摘要： 論述了IC卡在農業灌溉工程中的應用，包括IC卡的寫入、IC卡的讀出執行及工程控制部分；闡述了IC卡與磁卡和井控IC卡相比較所具有的優勢及適用灌溉方式，與無線遠程控制相比較所具有的管理和使用靈活的特點；從安全性與實用性等方面論述了IC卡在農業用水分戶計量應用中的可操作性，為農業用水實施有計劃、有秩序和總量控制提供技術支持。

    0 研究背景

    干旱和半干旱的北方地區農牧業比較發達，但是近幾年來，干旱一直影響著這些地區農牧業的發展。為了促進生產，各地區消耗了大量的水資源，超量采集地下水，使有些地區已經接近無水可采，嚴重影響到人畜的生存。據資料統計，農業用水占整個用水的70％ 一80％ ，絕大部分農田采用效率很低的灌溉方式。其原因：一方面是國家投人不足；另一方面是用水管理機制沒有建立，使農業灌溉用水處于無序狀態，浪費了大量的水資源。目前，農業灌溉用水逐步采用節水灌溉方式(如噴灌、滴灌等)，特別是半干旱農業生產比較發達地區，計劃在5—8年時間內使原來采用漫灌的農田基本上都采用灌溉效率較高的節水方式。但政府在強力推行農業節水過程中出現以下一些問題：一是灌溉方式比較單一，政府只推行膜下滴灌技術，為用戶免費提供滴灌管，其他節水方式則沒有補貼；二是與滴灌技術相配套的用水管理機制沒有建立，使得節水灌溉是政府有積極性，但百姓并不買帳。滴灌方式一方面增加勞動力成本(這部分政府沒有補貼)；另一方面農業灌溉用水費還是采取大鍋飯的結算方式，即秋后按每公傾的耗水量或消耗的電量來平攤結算，不能詳細體現每個用戶的用水量；甚至秋后收水費也是一個難題，使用戶沒有節約用水的積極性，甚至拒絕使用滴灌管。本課題的意義在于使用地下輸水管道，每個用戶有1個或多個出口，每個出水水口設置1個閥門，通過使用IC卡控制閥門的開啟與關閉，對用戶的用水量進行精確計量，使農業灌溉用水能夠有計劃地采取地下水，定量不定時。另外，利用IC卡把費率和控制功能合一的技術，對灌溉用水實行總量控制，杜絕無序開采和用水，利用價格調節，引導用戶采用節水方式進行灌溉，提高用水效益。

    1 IC卡控制的基本原理

    IC卡技術在銀行、電力、飲食和用水等消費領域應用越來越廣，這些領域費還要涉及到輸出控制技術。一個完整的IC卡應用系統包括如框圖1所示幾個主要單元。

圖1 IC卡應用系統框圖

    1．1 IC卡讀出寫入管理單元

    主要包括讀出寫入器和計算機。這部分的主要作用是對IC卡進行充值，對IC卡的使用狀況做記錄，對每張IC卡用戶的用水量進行記載，為實施管理提供方便快捷的服務。

    1．2 控制單元

    控制單元是在本題中最重要的一個單元，不但要完成IC卡的讀出寫入功能，還要輸出控制信號，它的主要功能如框圖2所示。

圖2 控制單元功能框圖

    控制單元是一個獨立的、放置于農田中間的、對IC卡的數據進行讀寫和執行的控制設備，又稱讀出寫入盒或簡稱控制盒。其功能主要包括：
    1)顯示功能：對控制盒的功能進行顯示，并提示操作順序和步驟；
    2)功能鍵：包括0～9數字鍵、時間、輸出路數和確認鍵，在農田灌溉中對水量的計量是以時間模式進行的，輸出的路數就是每一路控制一個閥門，選擇不同的路數就是選擇不同的輸出控制閥f-I；
    3)讀寫區：對IC卡進行讀寫的區域；
    4)輸出：是對IC卡中的數據讀入控制盒之后，控制盒要輸出的控制信號，這個信號是開關量，開是高電平信號，這個信號延續時間的長短就是灌溉的時間，關是低電平信號，執行它閥門關閉；
    5)中心控制器：由集成電路組成，是本設備的核心，在這里完成IC卡與控制盒的數據交換，并把數據轉換成功能鍵的命令，實施輸出控制，這些輸出可以是1路、2路、4路或更多路。

    1．3 執行單元

    它主要由兩部分組成，即功率放大和電動閥門。功率放大是把控制單元輸出的開關信號進行放大，控制直流電機的正反轉，每一路都必須進行功率放
大，且相互獨立。電動閥門是由直流慢速電機和閥門體組成。開關信號的變化來驅動電動機的正轉和反轉，并帶動閥門的開啟和關閉。閥門開啟的時間就是灌溉時間。

    2 灌溉組成單元

    灌溉組成單元如圖3所示。

圖3 濯溉組成單元圖

    圖3是以每個控制盒輸出兩路為例，控制盒之間除了直流電源相連外，它們之間是相互獨立的。每個控制盒輸出兩路開關信號，每路的開關信號又是獨立的?？刂坪?只能容納兩個用戶，即每個用戶至少有1個閥門。另外，一個用戶根據自己承包的土地面積大小可以申請閥門l、閥門2、閥門3等多個閥門，為擁有土地面積大小不同的用戶提供可以選擇的余地。用戶可以根據管道的輸水量開啟閥f-I 1、閥門2或閥門3等，直到所有開啟的閥門出水量等于主管道的輸水量，這叫并聯使用。用戶可以根據種植不同的作物，選擇不同的閥門(如閥門2、閥門5等)，滿足不同農作物的用水需求，但每個閥門的水控面積內必須種植同一種作物。由于使用恒壓泵供水，這里不用擔心只開啟一個閥門時水壓會有變化而撐破滴灌管。

    3 IC卡在農田灌溉中的分戶計量計算

    3．1 水量的計算

    農田灌溉中輸水管道的口徑和位置是固定的，決定了電動閥門的口徑和位置也是固定的。另外，在使用節水方式灌溉時(如地表面的滴灌技術)，輸水管內的壓力也是恒定的，從而決定了通過閥門的水壓力是恒定的，或使用恒壓泵來供水。水通過某個閥門的流量是固定不變的，設為9，這個流量必須根據閥門的口徑、位置由人工現場測定，不同的閥門有不同的流量，但對于某個閥門這個流量就是常數。閥門開啟時間為H，這是用戶可選的變量，則用水量M=QxH。

    3．2 費率換算

    計算機根據不同用戶的Q值和使用的時間H，對IC卡中的金額進行費率換算。這種換算由程序操作員來完成，實現水用量的管理功能。每個用戶可以申請1張IC卡，1張IC卡可以控制1個閥門，也可以控制多個閥門。多個閥門可以順時開啟工作，即多個用戶可以并聯同時用水。

    4 IC卡在農田灌溉分戶計量中的特點

    4．1 與井控lC卡相比較

    井控IC卡就是使用IC卡控制機電井的水泵，每個用戶有1張IC卡，使用時插入控制盒，水泵開始工作，關閉水泵時抽出IC卡。這種井控的優點是，用水量是分戶計量，先付費后使用，為用水管理提供方便。

    缺點：一是多個用戶連續使用時水泵要頻繁地啟動，容易損壞水泵；二是各用戶之間必須串聯使用，即一個用戶使用完畢另一個用戶才能使用；三是若采用效率較高的滴灌方式進行的話，另一些用戶必須等待較長時間才能用上水，有的甚至幾天。顯然不適用于節水方式，僅適用于效率低下的漫灌。

    4．2 與無線遠程控制相比較

    無線遠程控制是在主控機(主控計算機與無線發射接收設備)與農田中接收控制設備之間實行的傳輸控制，它主要控制閥門的開啟與關閉。它的優點是：自動化程度高，用戶只需與操作員聯系，由操作員完成水控任務，用戶本身不需要到田間去操作；分戶計量，并聯使用。缺點是：設備成本較高；先用水后交費，不利于用水管理。

    4．3 lC卡技術的特點

    1)用戶必須攜帶IC卡到田間中的控制盒去親自操作，自行選擇灌溉時間、灌溉水量和灌溉區域，使用方式方法靈活，不受其他人為因素的影響，而且必須在IC卡上存儲一定額度的資金以后才能消費，屬于先交錢后使用，有利于用水管理。
    2)使用IC卡控制閥門，根據管道的輸水量，幾個用戶可以同時使用，特別適用于效率較高的滴灌方式。滴灌最大的優點是省水，單位面積的耗水量最少，缺點是灌溉所用時間較長。幾個用戶同時并聯使用，可以在同一時間內灌溉較大面積的土地，不但及時灌溉作物，而且提高用電效率。

    5 lC卡在農田灌溉應用中的可行性

    5．1 操作簡單

    用戶只要把卡插入田間的控制盒?？刂坪凶詣颖嬲J卡號，用戶只要輸入灌溉時間和閥門路數(要開啟的閥門)，按確認即可。抽出IC卡，閥門自動開啟，運行完用戶所選取時間之后，閥門自動關閉。用戶可以在其他控制盒上(已經申請并被確認的控制盒)重復上述過程。這個過程不需要培訓，只需介紹即可。

    5．2 集中管理，分散使用

    利用IC卡的控制功能，政府以一個自然村為一個單位集中管理IC卡的充值、費率計算和總量記錄等功能，并建立與實施用水的獎懲制度，規范和約束用戶的用水行為。而用戶的用水時間、用水量和用水區域則由用戶自己決定。通過IC卡的使用，政府可以掌握本村的用水總量以及每個用戶的用水量。

    5．3 IC卡控制的靈活性

    IC卡控制不僅適用于一家一戶的分散經營種植，而且也適用于集約化和大面積的種植。因為1張IC卡可以控制1個閥門，也可以控制多個閥門。

    5．4 為用水管理提供有力的技術保障

    用水管理的核心問題是分戶計量。本題中一個用戶所使用的閥門數是固定的，每個用戶至少擁有一個閥門或多個閥門，但每個用戶只有一張IC卡，這就為分戶計量和總量控制提供方便。管理者通過IC卡提前預收取用水費用，用戶分時使用，IC卡內若沒有金額時，閥門要么打不開，要么自動關閉，實行計劃用水，先交費后用水。

    6 結束語

    本文主要對IC卡的控制盒及應用進行了論述，同時也在實際應用中得到了驗證。IC卡技術的迅速發展，為人們的生產、生活、工作和出行等方面提供了方便，IC卡技術在農田用水分戶計量中具有很大的推廣應用價值，它計量簡單，使用方便靈活，不但適用于目前農田的一家一戶的分散經營，而且也適用于農田的集約化經營種植。與其他幾種控制形式相比較，IC卡技術的可操作性比較符合農村農民灌溉農田用水習慣，如配以嚴格的用水管理和國家政策的支持，相信對地下水的無序開采和粗放式的使用能夠得到規范和管理。

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