水电双控智能终端取水灌溉自动化解决方案

项目背景与行业痛点

农业灌溉是农业生产和农田水利管理的重要环节。传统机井、泵站和灌溉取水口普遍采用人工启停、人工抄表、人工收费或粗放式用水管理方式，用水主体、实际取水量、用电量、灌溉时间和费用之间缺乏统一的数据关联，难以形成完整、准确、可追溯的农业灌溉用水台账。

随着高标准农田建设、农业水价综合改革、农业节水、水权管理和数字灌区建设持续推进，农业灌溉管理逐步由“能供水”向“计量供水、按量用水、精准控制、数据管理”转变。传统单一电表、水表或人工收费模式已经难以满足精细化管理需求。

特别是在机井分散、灌溉面积大、用水户数量多的区域，管理单位通常面临以下问题：

• 机井和泵站分布范围广，现场人工启停和巡检工作量大；
• 水表、电表和收费系统相互独立，水、电、费用数据难以统一管理；
• 人工抄表存在周期长、数据滞后和统计工作量大的问题；
• 不同农户共用机井时，用水量和用电量难以准确分户核算；
• 农业水价、用水定额、水权分配缺少连续可靠的计量数据支撑；
• 传统“先用水、后收费”模式存在费用回收和人工对账压力；
• 管理人员难以及时掌握水泵运行状态和实际灌溉情况；
• 野外通信网络存在波动，需要同时兼顾在线管理与离线灌溉能力；
• 缺乏以用户、设备、灌次为对象的完整农业灌溉数字档案。

针对上述问题，可建设水电双控智能终端取水灌溉自动化系统，将用户身份识别、取水计量、用电计量、水泵控制、费用结算、远程通信和平台管理进行一体化整合，实现农业灌溉从人工管理向数字化、自动化和精细化管理升级。

建设目标与监测目标

水电双控智能终端取水灌溉自动化系统以“身份可识别、取水可计量、用电可统计、设备可控制、费用可结算、数据可追溯、平台可管理”为总体建设目标，在机井、泵站及农业灌溉取水口部署水电双控智能终端，实现灌溉取水全过程数字化管理。

系统主要实现以下建设目标：

• 建立农业灌溉用户实名账户及IC卡管理体系；
• 实现农户刷卡启动和停止灌溉；
• 实现管理平台及移动端远程控制泵机启停；
• 自动采集每次灌溉过程中的实际用水量；
• 自动采集水泵运行过程中的用电量；
• 自动记录每次灌溉开始时间、结束时间和持续时间；
• 根据项目水价、电价或管理规则自动进行费用核算；
• 实现账户余额、充值和消费记录管理；
• 建立用户、设备、灌次、水量、电量和费用之间的关联关系；
• 为农业用水总量控制、定额管理、水权管理和节水评价提供数据基础；
• 形成“用户—设备—取水—用电—费用—控制—记录”的农业灌溉数字化管理闭环。

需求分析

1. 用户身份管理需求

对于多用户共用机井或泵站的场景，需要准确识别当前取水用户，并将本次灌溉产生的水量、电量、费用和时间自动关联到对应账户，解决传统公共机井难以进行分户统计的问题。

2. 取水计量需求

通过水表或流量计实时获取灌溉取水数据，对单次取水量和累计取水量进行统计，为水费结算、农业用水统计、定额管理和水权管理提供基础数据。

3. 用电计量需求

通过三相电能表采集水泵运行过程中的用电数据，将用水和用电数据统一关联到同一用户和同一灌次，为运行成本核算、设备运行分析以及水电关系分析提供数据基础。

4. 自动控制需求

系统需要根据用户身份、账户状态、余额和设备运行条件控制水泵启动与停止，同时支持管理平台和移动端远程启停，提高灌溉设备管理效率。

5. 计费管理需求

根据项目管理模式配置水价、电价或相应计费规则，自动记录用户充值、余额、消费和灌溉记录，减少人工收费和人工对账工作。

6. 离线运行需求

农田、机井和泵站通常位于野外区域，蜂窝通信网络可能出现短时中断。因此系统需要兼顾联网运行与离线使用，在账户和卡片已经完成平台同步的条件下，允许按照项目设定策略进行离线刷卡灌溉，并在通信恢复后完成相关消费信息同步。

7. 集中管理需求

管理单位需要通过统一平台掌握区域内机井、泵站、用户、取水量、用电量、费用和设备运行情况，为灌区管理、高标准农田建设以及农业水价改革提供数据支撑。

总体解决方案

水电双控智能终端取水灌溉自动化系统由水电双控智能终端、水表或流量计、三相电能表、IC卡身份识别单元、水泵电气控制系统、通信网络、云端管理平台及移动端应用组成。

用户需要灌溉时，通过已授权IC卡在现场终端进行身份识别。终端读取用户信息后，对设备权限、账户状态、余额以及控制条件进行校验。满足启动条件后，终端通过电气控制回路启动水泵，同时开始记录本次灌溉过程。

灌溉过程中，系统持续采集水表或流量计数据和电能表数据，统计本次用水量、用电量和运行时间，并按照项目配置的水价、电价或计费规则进行费用核算。

用户再次刷卡、管理平台发出停止指令、账户余额不足或者系统检测到需要执行停止控制的异常状态时，终端停止水泵运行并完成本次灌溉结算。

系统将用户、设备、开始时间、结束时间、用水量、用电量、费用和运行状态上传管理平台，形成完整灌溉记录。

整体形成“身份识别—权限校验—水泵启动—水电计量—实时扣费—灌溉控制—自动停止—数据上传—统计分析”的农业取水灌溉自动化闭环。

系统架构设计

系统采用设备感知层、现场控制层、通信传输层、平台应用层和业务管理层五层架构。

设备感知层

由水表或流量计、电能表、IC卡读卡单元等组成，负责获取取水量、用电量和用户身份信息。

现场控制层

以水电双控智能终端为核心，对用户权限、账户余额和设备状态进行判断，并通过接触器及配套电气控制回路完成水泵启停。

通信传输层

终端通过4G/2G蜂窝网络与管理平台进行通信，同时预留RS485接口，用于设备参数配置以及项目扩展。

平台应用层

负责设备建档、用户管理、IC卡管理、费率配置、充值管理、远程控制、灌溉记录、用水统计、用电统计和数据查询。

业务管理层

面向农业农村、水利、灌区管理单位、农民用水合作组织以及项目运营单位，实现用水总量统计、定额管理、水权管理、费用管理和节水评价。

监测内容与监测方法

监测内容	监测方式	主要用途
用户身份	射频IC卡识别	确定实际灌溉用户
用水量	水表/流量计接入	统计单次及累计取水量
用电量	三相电能表	统计泵机运行耗电量
灌溉时间	终端自动记录	记录灌溉起止时间及运行时长
使用费用	系统自动计算	水费、电费或项目费用核算
账户余额	账户系统	余额管理及控制条件判断
设备状态	终端状态采集	设备运行和异常管理
控制来源	操作日志	区分刷卡、平台及移动端控制

技术原理与控制逻辑

1. 身份识别

用户使用已经注册并授权的IC卡进行现场刷卡，或者由管理平台、移动端向指定设备发送远程控制指令。

2. 权限校验

终端对设备、用户、账户余额以及相关控制条件进行校验。对于离线运行，账户及卡片应预先完成平台同步。

3. 水泵启动

通过身份和权限校验后，水电双控智能终端输出控制信号，通过与水泵功率及启动方式相匹配的电气控制回路启动水泵。

4. 水量计量

灌溉开始后，终端采集项目配置的水表或流量计数据，计算本次灌溉用水量和累计用水量。

5. 电量计量

同步采集三相电能表数据，对水泵运行过程中的实际用电量进行记录，使水量、电量和用户信息建立关联。

6. 费用计算

系统根据项目设置的水价、电价或计费规则进行费用核算，并更新用户电子钱包或账户余额。

7. 自动停止

当用户结束灌溉、管理端发送停止指令、余额不足或系统检测到配置的停止条件时，终端执行停止控制。

8. 数据上报

完成一次灌溉后，系统记录用户、设备、起止时间、用水量、用电量、费用、控制来源和设备状态，并上传至管理平台。

系统功能设计

• IC卡身份识别；
• 一机多卡用户管理；
• 现场刷卡启停水泵；
• 平台远程启停；
• 移动端远程控制；
• 灌溉取水自动计量；
• 水泵用电自动计量；
• 水价、电价参数配置；
• 电子钱包及账户余额管理；
• 在线充值及充值记录管理；
• 单次灌溉费用自动核算；
• 灌溉起止时间自动记录；
• 用户灌溉记录查询；
• 累计用水量统计；
• 累计用电量统计；
• 离线刷卡运行；
• 网络恢复后消费信息同步；
• 异常停止控制；
• 设备运行状态管理；
• 操作及控制日志记录；
• 水权、定额及总量管理扩展。

硬件组成与配置方案

设备组成	主要功能	配置建议
水电双控智能终端	身份识别、计量接入、控制、计费、通信及本地显示	核心配置
三相电能表	采集水泵运行用电量	核心配置
水表/流量计	采集灌溉取水量	根据管径、流量及现场条件选型
射频IC卡	用户身份识别及现场授权	按用户数量配置
断路器	电气回路保护	根据泵机功率配置
交流接触器	执行水泵启停	根据负载及启动方式配置
过载/缺相保护装置	水泵及电气系统保护	按配电设计配置
通信模块	设备与平台远程通信	4G/2G
户外防护箱体	防雨、防晒及设备防护	根据现场环境设计
管理平台	用户、设备、费率、充值、控制和数据管理	联网项目配置

核心设备参数

参数项目	技术参数
产品型号	S-CGSD01
主要功能	计水、计电、刷卡、远程控制、计费管理
主机供电	AC 380V / DC 24V，按项目配置
蜂窝通信	4G / 2G
本地通信	预留RS485接口
电能表接线	AC 380V三相三线，可选三相四线
有功电能精度等级	1.0级
无功电能精度等级	2.0级
电流规格	3×20(80)A
本地交互	射频IC卡、LCD显示
控制方式	IC卡刷卡、平台远程、移动端远程
计费管理	水价、电价可配置，支持电子钱包/余额管理
记录内容	起止时间、用水量、用电量、使用费用、充值及灌溉记录
一机多卡	支持
离线使用	支持已与平台同步的账户和卡片，联网恢复后同步消费信息
工作温度	-10～60℃
电气柜尺寸	约280×402×159mm（宽×高×深）
安装孔距	横向约200mm，纵向约350mm
安装方式	壁挂安装

水表类型、流量量程、流量计精度、水泵允许功率、控制输出容量以及柜体防护等级需要根据实际项目进行选型设计，不能仅根据水电双控终端自身参数确定。

软件平台与数据展示

水电双控灌溉管理平台以设备、用户、账户和灌溉记录为核心，实现农业灌溉全过程数字化管理。

管理平台可建立机井、泵站和水电双控终端设备档案，并将设备与用户、IC卡、水价、电价以及管理区域建立关联。

平台主要包括设备管理、用户管理、IC卡管理、账户管理、充值管理、费率管理、远程启停、灌溉记录、用水统计、用电统计、费用统计以及运行日志等功能。

移动端可用于用户绑定、余额查询、实时数据查看、充值记录查询、灌溉记录查询以及授权范围内的远程设备控制。

后台建议完整保存设备编号、用户、卡号、费率、充值记录、灌次、用水量、用电量、费用、控制来源以及异常日志，为后续统计分析和账务核对提供数据基础。

数据分析与智能应用

用户用水分析

按照用户统计日、月、季度和年度用水量，形成用户农业灌溉用水档案。

灌次分析

将每一次水泵启动到停止定义为独立灌次，记录对应用户、时间、水量、电量和费用，实现灌溉过程可追溯。

水电关系分析

通过同一灌次的用水量和用电量数据，可以分析单位取水量对应的电能消耗变化，为泵站运行状态和能源利用分析提供数据参考。

用水总量分析

按照用户、村组、灌溉区域、机井、泵站等维度统计累计用水量，为农业取用水总量管理提供数据基础。

水权管理

在项目平台具备相应业务功能的情况下，可将用户或农业经营主体的水权额度与账户建立关联，对已用水量、剩余水量以及历史用水情况进行统一管理。

定额管理

根据作物类型、灌溉面积或项目制定的农业用水定额，将实际用水数据与管理指标进行比较，为节水管理提供依据。

预警机制与决策支撑

系统可围绕账户、计量、通信、设备运行和用水管理建立异常管理机制。

当用户余额不足时，系统可按照项目配置执行停止灌溉并提示充值；当水电计量数据出现异常时，可停止设备或形成异常记录；管理人员发现特殊情况时，可以通过平台执行远程停泵。

对于配置水权或用水定额管理功能的项目，还可根据累计用水量设置提醒阈值，为用水总量管理提供辅助决策。

典型控制流程为：

用户刷卡 → 身份识别 → 权限校验 → 余额/控制条件判断 → 启动水泵 → 水电同步计量 → 实时记录 → 费用核算 → 达到停止条件 → 自动停泵 → 数据结算 → 上传平台。

项目实施方案

1. 现场调查

调查机井、泵站、灌溉管网、水泵功率、供电方式、配电设施、管径、设计流量、通信信号和安装环境。

2. 水表及流量计选型

根据灌溉管径、实际流量范围、水质条件、安装空间、通信接口和项目计量要求选择适用的水表或流量计，并确定量程、精度、信号方式和倍率。

3. 电气系统设计

根据水泵额定功率、启动方式和运行电流配置断路器、接触器、过载保护、缺相保护以及可靠接地。水电双控智能终端负责控制管理，不替代完整的水泵配电保护系统。

4. 终端安装

按照设备安装孔位固定终端柜体，确保安装面牢固、垂直，并预留柜门开启、接线和检修空间。

5. 平台建档

建立设备、用户、IC卡、计量表具、水价、电价和管理区域等基础信息，并完成用户和设备之间的权限分配。

6. 系统联调

完成水表、电能表、通信模块、水泵控制回路和平台之间的联合调试，分别测试现场刷卡、远程启动、远程停止、计量、计费和数据上传功能。

7. 试运行

先进行空载联调，再进行实际带泵运行，重点核对实际水量、电量、费用以及停止控制逻辑。

8. 项目交付

建立设备编号、用户及卡片、费率、计量倍率、通信参数和竣工接线资料，完成管理人员和用户操作培训。

运维服务保障

• 建立设备运行和维护档案；
• 定期检查水表、流量计和电能表工作状态；
• 检查控制柜端子、电气回路及接地状态；
• 检查4G/2G通信状态；
• 定期核对现场表底与平台累计数据；
• 定期检查用户账户、卡片和余额同步状态；
• 记录水价、电价及计费规则调整历史；
• 记录发卡、充值、维修和异常停机信息；
• 网络恢复后检查离线消费数据同步及重复数据处理情况；
• 提供设备故障诊断、通信排查、参数恢复和备品备件支持。

项目优势与方案价值

水电双计

在同一套系统中同时采集灌溉用水量和水泵用电量，实现水、电数据统一管理。

一户一账

通过IC卡和账户体系将每次灌溉数据关联到具体用户，实现多用户共用机井情况下的分户管理。

一灌次一记录

完整记录每次灌溉的用户、设备、起止时间、水量、电量和费用，形成可追溯的灌溉电子台账。

刷卡与远程双控

兼顾农户现场操作和管理单位远程调度，既满足实际农业生产使用习惯，又提高集中管理效率。

在线与离线兼顾

对于已经完成平台同步的账户和卡片，可根据项目策略支持网络异常情况下的离线使用，提高野外灌溉场景的连续运行能力。

计量与计费一体化

将取水、用电、计费、充值和余额管理统一到同一业务体系，减少人工抄表、收费和多系统对账工作。

支撑农业节水管理

通过连续积累真实灌溉用水数据，为用水总量控制、农业用水定额、水权管理和节水评价提供数据基础。

应用场景

• 高标准农田机井智能化改造；
• 高标准农田泵站自动化管理；
• 农业灌溉取水口计量控制；
• 大中型灌区末级渠系计量管理；
• 农业水价综合改革项目；
• 农业取用水总量控制项目；
• 农业水权到户管理；
• 农民用水合作组织收费管理；
• 多用户共用机井灌溉管理；
• 设施农业灌溉；
• 规模化种植基地；
• 果园、茶园灌溉管理；
• 数字灌区建设；
• 智慧农业及农业物联网项目。

效益分析

节水效益

通过取水计量、用户管理和用水数据统计，将传统粗放式灌溉逐步转变为计量用水，为节水管理和农业用水总量控制提供基础条件。

管理效益

减少人工抄表、收费、现场启停和统计工作，实现机井、泵站和用户统一数字化管理，提高基层农田水利管理效率。

经济效益

通过自动计量和账户管理降低人工收费及对账成本，使水价、电价、充值、余额和消费记录更加透明。

运行效益

通过平台远程查看设备运行和灌溉记录，辅助管理人员发现通信、计量和控制异常，减少不必要的现场巡检。

数据效益

长期积累用户、设备、灌次、用水量、用电量和费用数据，逐步建立农业灌溉数字资产，为高标准农田运行管理、农业水价改革、水权管理和节水评价提供数据支撑。

标准规范与政策依据

项目设计、设备选型、计量、电气安装、平台建设及验收应结合项目所在地现行法规、管理要求及合同技术协议执行，可根据实际项目参考以下文件：

• 国办发〔2016〕2号《国务院办公厅关于推进农业水价综合改革的意见》；
• GB/T 17215.321—2021《电测量设备（交流） 特殊要求 第21部分：静止式有功电能表》；
• GB/T 778.1—2018《饮用冷水水表和热水水表 第1部分：计量要求和技术要求》，采用相应水表时参考；
• GB/T 4208—2017《外壳防护等级（IP代码）》，项目提出柜体防护等级要求时参考；
• GB/T 22239—2019《信息安全技术 网络安全等级保护基本要求》，平台属于相应定级对象时适用。

不同标准具有各自适用范围，引用相关标准不代表水电双控智能终端整机已经取得相应认证或达到某一特定防护等级。实际项目应根据设备配置、计量器具、电气系统以及当地管理要求确定最终技术和验收依据。

典型应用案例

高标准农田多用户机井水电双控灌溉

某高标准农田灌溉区域采用多户共用机井模式。传统管理方式主要依靠人工登记、人工抄表和集中收费，难以准确统计不同农户的实际取水量和水泵用电量。

项目可在各机井配置水电双控智能终端、水表或流量计、三相电能表、IC卡读卡单元以及水泵电气控制系统，并通过蜂窝网络接入农业灌溉管理平台。

每个用水户建立独立账户并发放授权IC卡。农户需要灌溉时，在对应机井终端刷卡，系统完成身份、权限和余额校验后启动水泵，并自动记录本次灌溉的取水量、用电量、起止时间和费用。

灌溉结束后再次刷卡即可停止水泵并完成本次灌溉结算。管理人员也可以通过平台查看设备状态和灌溉记录，并在授权条件下执行远程启停。

通过长期运行，可逐步建立“农户—机井—灌次—水量—电量—费用”的数字化台账，为农业水价管理、用水总量统计、水权管理和高标准农田运行维护提供数据基础。

以上内容为典型应用场景设计，不代表具体已建项目业绩。实际项目成效应根据计量台账、收费对账、设备在线率以及节水管理数据进行评价。

参考文献

[1] 国务院办公厅：《关于推进农业水价综合改革的意见》（国办发〔2016〕2号）。

[2] GB/T 17215.321—2021，《电测量设备（交流） 特殊要求 第21部分：静止式有功电能表》。

[3] GB/T 778.1—2018，《饮用冷水水表和热水水表 第1部分：计量要求和技术要求》。

[4] GB/T 4208—2017，《外壳防护等级（IP代码）》。

[5] GB/T 22239—2019，《信息安全技术 网络安全等级保护基本要求》。

说明：本方案用于水电双控智能终端取水灌溉自动化项目的方案设计与技术交流。具体水表或流量计型号、量程与精度、水泵功率、电气控制方式、配电保护、费率、离线运行策略、平台接口及项目验收要求，应根据现场条件和合同技术协议确定。