陳顯祥

（貴州商學院計算機與信息工程，貴州貴陽550000）

近幾年，國家加大了對農業(yè)灌溉設施的投入力度，在發(fā)展農業(yè)灌溉中遇到了許多問題：一是投入嚴重不足，由于種植農田效益較低，農民根本沒有多余的資金投入到節(jié)水灌溉設備中。二是節(jié)水灌溉技術基礎研究落后，大數(shù)據(jù)、集約化等高新技術應用較少，其配套設備選擇余地少且維護起來較為復雜，從而限制了閥門系統(tǒng)在灌溉領域中的應用。在閥門控制方面，目前應用較多的是電磁閥，實踐證明電磁閥僅適用于水量較少、水質比較干凈的室內灌溉，對于水質差，地形復雜的中國存在一定的使用局限性。另外，電磁閥的開啟狀態(tài)下需要電壓進行維持。

由于電磁閥是電磁閥控制重要核心構件，一旦損害就意味著整個電磁閥不可用，直接造成灌溉成本的上升。以上種種原因，這就影響電磁閥使用的普遍性及我國地貌多元化的特點。為此，將電磁閥替換為電機控制水流開關，無需外接電源，在水資源的循環(huán)利用上有了大大的提高，能很好地解決電磁閥使用受限的問題。

1 系統(tǒng)結構及工作原理

1.1 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)結構如圖1所示。

水流自充電式閥門系統(tǒng)由包括閥體，閥芯、發(fā)電機、葉片、電機、導槽體、電池，濾芯等部件組成。

1.2 工作原理

當閥門處于開啟狀態(tài)時，管內水流沖擊帶動水力發(fā)電機葉片轉動，發(fā)電機通過磁感應原理發(fā)電。此時，發(fā)電機產生電能為閥門電池充電。同時，當灌溉系統(tǒng)工作時，留有上次儲存電量的電池作為電源驅動電機，電機帶動導槽體上下運動，可控制先導閥腔體充水和放水。充水時，閥芯向下運動關閉閥門，放水時，利用水力自平衡原理，可使閥芯向上運動以打開閥門。

1.2.1 水力自平衡閥門工作原理

水力自平衡閥門的原理是在一定的流量范圍內，通過閥門的自動調節(jié)動作，使閥門系統(tǒng)壓差增大；當壓差開始減小，閥門自動開大，使壓差仍保持恒定。

水流自充電式閥門的水力自平衡開閉實現(xiàn)方式如下：

在閥門開啟過程中，電機轉動使同步帶帶動導槽體運動，進水腔體的孔道3與導槽腔體的孔道4連通，孔道4與外界相通，水流在閥體彈簧的自恢復力作用和進水腔體內水流壓力減小同時作用的情況下，閥門緩慢開啟。

當閥門關閉時，電機轉動使同步帶帶動導槽體運動，進水腔體的孔道3與導槽腔體的孔道2連通，進水側通過導槽腔體與進水腔體連通，閥門進水腔體上端面積設計為球面，下端設計為平面，在水力壓力相同情況下，閥門上端面積大于下端面積，即上端水流壓力大于下端壓力，從而實現(xiàn)閥門的自動關閉，截斷水流通過閥體管道。閥門俯視如圖2所示。

1.2.2 發(fā)電機工作原理

發(fā)電機腔體布置在進水前端，管道一側，水力發(fā)電機布置于發(fā)電機腔體內，發(fā)電機定子固定，轉子與葉片相連，水流發(fā)電機經過水流沖擊葉片旋轉提供給電能存儲模塊進行自充電功能。

圖2 閥門俯視圖結構

進水腔體底部有孔道1與閥體管道相通，側壁有孔道2與導槽腔體相通，水流經過底部孔道1進入腔體濾芯，經濾芯過濾后可通過側壁孔道2進入導槽腔體。

1.2.3 導體槽工作原理

電動機與導槽體通過同步帶連接，電機控制導槽體上下運動。導槽腔體側壁有3個孔道，孔道2是與進水腔相通，孔道3是與先導閥腔體相通，孔道4是排水，且與3孔道在同一水平面上。

導槽體上有兩個導槽，上導槽可與孔道2、孔道3相通，下導槽可與孔道3及相通。當電機帶動導槽體運動至上導槽中心面與3孔道中心線同一水平面時，先導閥腔體充水，閥芯向下運動時閥門關閉；當電機代動導槽體下導槽中心面與3孔道中心線同一水平面時，先導閥腔體排水，閥芯向上運動使閥門打開。

導槽體結構如圖3所示。

圖3 導槽體結構示意圖

1）傳動電機選型計算

TL（DX（M+G））/（ηXiX2）（Kgf·cm）

M：負載重量（Kg），G：輸送帶+傳動齒輪重量（Kg），D：驅動導體槽螺桿直徑（CM），i：減速比，η：效率（0.9），TL驅動力矩。通過公式計算便可選取對應電機進行傳動。

2）同步帶選型

同步帶傳動是綜合了帶傳動、鏈傳動以及齒輪傳動優(yōu)點的一種傳動方式，它兼有摩擦型帶傳動的優(yōu)點，能保持恒定的傳動比，而且結構簡單，傳動平穩(wěn)，在電機與導槽體軸連過程中能緩沖吸振，可以實現(xiàn)電機小軸與導槽控制旋轉軸之間很好的傳遞動力，且價格低廉。無需潤滑、維護方便等特點。

由于設計中采用小輪帶大輪的結構，要求傳動的承載能力較高，長期使用，皮帶自身的抗疲勞性能要好、使用壽命相對較長，所以對皮帶芯材料的強度要求較高，所以采用高扭矩橡膠同步帶作為傳動帶。

2 通訊模塊

由于閥門灌溉系統(tǒng)分布廣泛，采用有線方式進行架構將產生巨大的成本及布線困難，不便于維護和管理，自充電系統(tǒng)也省去閥門控制系統(tǒng)的供電問題[14-15]。

閥門控制是采用小型直流電機來驅動閥門導槽體的上下移動，從而控制閥門的開關。當電機正轉時帶動導槽向下移動時，導槽體運動到指定位置時可打開閥門，反之當電機正轉時帶動導槽向上移動，導槽體運動到頂部位置時可關閉閥門。電機使用3 V電源供電，空載電流約350 mA，堵轉電流約1.3 A，短時間內堵轉不會燒壞電機。因此通過I/O口驅動H橋電路控制電機正反轉來實現(xiàn)對閥門的開關控制。在驅動導槽體上下運動時，驅動時間需要略大于導槽體完成行程時間，以保證對閥門的完全打開和完全關閉。

無線網絡通訊部分采用了DL-LN33無線自組網模塊作為數(shù)據(jù)傳輸媒介，該模塊是一款基于UART接口的無線傳輸模塊，采用TI的CC2530芯片，工作在2 400～2 450 MHz公用頻段，符合IEEE 802.15.4協(xié)議，支持無線自組網多跳傳輸[16-17]。DLLN33無線自組網模塊上電自動組網，模塊工作時，會與周圍的模塊自動組成一個無線多跳網絡，此網絡為對等網絡，不需要中心節(jié)點；微控制器（mcu）通過UART告訴模塊目標地址和待發(fā)數(shù)據(jù)，模塊會通過網絡選擇最優(yōu)路徑，將信息傳輸給目標模塊，而目標模塊能通過UART輸出源地址和數(shù)據(jù)。

閥門的開/關需要通過上位機指令來對其控制，上位機指令則依賴于無線通訊網絡來完成。每個閥門控制單元均有自己唯一的網絡地址，上位機通過無線通訊網絡向目標地址閥門控制單元發(fā)送：地址+數(shù)據(jù)或地址+指令，對目標節(jié)點進行指令或數(shù)據(jù)的傳輸。如上位機A需要控制閥門B打開，首先上位機需要通過對主機配置好B的網絡地址，以及需要對B操作的指令，然后通過UART發(fā)送給上位機端發(fā)送模塊處理，當上位機發(fā)送模塊接收到數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)打包處理并發(fā)送，此過程無線自組網絡自動尋找目標地址最佳路徑并自動對地址進行校驗。匹配成功以后接收端對數(shù)據(jù)進行解碼然后得到相應數(shù)據(jù)或指令，即可對閥門做出相應控制動作。

通訊模式如圖4所示。

圖4 無線通訊模塊工作原理

3 儲能單元

儲能單元與水流發(fā)電機直接連接，用于儲存發(fā)水流發(fā)電機產生輸出的電能量。

儲能單元包括連接發(fā)電機的整流模塊和充電模塊，儲能單元電路見圖5。

圖5 儲能單元電路原理圖

儲能單元包括過電流保護二極管D1、電容C1、電流轉換芯片IC1、電容C2以及充電模塊。儲能單元工作原理為：輸入端連接水流發(fā)電機，水流發(fā)電機輸出電壓經轉換電路IC1轉換為5 V和3.3 V電壓輸出，同時給充電模塊進行蓄電池充電，充電模塊設置過壓保護功能，充電完成后自動停止充電。設計采用電流轉換芯片AM1117和LM7805芯片。當儲能單元工作時有以下輸出模式：

1）當閥門未打開時，水流發(fā)電機在首次使用時未進行儲能模塊充電，水流發(fā)電機輸出不能帶動傳動電機實現(xiàn)開閥操作，則儲能單元（安裝時內部已提前儲存能量）直接供電傳動電機實現(xiàn)開閥操作。

2）當水流發(fā)電機正常工作后，水流發(fā)電機直接供給傳動電機實現(xiàn)關閥操作。

4 自充電式電動閥門在農田灌溉系統(tǒng)中的適應性

1）取材方便、成本較低。閥體采用自平衡液壓閥門，講機械式手動操作利用電動機帶動同步帶進行替換，電機使用3 V電源供電，空載電流約350 mA，堵轉電流約1.3 A。無論是液壓閥門還是電機，都為市場上常見產品，保證了維護材料的易得性，且價格能被普通大眾所接待。

2）閥體可靠，使用壽命長。液壓自平衡閥門屬于工業(yè)級產品，閥體本身能承受較高水壓，自充電式電動閥門能承受215 MPa的壓力，閥體本身采用鑄鐵制作，機械強度及耐腐蝕性能得到很好的保障。閥體連接處內置使用耐腐蝕、抗老化密封橡膠。在電機控制方面，傳動電機工作時間和頻率較少，一般只作閥門的開關工作時短短的時間使用，其它時間傳動電機一直處于掉電休眠狀態(tài)。綜合以上液壓自平衡閥門和電機傳動的控制方式，分析控制指標，自充電式電動閥門使用壽命較長，滿足設計要求。

3）關閉嚴密，能適應復雜水質條件，維護簡便。充電式電動閥門的閥體本身通過水力自平衡實現(xiàn)閥門的開/關，前端通過水流流經閥門的不同閥門腔體，改變上下腔的壓力實現(xiàn)閥門動作，閥門的開關平穩(wěn)，只需保證前端電機控制精準，便可實現(xiàn)閥門在關閉時的嚴密性。常用的閥門控制系統(tǒng)使用的電磁閥對水流的純凈度有較高要求，在農田灌溉系統(tǒng)中由于水量集中、水源復雜、雜質較多等容易造成閥門堵塞，直接影響閥門的密封性，常用方式為前端加裝濾網來實現(xiàn)凈水功能，這樣就會導致當濾網堵塞時產生水流中斷的危險，切不便于維護。而液壓自平衡閥門則無需將濾網加裝在閥體前端，減輕了清理難度，便于維護。

4）降低水力沖擊對閥門的損傷。閥門設計上，開啟和關閉過程都較為平穩(wěn)，且閥門開啟速度可控，閥門為逐級開啟，水流呈現(xiàn)緩慢增大的過程，降低了水錘作用對閥門本體幾管道的沖擊，保證了管道不會因為局部壓力過大而導致的爆裂危險，延長了灌溉系統(tǒng)的使用壽命。

5）通過組網通訊方式，在灌溉系統(tǒng)的各閥門控制上實現(xiàn)每組閥門對應相應控制輸出，形成集中控制模式，對于水資源的優(yōu)化分配起到了至關重要的作用，能適應分布廣袤，復雜多變的地形，得到很好的普及。

6）閥門可根據(jù)用戶需求設置不同的規(guī)格與口徑大小。由液壓自平衡閥門的工作原理可知，其口徑的大小僅與閥體上端水壓的大小有關，處于安全方面考慮，一般采用閥門全開或全關兩種狀態(tài)，不進行流量調節(jié)。由于農田地形及需求灌溉的多樣性，對于不同大小的地塊，不同的用戶，可以選擇不同孔徑的管道進行灌溉網絡鋪設，可以提供口徑大小不等、規(guī)格多樣的自動閥門，且各種口徑的閥門其輸水量是可以確定的。為定時定量管理用水提供技術保障。

5 結束語

自充電式電動閥門通過管道水流本身的壓力差，帶動發(fā)電機發(fā)電，解決了普通閥門和通訊單元的供電問題，屬于低碳可循環(huán)式的能源利用模式，對環(huán)境不產生污染性影響。利用水流自平衡原理，實現(xiàn)了閥門的液壓控制模式，解決了偏遠地區(qū)受灌溉機械化的局限性。自充電式閥門除了在資源的高效利用方面進行了智能的優(yōu)化處理，同時采用現(xiàn)有物聯(lián)網技術，解決了灌溉系統(tǒng)最后一公里的目的，利用在線監(jiān)測水力發(fā)電裝置發(fā)電量的統(tǒng)計，可以及時發(fā)現(xiàn)供水管道存在的水質及管道是否堵塞進行數(shù)據(jù)挖掘和處理，也給未來的閥門控制系統(tǒng)與發(fā)電設備的有機結合提供了重要的參考。

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