王智聞 ，關(guān) 星 ，張曉飛

（1. 湖北楚禹水務(wù)科技有限公司，湖北 荊門 448156；

2. 中國船舶重工集團公司第七二二研究所測控技術(shù)事業(yè)部，湖北 武漢 430079）

0 引言

嵌入式太陽能閘門控制系統(tǒng)（以下簡稱閘控系統(tǒng)）屬于灌區(qū)信息管理平臺的一部分，以“互聯(lián)網(wǎng) + ”的思維，將傳統(tǒng)的閘站改造成為智能、互聯(lián)的新型閘站，使管理者可以隨時隨地了解閘站的狀態(tài)，精準(zhǔn)控制閘站的閘位。

設(shè)計的閘控系統(tǒng)定位為精確計量和精準(zhǔn)控制的農(nóng)田灌溉設(shè)備，被控閘門可以是鑄鐵平板門、弧形門，提升方式可以是液壓式和螺桿式。實用的閘門寬度為 0.3～1.5 m，適用于地處偏僻且無交流電供電的小型閘門，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，節(jié)能環(huán)保。通過實時傳輸數(shù)據(jù)，使遠程控制操作人員對閘門狀態(tài)了如指掌，為遠程安全精準(zhǔn)控制閘門提供了保障。太陽能閘門控制設(shè)備經(jīng) GPRS 接收控制命令，可通過電腦或被授權(quán)的移動設(shè)備（如手機）隨時遠程控制閘門開度，通過太陽能對蓄電池浮充驅(qū)動直流電機啟閉閘門，控制閘門運動，同時保留手動啟閉閘門功能。管理平臺根據(jù)收集到的各種水文數(shù)據(jù)，確定水資源優(yōu)化配置、調(diào)度、控制的不同方案，為水庫、灌區(qū)、河道、渠道供水管理決策提供數(shù)據(jù)支撐。閘控系統(tǒng)能確保閘門的遠程合理控制，對防汛抗旱和農(nóng)業(yè)水利自動化灌溉有著重要的意義。

1 閘控系統(tǒng)設(shè)計

閘控系統(tǒng)由以下4個部分組成：

1）太陽能閘控站。由控制箱、電池箱、電控閘門、串口攝像頭、拉繩式閘位計、太陽能電池板等設(shè)備組成，可根據(jù)實際使用環(huán)境需要接入電磁式、超聲波式流量計，浮子式、壓力式、超聲波水位計等傳感器?？刂葡鋬?nèi)包含控制電路、遠程控制閘門和通訊設(shè)備等。

2）中心站采集監(jiān)控軟件。安裝在管理平臺的前置機服務(wù)器上，太陽能閘控站通過互聯(lián)網(wǎng)接入到該軟件。

3）Web 管理平臺。安裝在管理中心的 Web 服務(wù)器上，用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)使用電腦、手機或平板訪問 Web 管理平臺，通過該平臺軟件遠程操控各太陽能閘控站。

4）平臺數(shù)據(jù)庫。安裝在管理平臺的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上（和前置機服務(wù)器可合二為一），用來存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

閘控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 太陽能閘控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2 閘控設(shè)備硬件設(shè)計

閘控設(shè)備硬件組成如圖2所示，包括主控、電源、無線通信和液晶顯示器（LCD）等模塊，以及傳感器數(shù)據(jù)和圖像采集、電機驅(qū)動、限位開關(guān)等接口[1]。

圖2 閘控設(shè)備硬件組成

2.1 閘門控制器的任務(wù)

閘門控制器的任務(wù)如下：

1）采集閘門信息和前后水位及現(xiàn)場情況，可通過閘位、水位等傳感器和攝像頭模塊完成，然后將這些數(shù)據(jù)和圖片在用戶設(shè)定的時間間隔內(nèi)發(fā)送到中心站監(jiān)控軟件。通過閘后水位和堰槽的形狀，可計算出流量，實現(xiàn)測流功能。

2）接收中心站采集監(jiān)控軟件遠程發(fā)來的各種命令，按照預(yù)期目標(biāo)對各個控制設(shè)備發(fā)出控制信號。

3）通過與工控 LCD 的現(xiàn)場熱插拔連接，可以隨時顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，操作人員在現(xiàn)場控制模式下可以手動輸入閘門高度對閘門進行控制。

4）數(shù)據(jù)傳輸功能由負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?GPRS DTU完成，主要實現(xiàn)閘門控制器與中心站監(jiān)控軟件之間的對話。為達到更好的傳輸效果，在網(wǎng)絡(luò)條件好的地區(qū)可以采用 3G/4G DTU。在本設(shè)計中，GPRS DTU 將閘門控制器采集到的水情、閘位等數(shù)據(jù)和現(xiàn)場圖片發(fā)送到中心站監(jiān)控軟件，同時要求傳送中心站監(jiān)控軟件給閘門控制器下達控制指令，使閘門控制和監(jiān)測能形成閉環(huán)。

2.2 閘控設(shè)備的選型

閘門控制器是閘門控制系統(tǒng)中廣泛使用的核心設(shè)備，一般采用 PLC 或 RTU 作為控制器。

PLC 可編程序控制器是為在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用而設(shè)計的一種數(shù)字操作電子系統(tǒng)。它采用一種可編程的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出控制各種類型的機械設(shè)備或生產(chǎn)過程[2]。

RTU 一般由行業(yè)專業(yè)公司開發(fā)，針對具體系統(tǒng)的接口能力較強。該裝置具有功耗低，睡眠功能強，集成度高，可靠性高，使用維護方便，對工作環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點，是其他設(shè)備無可比擬的優(yōu)點。RTU 完成對測量參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、存儲（顯示）和傳輸控制，并通過通信設(shè)備和信道完成數(shù)據(jù)傳輸。

PLC 在閘控系統(tǒng)中最大的問題在于功耗較高，必須引入市電才能較好地實現(xiàn)整套系統(tǒng)的運行。而在國內(nèi)有很多小渠道并沒有引入市電，如果要加入市電，改造成本會升高。目前低功耗的 RTU 由于ARM 芯片性能的不斷改進，運算性能和實時性都可以得到保障，所以在本設(shè)計采用 RTU 作為閘控設(shè)備。

2. 3 主控芯片的選用

遠程控制閘門設(shè)備的主控芯片采用基于 ARM Cortex-M4 內(nèi)核的 32 位微控制器 MK60DN512[3]。ARM Cortex-M4 處理器內(nèi)核是在 Cortex-M3 內(nèi)核基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，性能比 Cortex-M3 提高了 20%，新增加了浮點、DSP（數(shù)字信號處理）、并行計算等功能，用以滿足需要有效且易于使用的控制和信號處理功能混合的數(shù)字信號控制市場，其高效的信號處理功能可與 Cortex-M 處理器系列的低功耗、低成本和易于使用的優(yōu)點相結(jié)合。Cortex-M4 的 DSP 性能比 16 位 DSP 芯片好，但不及 32 位 DSP 芯片。Cortex-M4 微控制器的目標(biāo)應(yīng)用包括電機控制、汽車電子、電源管理、嵌入式音頻及工業(yè)自動化，基于該架構(gòu)的 MK60DN512 操作頻率可達 100 MHz，1.25 DMIPS/ MHz 的 DSP 指令，具有3級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，帶獨立的本地指令和數(shù)據(jù)總線，以及用于外設(shè)的第3條總線，使得代碼執(zhí)行速度高達1.25 MIPS/MHz，并包含1個支持隨機跳轉(zhuǎn)的內(nèi)部預(yù)取指令單元。此外提供豐富的外設(shè)和 10 種低功耗操作模式，通過優(yōu)化外部設(shè)備執(zhí)行和喚醒時間延長電池壽命，使其非常適用于要求高度集成和低功耗的嵌入式場合。

2.4 傳感器信號接口的設(shè)計

1）0～5 V 差分信號輸入接口。信號經(jīng)電子開關(guān)，控制每一路的導(dǎo)通，從而將該路模擬信號接入后端的高精度運算放大器，進行差分放大運算，然后由 CPU 的 AD 部分進行 AD 轉(zhuǎn)換，得出該路傳感器的狀態(tài)，輸出相應(yīng)的結(jié)果，可接入閘門開度傳感器[4]。

2）4～20 mA 電流信號接口。電流信號處理電路，內(nèi)部放置高精密度電阻，該電流信號流經(jīng)此高精密度電阻時，將產(chǎn)生一定的壓降，此時，放大高精密度電阻兩端的電壓差，由分式可運算得出流經(jīng)該高精密度電阻的電流，從而測得外部電流信號的值。可作為采集傳感器數(shù)據(jù)的接口使用。

3）RS-485 通訊接口。由于 RS-485 信號為差分信號，閘控系統(tǒng)使用 MAX3485 芯片與外部信號進行通訊，可直接與使用 RS-485 串口輸出的傳感器相連，進行數(shù)據(jù)通信，也可作為采集傳感器數(shù)據(jù)的接口使用。

4）RS-232 接口。閘控系統(tǒng)采用 MAX232 芯片完成接口電平的轉(zhuǎn)換，通過 MAX232 芯片可直接與電腦 232 串口或使用 RS-232 串口輸出的傳感器相連進行數(shù)據(jù)通信。

3 閘控設(shè)備軟件設(shè)計

3.1 軟件功能和工作流程

3.1.1 軟件功能

太陽能閘門監(jiān)控站主要實現(xiàn)如下功能：

1）采集閘門開度、狀態(tài)及上下游水位等各類實時參數(shù)與狀態(tài)信號。

2）本地和遠程控制功能?？蓪⒃O(shè)備設(shè)置為本地和遠程控制模式。在現(xiàn)場控制模式下，太陽能閘門控制設(shè)備根據(jù)現(xiàn)場顯示屏的設(shè)定值，控制閘門運動至指定的高度。在遠程控制模式下，太陽能閘門控制設(shè)備收到中心站軟件下發(fā)的命令，控制閘門運動至指定的高度。

3）閘門超限保護功能。當(dāng)閘門到達上下限位時，檢測到電流過大時，閘門運行時間超過設(shè)定限制時，可自動停機。

4）現(xiàn)場實時監(jiān)控功能?？呻S時召測圖片作為現(xiàn)場運行狀態(tài)的參考。

3.1.2 工作流程

閘門控制設(shè)備的工作模式分為遠程控制和本地控制2種互斥的狀態(tài)，只能在現(xiàn)場設(shè)置控制狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備處于現(xiàn)場控制狀態(tài)時，遠程對閘門的控制失效，只有遠程采集數(shù)據(jù)的功能；當(dāng)現(xiàn)場將設(shè)備設(shè)置成遠程控制時，現(xiàn)場控制上升，下降失效，但可在現(xiàn)場停止閘門。

1）遠程控制模式狀態(tài)。工作流程如下：

a. 在中心站沒有下發(fā)閘位控制命令，并且閘門無動作時，按照設(shè)定時間定時上報數(shù)據(jù)。如果用戶下發(fā)召測命令，實時上報召測數(shù)據(jù)。

b. 在中心站下發(fā)閘位控制命令后，閘門控制設(shè)備采集當(dāng)前閘位，根據(jù)當(dāng)前閘位與中心站下發(fā)的閘位值進行比較控制閘門動作。在閘門運動過程中不執(zhí)行拍照和其他召測指令，每隔 5 s 采集1次閘位、水位和狀態(tài)并上報中心站，根據(jù)采集到的閘位、上下限判斷閘門是否停止。閘門停止后恢復(fù)定時上報功能；如果閘門控制設(shè)備收到停止指令，則立即控制閘門停止。

c. 在工作、閘門、超限等狀態(tài)發(fā)生變化時，要實時上報1次狀態(tài)、水位、閘位數(shù)據(jù)。

d. 當(dāng)閘門控制設(shè)備檢測到上下限時，控制閘門停止動作。

2）現(xiàn)場控制模式狀態(tài)。工作流程如下：a. 閘門無動作時，與遠程控制模式相同。

b. 當(dāng)用戶操作閘門動作時，每隔 5 s 采集1次閘位、水位和狀態(tài)數(shù)據(jù)，刷新串口屏幕，不用上報中心站。閘門動作時不進行拍照處理，按照設(shè)置定時上報數(shù)據(jù)，此時遠程控制狀態(tài)失效。

在遠程和現(xiàn)場控制2種模式下工作時，要采取以下保護措施；在閘門上升、下降操作時，如閘位在 5 s 內(nèi)沒有變動，報警停機；如電流過大，報警停機；如閘門動作超過設(shè)定的時間，報警停機。如果紅外檢測設(shè)備檢測到有人進入閘房，閘門控制設(shè)備啟動拍照功能，啟動閘房內(nèi)攝像頭進行拍照。

3.2 軟件模塊設(shè)計

整個設(shè)備軟件采用模塊化設(shè)計思想，軟件功能模塊如圖3所示。嵌入式控制軟件有數(shù)據(jù)采集、閘門控制、拍照流程和人機交互等功能，這些功能需要用到系統(tǒng)底層的各種硬件驅(qū)動程序。

圖3 遠程閘門控制設(shè)備軟件功能模塊圖

3.2.1 數(shù)據(jù)采集

本部分實現(xiàn)對閘門開度，上下游水位、設(shè)備工作電壓、電流等要素的采集。數(shù)據(jù)采集任務(wù)開始時會對傳感器的電信號接口進行初始化，如果閘門控制系統(tǒng)處于遠程控制狀態(tài)且沒有動作，則按照設(shè)定的采集周期采集傳感器產(chǎn)生的電信號，按照各采集通道配置的公式對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)工程量到要素量的轉(zhuǎn)換[4]。經(jīng)過檢查后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效就添加時間標(biāo)簽并存儲，如果達到上報條件就將數(shù)據(jù)上報給中心站，此次數(shù)據(jù)采集結(jié)束。在一次采集完成后，CPU 回到空閑狀態(tài)，如果閘門正在動作（上升或下降），或者閘控系統(tǒng)處于現(xiàn)場控制狀態(tài)，則數(shù)據(jù)采集任務(wù)會循環(huán)采集發(fā)送數(shù)據(jù)，直到閘門恢復(fù)遠程控制狀態(tài)且沒有動作。對于閘門開度、上下游水位、設(shè)備工作電壓、電流要素的采集，程序是通過時間定時器的方式實現(xiàn)的。當(dāng)采集時間定時器定時時間到，開始采集的動作。對于閘門的狀態(tài)，如上升、下降、停止等信號量是通過中斷的方式檢測的。如果這些狀態(tài)信號量發(fā)生了高低電平的變化被主控芯片檢測到，程序就會記錄這些狀態(tài)。

3.2.2 閘門控制

本部分可實現(xiàn)對閘門開度的遠程控制。在閘門控制系統(tǒng)處于遠程控制的狀態(tài)下，中心站下發(fā)設(shè)定的閘門開度（es），此時閘門控制設(shè)備會檢測當(dāng)前閘門的開度（e）與其比較。如果e＜es，閘控設(shè)備會控制電機正轉(zhuǎn)，將閘門拉高，并將循環(huán)檢測e，和es進行比較，此時，如果檢測到e≥es，閘控設(shè)備會控制電機停止轉(zhuǎn)動；如果e＞es，閘控設(shè)備會控制電機反轉(zhuǎn)，將閘門拉低，并將循環(huán)檢測e，和es進行比較，此時，如果檢測到e≤e，閘控設(shè)備會控制電機停止轉(zhuǎn)動。當(dāng)es和e的差值在 0.5 mm 的范圍內(nèi)，認(rèn)為無需控制電機轉(zhuǎn)動。閘門控制設(shè)備在閘門運動的過程中需要檢測限位開關(guān)的狀態(tài)。當(dāng)檢測到限位開關(guān)信號發(fā)生變化時，表明閘門開度已經(jīng)到閘門的限位值，此時閘門控制設(shè)備會控制電機立即停止轉(zhuǎn)動。

3.2.3 拍照流程

在拍照流程的設(shè)計上有以下2種方案：

1）方案 1。中心站查詢圖片數(shù)據(jù)時，在設(shè)備收到查詢請求后，連續(xù)發(fā)出多包報文，中心站如果正確接收全部數(shù)據(jù)包，僅應(yīng)回答1次確認(rèn)報文；若有錯誤數(shù)據(jù)包，中心站應(yīng)發(fā)送包括錯誤數(shù)據(jù)包序列號（每包單獨重發(fā)）的響應(yīng)包，設(shè)備重發(fā)相應(yīng)序列號數(shù)據(jù)包，最多重發(fā)2次。

2）方案 2。中心站發(fā)出查詢請求報文后，遙測站接收請求報文正確，應(yīng)發(fā)送響應(yīng)幀；如遙測站接收請求報文無效，則不響應(yīng)。中心站最多重發(fā)2次，如果還沒有收到設(shè)備的響應(yīng)幀，則這次傳輸失敗[5]。

這2種方案各有優(yōu)缺點，方案1傳輸速度比較快，但在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不是很好的情況下，容易出現(xiàn)掉包的情況，需要進行數(shù)據(jù)重傳；方案2傳輸比較可靠，每一幀都有應(yīng)答，但傳輸速率比較低，影響客戶體驗。對大小為 56 kbyte 的同一張圖片采用2種方案進行對比實驗，實際測試結(jié)果如表1所示。經(jīng)過對比實驗后，選擇方案 1。

表1 圖像傳輸對比測試數(shù)據(jù)

3.2.4 人機交互

通過人機交互功能，操作人員在現(xiàn)場可直接通過現(xiàn)場的工控屏對閘控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行直觀的觀察和控制，可觀察到實時水位、閘位、流量、各種報警狀態(tài)，以及控制閘門的升降停動作。

工控 LCD 通過 232 串口和 CPU 連接，通過Modbus 協(xié)議進行數(shù)據(jù)的交互。通過工控 LCD 控制閘門的停止?fàn)顟B(tài)時，為保證停止的及時性，CPU 通過串口中斷及時采集到工控 LCD 發(fā)出的停止指令，使響應(yīng)時間控制在1s 以內(nèi)。

3.2.5 功耗控制

由于是太陽能供電，要求在無日照情況下，閘門從全閉到全開再到全閉時間控制在 30 min 內(nèi)，每天工作2次，可正常運行 15 d。按照這個要求，從閘門尺寸、電機效率、易維護和穩(wěn)定可靠角度出發(fā)，配備不同功率的太陽能板和不同數(shù)量的蓄電池，同時軟件也對設(shè)備本身工作模式、傳感器和攝像頭的供電進行優(yōu)化，降低控制設(shè)備的功耗。當(dāng)控制設(shè)備沒有任何外部中斷和操作時，5 min 后控制設(shè)備進入掉電模式，同時關(guān)閉所有傳感器和攝像頭的電源。如果收到外部的中斷，則激活設(shè)備，恢復(fù)到正常工作模式，并按照收到中斷的類型完成相應(yīng)的流程。如果采集定時器定時時間到，也激活設(shè)備，并打開傳感器電源，對傳感器信息進行采集，數(shù)據(jù)采集完成后，關(guān)閉外部供電電源。如果攝像頭定時器定時時間到，則激活設(shè)備，打開攝像頭電源，進行拍照，拍照結(jié)束后，關(guān)閉攝像頭供電電源。

按照設(shè)計內(nèi)容，測量出的閘門控制設(shè)備靜態(tài)工作電流為 15 mA ，工作電流為 70 mA，工作電壓為12 V；電動機功率為 DC 24 V/300 W。在實際使用中典型閘門尺寸約為 500 mm ×500 mm。采用2塊DC 12 V 容量為 65 ?h 的蓄電池以串聯(lián)方式作為電源，配備 24 V/100 W 太陽能充電板可在系統(tǒng)要求條件下工作。

4 結(jié)語

基于 MK60DN512 開發(fā)的太陽能閘門控制設(shè)備，可在現(xiàn)場或遠程精準(zhǔn)控制閘門開度，估算過閘流量，目前已在湖北省多個灌區(qū)進行應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果顯示：該設(shè)備可快速響應(yīng)用水戶需求，大大縮短管水員開閘放水響應(yīng)時間，減少管理人員勞動強度，實現(xiàn)精準(zhǔn)控水。與傳統(tǒng)的 PLC 控制設(shè)備相比，特別適用于閘門數(shù)量多，路途遠，無市電的環(huán)境，具有廣闊的應(yīng)用前景。如果該設(shè)備采用 3G/4G 的通訊方式，可進一步提高遠程操作的響應(yīng)速度，優(yōu)化用戶體驗。

[1] 張從鵬，岳向泉，羅學(xué)科，等. 基于 ARM 的遠程自動控制計量閘門控制系統(tǒng)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器， 2014 (2):57-58，79.

[2] 李蜀燕. 淺談可編程控制器在機組自動化操作中的應(yīng)用[J]. 無線通信技術(shù)，2005，14 (3): 60-62.

[3] 楊熙，蘇勇，劉屹霄. 嵌入式軟件設(shè)計入門與進階——基于 Kinetis K60/K64[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2017:2-4.

[4] 關(guān)星，宋威，劉剛. Cortex-M3 低功耗水文遙測終端機的設(shè)計[J]. 計算機測量與控制，2013 (2): 2901-2903.

[5] 水利部水文局. 水文監(jiān)測數(shù)據(jù)通信規(guī)約：SL 651—2014[S].北京：中華人民共和國水利部，2014: 9-10.