sp r o p o s e d ，t h es e c u r i t yk e yo ft h ei cc a r di sd e s i g n e d ( 4 ) i nv i s u a lb a s i c6 0p l a t f o r m ，t h ea g r i c u l t u r a li r r i g a t i o na n dt h e m a n a g e m e n ts o f t w a r eo ft h eg r o u n d w a t e ra r ed e v e l o p e d d i s p l a ya n ds t o r a g eo f t h ew a t e rh a r v e s t i n gi n f o r m a t i o n ，d a t as t a t i s t i c s ，f a u l tm o n i t o r i n go ft h es y s t e m ， u s e ri n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t ，r e p o r t i n g ，p r i n t i n g a n d o t h e rf e a t u r e sa r e a c h i e v e d t h ed a t as h o w st h a tt h ew a t e rm e a s u r e m e mo ft h ea g r i c u l t u r a li r r i g a t i o na n d w a t e rh a r v e s t i n ga r ei m p l e m e n t e di nt h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m t h e o v e r - e x p l o i t a t i o n o fg r o u n d w a t e ri nt h e a g r i c u l t u r a li r r i g a t i o n h a sb e e n e f f e c t i v e l yc o n t r o l l e d k e yw o r d s ：i r r i g a t i o nm a n a g e m e n t ，g s mm o d u l e ，i cc a r dr e a d e rm o d u l e ， m c u i i 目录 摘墨耍i a b s t r a c t i 目录- 。i 1 绪论。1 1 1 课题的研究意义。1 1 2 国内外农业灌溉及地下水管理现状2 1 2 1 国外农业灌溉及地下水管理现状2 1 2 2 国内农业灌溉及地下水管理现状3 1 3i c 卡技术的发展3 1 4 数据远程通信4 1 4 1 几种数据远程通信方式的比较4 1 4 2g s m 网络及短消息业务( s m s ) 5 1 4 3s m s 在农业节水灌溉领域的应用5 1 5 研究的主要内容6 1 6 本章小结7 2 系统需求分析。8 2 1 系统需求8 2 1 1 控制终端需求8 2 1 2 计算机监控中心需求8 芝1 3i c 卡付费终端需求8 2 2 控制终端功能分析8 2 3 计算机监控中心功能分析9 2 4 系统技术参数9 2 4 1 运行环境9 2 4 2 测量参数及要求1 0 2 4 3 无线通信范围1 0 2 4 4 通信方式及相关参数1 0 2 5 本章小结1 0 3 系统总体方案1 1 3 1 灌溉系统的组成与功能l l 3 2i c 卡付费终端结构1 2 3 3 控制终端结构1 3 3 4 计算机监控中心结构1 3 3 5 本章小结15 4 控制终端硬件设计1 6 4 1 控制器外围电路i 1 6 4 2 数据存储电路17 4 3 实时时钟电路1 8 4 4 系统电源设计。1 9 4 4 1 电源切换及充电电路2 0 4 4 2 系统板供电2 0 4 4 3 g s m 模块供电电源设计2 1 4 5t c 3 5 i 通信模块电路设计：_ 2 2 4 5 1 t c 3 5 i 启动电路设计2 3 4 5 2 s i m 卡接口设计2 4 4 5 3 t c 3 5 i 运行指示电路设计。2 5 4 6 模拟信号输入接口电路：2 5 4 7 开关量输出接口电路2 6 4 8 键盘及l e d 显示电路j 。2 6 4 9 本章小结2 8 5 控制终端软件设计2 9 5 1 软件总体设计2 9 5 1 1 底层驱动层3 0 5 1 2 界面层3 l 5 1 3 应用层3 2 5 2 控制终端驱动程序设计3 3 5 2 1 系统初始化程序3 3 5 2 2 时钟芯片驱动程序3 3 5 2 3 键盘与l e d 显示驱动3 4 5 2 4 e e p r o m 程序3 5 5 2 5 a d 转换器驱动程序3 6 5 3 控制终端应用程序设计3 7 5 3 1 通讯部分程序3 7 5 3 1 取水控制程序4 3 i i 5 4 系统应用层设计4 4 5 4 1 系统消息事件处理机制4 4 5 4 2 系统状态分析。4 5 5 4 3 系统事件分析。4 7 5 4 4 系统前台状态转换分析4 9 5 4 5 系统后台状态转换分析5 0 5 5 本章小结5 1 6i c 卡付费终端设计5 2 6 1i c 卡读写模块设计5 2 6 1 1 读写模块芯片介绍。：5 2 6 1 2i c 卡介绍5 4 6 1 3 读写模块电路设计5 4 6 2 y m l 2 8 6 4 r 液晶屏设计。5 5 6 2 1y m l 2 8 6 4 r 液晶屏接口电路设计5 5 6 2 2y m l 2 8 6 4 r 液晶屏显示驱动程序5 6 6 3 读写器对卡的操作流程5 7 6 4i c 卡付费终端工作流程5 8 6 5i c 卡付费系统安全性设计5 8 6 5 1 密匙安全体系设计5 8 6 5 2 安全报文传输与数据加密设计6 0 6 6 本章小结6 2 7 计算机监控中心的组成与设计6 3 7 1 硬件系统组成6 3 7 2 计算机监控中心软件系统功能与结构6 4 7 3 计算机监控中心软件系统设计与开发6 5 7 3 1 数据通信模块设计6 5 7 3 2 数据处理模块设计7 2 7 3 3 数据库模块设计7 2 7 3 4 系统维护模块设计7 5 7 3 5 统计与报表模块设计7 5 7 4 本章小结7 6 8 结论7 7 致谢7 8 i i i 参考文献。7 9 攻读学位期间发表的论文目录8 2 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明8 3 i v 基于i c 技术及g s m 网络的农业灌溉及地下水管理系统 1 绪论 1 1 课题的研究意义 我国人均水资源2 4 8 0 m 3 ，仅为世界人均的1 4 ，是世界上1 3 个贫水国之一。按国际 标准，人均拥有水量2 0 0 0m 3 ，为严重缺水边缘；人均拥有水量1 0 0 0 m 3 ，为最起码要求。 而我国水资源分布严重不均，我国大部分地区都存在着水资源短缺的问题，有1 8 个省( 直 辖市、自治区) 为严重缺水地区，有1 0 个省( 直辖市、自治区) 在危险线以下，已危及 人们的生存。 由于水资源短缺，在我国北方地区及许多城市，地下水是重要的供水水源，对当地 经济社会的发展起着十分重要的作用，南方个别省份、地区地下水在供水系统中的作用 也越来越突出。在国内，地下水由于无节制的过度开采，诱发了很多环境问题 1 1 1 2 1 。我国 地下水环境污染严重，地下水水质呈下降趋势，由污染造成的缺水城市和地区日益增多 【，】。严重影响人们的生存环境，给人们的生产和生活造成巨大的损失。 2 0 0 2 年8 月2 9 日由全国人大常务委员会修订通过的中华人民共和国水法中 4 1 ， 明确了国务院水行政管理部门负责全国水资源的统一管理和监督工作，强调要加强地下 水管理，明确规定在地下水超采区应严格控制地下水超采等要求。 水资源短缺已成为制约我国社会经济和工农业发展的主要因素之一，尤其是对农业 起着决定性的制约作用。农业一直是各类用水的大户，整个农业用水估计是全国水资源 可利用量的3 0 - 4 0 ，接近总用水量的7 0 ，其中，灌溉用水又占整个农业用水量的 9 0 左右。进入上世纪9 0 年代以来，每年我国农田受干旱面积都在2 6 6 7 平方公里左右。 根据用水现状分析，我国在正常需求和不超采地下水的情况下，年缺水量为3 0 0 亿到4 0 0 亿m 3 ，其中农业缺水占其中的8 0 以上。但是，我国的农业生产中水资源短缺和水资源 浪费的情况并存。据统计，我国因为灌排工程设施不配套、技术落后等原因，其利用率 仅为4 0 左右，与先进国家的8 0 相比有很大的差距。我国现在的农业节水技术主要为 喷灌、滴灌、地膜覆盖及硬化灌渠等措施，但由于我国的中西部地区相对落后，喷灌、 滴灌和地膜覆盖的成本过高，只有在经济较发达地区的经济作物上有较大的应用前景。 而普通农作物，受经济效益的影响，当地农村往往很难做到。硬化灌渠也由于资金问题 和缺乏管理，很多地方的硬化率还不到2 0 。提高农业灌溉用水利用率可以在很大程度 上缓解我国水资源紧缺的情况。 所以，设计一种能够行之有效的对农业用水及地下水进行管理的系统就成为重要措 施，本文拟采用i c 卡技术及其g s m 网络设计农业灌溉及地下水管理系统。 陕西科技大学硕士学位论文 该系统具有以下重要意义： ( 1 ) 在我国广大农村地区依然采用粗放式的灌溉方式。由于用水费用低廉，计费困 难等问题，造成农村地区节水意识淡薄，通过计量付费用水，使农民的节水意识得到提 l 两； 、 ( 2 ) 由于农业灌溉用水采用先用水后付费的形式，水费收缴困难，设计i c 卡预付 费系统进行先付费后用水的形式，可有效解决上述问题，同时，水资源管理部门可以及 时准确的得到整个灌区的用水数据，进行合理调配； ( 3 ) 由于农业灌溉机井分散，对地下水的开采使用情况采集和管理相对困难，采用 g s m 网络实时传输每个机井的采水量，管理部门可以及时准确的得到整个灌区的地下水 采水数据，为进行合理调配地下水资源提供了详尽的数据支持。 ( 4 ) 根据每个机井的实时采水量，管理部门的计算机系统可控制机井工作，防止过 渡开采地下水情况的发生。 1 2 国g 马# l - 农业灌溉及地下水管理现状 1 2 1 国外农业灌溉及地下水管理现状 以色列等发达国家拥有世界上最先进的喷灌、滴灌、微喷灌和微滴灌等节水灌溉技 术，完全取代了传统的沟渠漫灌方式。以色列目前8 0 以上的灌溉农田应用滴灌，1 0 为微喷，5 为移动喷灌；农业灌溉水利用率高达9 0 以上。西班牙、法国等国家建立有 较为完善的节水灌溉技术及材料研究、开发、生产、培训、销售和服务体系，不断研究 和开发各种先进的节水灌溉技术和设备，不仅极大地促进了节水灌溉的发展，而且其节 水技术和设备等也大批地进入国际市场，形成一个具有竞争优势的产业。使该国的灌溉 水利用率达到8 0 以上。 国外一些发达国家在地下水控制方面都有几十年乃至上百年的历史，其控制设备水 平各异。其中美国、日本、荷兰的产品在技术性能上代表着当今世界的先进水平。美国 从上世纪8 0 年代起，就逐步建立了全国地下水控制信息网，对地下水水位实现了实时远 程遥测，探头通过电缆与地面仪器连接，现场监测数据自动采集并通过卫星传送到全国 地下水信息系统处理中心。在地下水资源评价、与综合信息管理领域的研究，目前美国、 日本、荷兰等国，已建立了水源分布评价体系。同时在评价和信息管理上引入了g i s 技 术，不仅提高了地下水管理与研究领域的工作效率，而且使其研究成果更加准确化、科学 化。其研究工作主要表现在以下几方面：第一，基于g i s 的地下水模型库的研究，将监 测网点的信息经过数据库的挖掘，与g i s 系统结合，建立地下水管理模型。第二，基于 g i s 和r s 的地下水系统三维可视化的研究，三维可视化是地下水数值模型和信息空间 2 基于i c 技术及g s m 网络的农业灌溉及地下水管理系统 分析处理能力的重要表现形式之一，已成为分析地下水系统的有力工具。基于g i s 和r s 的地下水系统三维可视化，包括水文地质实体三维可视化和流场动态三维可视化表达。 第三，地下水管理与研究工作和“数字地球 的有效结合，充分利用“数字地球 和国 家空间信息基础设施，将地下水系统纳入“数字地球”、“数字区域 或“数字流域”的 建设，综合运用3 s 、虚拟现实( v r ) 、决策支持( d s s ) 、专家系统( e s ) 等新技术， 建立适合于流域水资源管理的专业应用模型库和应用系统，研制和开发供水资源规划决 策使用的综合决策平台，实现各种信息的可视化查询、显示和输出，将地下水系统在计 算机上虚拟再现，以实现流域水资源的统一管理。 1 2 2 国内农业灌溉及地下水管理现状 我国的许多地区已经意识到了应对农业用水进行控制和管理，但缺乏有效的管理设 施。在我国的一些地区( 如山东省聊城市) 已经开始采用了和清华大学合作的“位山灌 区配水调度应用模型”、“测流资料整编模型 和“水位遥测系统 ，对一些干渠上重要的 节制闸安装了远距离遥测系统对用水进行控制f 5 】。但这种设施的主要问题在于无法对每 一户进行有效的管理，而仅仅是进行了总量的控制，无法从源头上杜绝用水浪费的情况。 我国另一些地区则已经开始采用机井限量和i c 卡收费控制系统来控制农业的用水【6 】，但 这些设施用水量反馈周期长，无法做到及时有效的控制总用水量。 2 0 0 8 年1 0 月1 0 日，在水利部和国土资源部联合召开的专家评审会上，来自国家发 展和改革委员会、水利部、国土资源部、中国科学院、中国国际工程咨询公司等有关单 位的专家和代表，评审通过了国家地下水监测工程项目建议书。会议提出，通过实施 国家地下水监测工程，要全面提升国家地下水监测信息系统的现代化水平。 尽管国家政策规定依法管水治水，对水体的开发、利用，尤其是水质提出严格的要 求，陆续出台了一系列包括水资源环保、水排放、地下水开采等方面更为严格的地方法 规。水资源管理应该十分重视管理的科学性。现在在大多数城市，都普遍采用微机网络 管理，信息快捷准确，但是在比较偏远的农村还没有完全实现科学管理，农民吃水随便 挖井，农田灌溉耗水量大，效率低。 本课题正是针对我国农业灌溉及地下水管理中存在的问题展开研究，建立起一个切 实可行的基于g s m 无线网络及i c 卡计费的农业灌溉用水控制系统，希望这项研究对我 国农业灌溉及地下水管理系统的自动化发展起到促进作用。 1 3i c 卡技术的发展 i c 卡技术是在8 0 年代左右进入我国的，以电子货币形式流通于市场，它继承了磁 卡以及光电卡的所有优点，终将代替磁卡及光电卡成为主流。它首先在金融业得到了广 泛的应用【刀，现阶段，i c 卡技术开始向预付电费、采暖费i s 1 9 领域扩展，效果十分显著。 3 陕西科技大学硕士学位论文 i c 卡按其读写方式的不同可分为接触式i c 卡和非接触式i c 卡。在农业灌溉系统中， 若采用接触式i c 卡，在灌溉期间i c 卡频繁插入读卡器，容易对读卡器造成损坏，故本 设计采用非接触式i c 卡。非接触式i c 卡由于在天线技术和卡内操作系统方面取得了大 量的研究成果，非接触式i c 卡系统越来越智能化，有效工作距离也越来越长，已形成较 成熟的技术。 1 4 数据远程通信 1 4 1 几种数据远程通信方式的比较 ， 目前，在工程测量、控制领域常用的数据远程通信方式有以下几种0 2 1 t 3 ： ( 1 ) 利用p s t n p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ) ，即公用交换电话网络。只需在需通信 的两端各加装调制解调器即可利用现有的电话网进行通信。使用这种方式传输距离远， 精度高，且传输误码率低。 其通信可以通过拨号由交换机自动完成，也可租用专线，但费用高。由于这种方式 必须依赖于电话网，对于尚未铺设电话线路或无法铺设电话线路的地区则无法使用，在 广大农村地区虽然已经普及电话，但农田灌溉机井分布点却少有电话网线，因此该方法 不适用于该系统。 ( 2 ) 利用无线通信网 对于地理位置偏僻、布局分散、难以进行有线通信的监控终端，利用无线电波进行 数据通信也是一种选择。无线通信网特点是传输频带较宽，通信容量较大，通信距离一 般为几十公里，还可通过中继站延伸到更远。但是利用数传电台进行无线数据通信仍然 存在着一些固有的缺陷。产品硬件部分成本高，所以这种通信方式的使用场合有一定的 限制，多用于大用户的电力负荷的无线电监控及用电管理系统中；使用时需申请频点使 用权，如果频点选择不合理，相邻的两个信道会产生相互干扰；数传可靠性低，一般商 用电台都工作在固定单一频点，电磁环境恶劣，另外基于数传协议的缺陷等问题也是可 靠性低的另外一个重要原因；数传距离短，一般商用电台的传输距离都在1 0 0 公里的数 量级，不利于长距离数据传输；维护困难，商用电台工作功率大，货源复杂等都导致商 用电台故障频率较高，另外其维修人工费用也比较高。 ( 3 ) 利用g s m 网络 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s 全球移动通信系统) ，是目前基于时 分多址技术的移动体制中最成熟完善、覆盖面最广、功能最强、用户最多的移动通信系 统【1 4 】。g s m 系统作为一种开放式结构和面向未来设计的系统，具有抗干扰能力强、鉴权 4 基于i c 技术及g s m 网络的农业灌溉及地下水管理系统 和加密功能、确保用户保密和网络安全、覆盖区域内的通信质量高等特点。g s m 系统具 有灵活和方便的组网结构，在数据通信方面能满足用户对大容量、高密度业务的要求。 我国9 0 以上的地区已经被g s m 网络所覆盖。当前，g s m 网络上的移动数据业务主要 为电路交换移动数据业务和短消息业务坫l 。其中，短消息业务是g s m 网络利用控制信道 传送短消息数据，每条短消息长度不超过1 4 0 字节。因此可以利用短消息数据通道传送 少量数据。 1 4 2g s m 网络及短消息业务( s m s ) g s m 数字移动通信系统可分为b s s ( b a s es t a t i o ns y s t e m ，基站系统) 、m s s ( m o b i l e s e r v i c es w i t c h i n gs y s t e m ，移动业务交换系统) 和移动台( m s ，m o b i l es t a t i o n ) 。b s s 具 有控制功能与无线传输功能，完成无线信道的发送、接收和管理，包含g s m 网络中无 线通信部分的所有地面基础设施，通过无线接口直接与移动台实现通信连接。移动台是 用户直接操作的设备，也是用户能够直接接触的整个g s m 网络中的唯一设备，可以是 手机或车载台。m s s 提供短消息业务以及进行通信控制与管理、存储用户信息、鉴别和 监视移动设备、监控和操作网络运行。由于移动台靠无线接入进行通信，线路不固定， 因此它必须具备用户的识别号码，g s m 网络是采用用户识别模块( s i m ) 方式实现识别 代码的。s i m 卡中储存了所有与用户有关的无线接口一边的信息，也包括鉴权和加密信 息。每片s i m 卡拥有唯一的移动用户识别码与g s m 移动用户号码。所有使用g s m 标 准的移动台都必须配上某一移动通信运营商提供的s i m 卡才能正常工作。s i m 卡的应用 使移动台并非固定地束缚于一个用户，因此g s m 系统是通过s i m 卡来识别移动电话用 户的。 短消息业务是g s m 数字移动通信网上开通的一项增值业务。移动用户可通过该项 业务接收或发送短文本信息。短消息业务既是一种基本电信业务，又可作为信息服务业 务的数据传输载体提供增值业务。由于短消息的传送使用控制信道，最大短消息长度为 1 4 0 字节或7 0 个汉字。 1 4 3s m s 在农业节水灌溉领域的应用 农业灌溉机井分散且分布地域广，该系统需找到一种能在广阔的农村地区进行无线 数据远程、实时通信，且投资少，便于大规模普及并且便于进行计算机网络化管理的数 据通信手段。 本系统利用短消息业务( s m s ) 解决农业节水灌溉领域中的数据远程通信问题。这 一技术在该系统的使用中具有以下优点： ( 1 ) g s m 网络是目前发展最快、覆盖面最广的移动通信网络。 我国9 0 以上的地区已经被g s m 网络所覆盖。在我国大部分地区依靠g s m 网络进 行数据传输时，基本不存在盲点的问题。 5 陕西科技大学硕士学位论文 ( 2 ) s m s 最适合应用到数据采集点分散、数据量较小的系统中。 由于该系统每次操作时的数据量很少，每条短消息长度不超过1 4 0 字节，完全适用 于在该系统中使用。 ( 3 ) s m s 具有运行价格低廉，设备通用性强，系统建设初期投入费用低等优点。 g s m 网络本身具有抗干扰能力强、数据传输可靠、保密性强的特点，能够在一定程 度上保证数据的可靠传输。 1 5 研究的主要内容 农业灌溉及地下水管理系统是一个分布式控制决策系统。通过自动化技术、i c 卡技 术、网络与通信技术的应用，达到了农业灌溉及地下水资源管控自动化，信息处理数字 化，信息传输网络化，远程控制科学化的目标。可以实现水资源管理单位对辖区内地下 水状况的实时管控、信息管理、决策支持和在线远程监控等功能的计算机系统，能够辅 助管理人员科学、高效、正确地解决地下水管理、调度、保护等问题，为科学合理地调 度和使用地下水资源创造条件，也为实现地下水资源可持续利用发展规划提供有效手段。 本文研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 地下水控制终端设计 地下水控制终端是一个软硬件结合的自动化网络系统，它是在用水设备上安装一个 地下水控制终端，实现对流量计流量数据的采集，并对水泵启停实施控制，通过通信网 络和水资源管理单位计算机系统联网，由水资源管理单位对各个设备进行监管和控制， 流量数据借助通信技术自动存入水资源监测与综合管理系统中心数据库。根据确定的系 统方案，完成了控制终端的软硬件设计。 ( 2 ) i c 卡付费终端设计 针对农业灌溉用水收费困难的问题，通过读写模块的设计，设计了i c 卡付费终端。 在i c 卡与读写器的通信过程中，加入了付费系统的安全设置，通过安全密匙的设置和数 据加密的设计，实现了i c 卡与读写器数据通信的安全。 ( 3 ) 计算机监控中心设计 采用v i s u a lb a s i c6 0 和a c c e s s2 0 0 3 为水资源管理单位设计了计算机监控中心软 件，设计了监控中心操作界面并建立了数据库，开发了数据存储、数据统计、数据显示、 系统故障监视、报表打印等功能，实现了数据通信与数据处理的自动化。 ( 4 ) 通信部分设计 完成了g s m 模块的软硬件设计及通信协议的编写，并详细论述了短消息收发流程， 实现了以上三部分之间的数据通信。 6 基于i c 技术及g s m 网络的农业灌溉及地下水管理系统 1 6 本章小结 一 本章详细论述了设计的目的和意义，叙述了目前可用于该系统开发的技术，并阐述 了该设计中研究的方向和作者主要完成的工作。 7 陕西科技大学硕士学位论文 2 系统需求分析 2 1 系统需求 2 1 1 控制终端需求 灌溉机井具有分布离散、地处边远的特点，供电、交通等都不便。在系统设计时要 充分考虑到这些因素，要求具备以下功能： ( 1 ) 具备远程无线通信能力； ( 2 ) 计量计费功能； ( 3 ) 现场显示和现场调试、参数设置功能； ( 4 ) 现场手动选择控制功能； ( 5 ) 故障自诊断功能； ( 6 ) 电源必须冗余设计，确保系统供电。 2 1 2 计算机监控中心需求 计算机监控中心要求实现以下功能： ( 1 ) 显示远程控制终端的用水量信息； ( 2 ) 下达各种控制指令； ( 3 ) 建立数据库存储数据； ( 4 ) 短信有效性识别、垃圾短信滤除功能； ( 5 ) 数据的整理和显示功能； ( 6 ) 报表打印功能。 2 1 31 t 2 卡付费终端需求 i c 卡付费终端要求实现以下功能： ( 1 ) 具备远程无线通信能力； ( 2 ) 具备i c 卡读写功能； ( 3 ) 电源必须冗余设计，确保系统供电。 2 2 控制终端功能分析 依据系统需求，控制终端应包括以下几点功能： ( 1 ) 控制水泵及现场数据采集存储功能。控制终端的基本功能是控制水泵的开关精 确和采集用水量数据，并把数据保存在存储芯片里。 ( 2 ) i c 卡读写功能。 8 基于i c 技术及g s m 网络的农业灌溉及地下水管理系统 ( 3 ) 通信功能。控制终端把采集到的用水量信息通过其g s mm o d e m 发送至计算 机监控中心，同时控制终端要接收来自计算机监控中心的各种命令。 ( 4 ) 系统可靠性功能。控制终端易受到外界环境和各种干扰的影响，所以系统要稳 定工作就必须做相应的可靠性设计。例如系统要具有防水、抗干扰功能，电源供电要考 虑交流和直流的切换问题，安装时需要防雷击措施等等【1 6 】。 ( 5 ) 电源切换及电池充电功能。当有交流电源时系统使用交流电源为系统供电，并 给蓄电池充电。当交流供电丢失时，系统能够自动切换到由蓄电池为系统供电，并保证 系统在电池供电的情况下可以持续工作一定的时间来保证数据读写工作的顺利完成。 2 3 计算机监控中心功能分析 本控制系统应具备通信、数据库管理及数据处理、各种显示、报表、打印和参数设 置与系统维护等功能，系统软件的功能分述如下： ( 1 ) 通信功能。计算机监控中心通过其g s mm o d e m 接收控制终端采集的请求对 各种命令的反馈信息；同时下达各种控制命令给控制终端。 ( 2 ) 数据库管理及数据处理功能。建立数据库存储现场数据，对通信采集的用水量 数据进行加工处理、有效性判断、垃圾短信过滤，并进行各种累计和统计工作。 ( 3 ) 显示功能。全部数据列表、分组数据列表、单点的历史数据列表( 年、月、日) 显示、故障列表显示等功能。 ( 4 ) 故障监视功能。监视状态包括：下位机电源、下位机数据采集系统及电等。其 中某一部分发生故障不能正常工作时，系统软件会提示出错。 ( 5 ) 报表功能。以表格的形式，记录、显示各控制点的数据信息，可代替人工抄表 填写工作运行报表。 ( 6 ) 打印功能。本系统提供多种打印功能，可根据需要将报表打印出来。可打印的 内容包括各种报表、统计图表、趋势曲线、各种表格。 ( 7 ) 参数设置和维护功能。主要完成各项系统参数的设置。可以对所有控制点的信 息( 包括机井号、卡号、机井用水信息、i c 卡用水信息以及设备i d 等) 进行添加、修 改、删除等操作。 2 4 系统技术参数 2 4 1 运行环境 ( 1 ) 各监测点分散分布、距离远、地形和环境复杂。 ( 2 ) 温湿度变化范围大。 9 陕西科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 各种电磁干扰。