任 然，任宇哲，王海軍，李欣昀

(1.香港城市大學(xué),香港 999077；2.深圳水務(wù)集團(tuán)，廣東 深圳 518031；3.河海大學(xué),江蘇 南京 210098；4.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；5.香港理工大學(xué)，香港 999077)

中國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，尤其在中國南方地區(qū)、東部亞熱帶季風(fēng)區(qū)，耕地類型以水田為主。水田中的土壤又被稱為水稻土，水稻土在長期灌溉和干濕交替的情況下，形成了與旱地不同的物理、化學(xué)、生物性狀。水稻土在淹水情況下，一方面會(huì)產(chǎn)生硫化氫、甲烷等氣體危害農(nóng)作物根系；另一方面，pH值升高，土壤呈還原環(huán)境，但還原環(huán)境太強(qiáng)或還原狀態(tài)太久，對(duì)農(nóng)作物不利。所以，排灌技術(shù)和蓄排水工程在調(diào)節(jié)土壤對(duì)水的滲透處理和土壤生物化學(xué)環(huán)境上舉足輕重。

傳統(tǒng)上，為了保持農(nóng)作物的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，大量的農(nóng)田水利設(shè)施如田間灌排工程、引水、蓄水工程的興修以調(diào)節(jié)農(nóng)田的水分狀況和改良土壤來滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。小型水閘在農(nóng)田渠道中使用較為廣泛以控制農(nóng)田的水量分配。但是目前，小型水閘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般為常規(guī)水閘結(jié)構(gòu)如開敞式水閘、開敞式帶胸墻水閘、涵洞式水閘等，其形式比較單一，同時(shí)，其運(yùn)行和控制的費(fèi)用相對(duì)較高，且控水效果不理想，無法大規(guī)模地應(yīng)用于農(nóng)田水利灌溉和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之中[1]。此外，智能化控水水閘大多應(yīng)用于大型河道中，并未見其廣泛應(yīng)用于農(nóng)田渠道中，目前的農(nóng)田水閘啟閉方式以人工手動(dòng)為主。

針對(duì)以上問題，本文基于傳統(tǒng)水閘的控水原理，提出了一種不同于傳統(tǒng)小型水閘的控水卷簾式閘門，配合智能化控制技術(shù)，操作方便，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉[2]。本文將從設(shè)計(jì)思路和理念、模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、智能化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行理論和實(shí)踐的探索，最后闡述結(jié)論，為農(nóng)田渠道的蓄排水工程探索出一個(gè)更智能化、更簡單實(shí)用的產(chǎn)品。

1 設(shè)計(jì)思路和理念

農(nóng)田渠道的排灌和蓄排水工程對(duì)農(nóng)作物所需要的水份、土壤要求至關(guān)重要，而傳統(tǒng)水閘的控水需要用及人工，運(yùn)行的成本高且控水不及時(shí)易對(duì)農(nóng)作物生長造成影響；控水形式單一導(dǎo)致控水效果不理想。在農(nóng)業(yè)水利設(shè)施中應(yīng)用本文的方案設(shè)計(jì)存在以下優(yōu)勢(shì)：①以智能化控制和自動(dòng)化運(yùn)行為目標(biāo)，降低人為參與度，操作簡易，解放人力；②對(duì)控水閘門的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了創(chuàng)新，卷簾式的水閘可以根據(jù)農(nóng)田渠道實(shí)際上下游水位靈活地控制閘門開口大小，以提升引排水的工作效率；③卷簾閘的結(jié)構(gòu)形式使剛性材料既易彎曲又可達(dá)到阻水的要求，閘口的開啟和關(guān)閉時(shí)利用智能控制電磁線圈“電生磁-磁斥/吸磁”的原理，使閘口開啟時(shí)獲取初始力推動(dòng)或關(guān)閉時(shí)很好的密封防漏效果。基于以上優(yōu)點(diǎn)，該設(shè)計(jì)方案適用于大多數(shù)中小型農(nóng)田渠道的排灌及蓄排水工程。

2 模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

2.1 閘門主體設(shè)計(jì)

本閘門設(shè)計(jì)方案見圖1，Lumion建模見圖2，主體部分包括動(dòng)力控制室、壓力傳感器、GPRS模塊、AC-DC模塊、天線、卷簾軸、閘門、磁鐵、電磁線圈、感應(yīng)鐵片和基底；動(dòng)力控制室設(shè)置于農(nóng)田渠道的任意一處基巖旁。動(dòng)力控制室內(nèi)設(shè)有電機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)及卷簾軸，電機(jī)與卷揚(yáng)機(jī)相連，卷揚(yáng)機(jī)與卷簾軸相連，通過電機(jī)的運(yùn)行，卷簾軸進(jìn)行順時(shí)針或逆時(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)，閘門關(guān)閉或開啟；閘門一端設(shè)有一磁鐵，見圖3。與動(dòng)力控制室相對(duì)的基巖上設(shè)有與閘門口磁鐵相對(duì)應(yīng)的感應(yīng)鐵片，感應(yīng)鐵片與電磁線圈相連，電磁線圈與AC-DC模塊相連，AC-DC模塊通過改變高壓交變電流為低壓直流電，通過電磁感應(yīng)線圈，可根據(jù)電流方向不同產(chǎn)生2種不同磁極，閘門開啟時(shí)，感應(yīng)鐵片端產(chǎn)生與閘門端相同的磁極，同性相斥，產(chǎn)生初始推力保證閘門起門力的提升，來減少渠道沉積物對(duì)閘門的影響；閘門關(guān)閉時(shí)，感應(yīng)鐵片端產(chǎn)生與閘門端相反的磁極，異性相吸，產(chǎn)生吸引力起到密封防滲漏的效果。閘門下端設(shè)有與動(dòng)力控制室相連的基底軌道，閘門在軌道內(nèi)移動(dòng)，保持閘門開啟或關(guān)閉時(shí)的方向性和穩(wěn)定性。

1.基巖；2.GPRS模塊；3.天線；4.動(dòng)力控制室；5.卷簾軸；6.壓力傳感器；7.基底；8.閘門；9.磁鐵；10.感應(yīng)鐵片；11.電磁線圈；12.AC-DC模塊圖1 農(nóng)田渠道控水卷簾閘門設(shè)計(jì)

圖2 農(nóng)田渠道控水卷簾閘門Lumion建模

圖3 閘門主體細(xì)部Lumion建模

2.2 卷簾閘門單位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

卷簾閘門根據(jù)水渠正截面的長度，選取滿足其適當(dāng)長度的單位結(jié)構(gòu)，見圖4。單位結(jié)構(gòu)采用SBS橡膠等柔性材料制作，開啟時(shí)，見圖5，隔水阻水效果好，且SBS橡膠等柔性材料在農(nóng)田渠道中不易腐蝕；關(guān)閉時(shí)，該卷簾閘門柔性材料結(jié)構(gòu)易發(fā)生彈性形變隨卷揚(yáng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)被收入動(dòng)力控制室內(nèi)[3]。

圖4 卷簾閘門單位結(jié)構(gòu)俯視

圖5 卷簾閘門開啟時(shí)結(jié)構(gòu)形式俯視

2.3 智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能控制系統(tǒng)主要包括CPU處理電路、電源電路、外圍接口電路、上位機(jī)軟件。其中外圍接口電路用來連接各類傳感器及電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。

首先，當(dāng)整個(gè)控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，分布在渠道閘門上下游的高精度水壓傳感器檢測(cè)到渠道水壓的大小并將數(shù)據(jù)發(fā)送至CPU處理器中，處理器通過多次采樣取平均值的方法進(jìn)行濾波而得到精準(zhǔn)的水壓數(shù)據(jù)，并通過水壓與水深的物理關(guān)系式轉(zhuǎn)化為水深，得到上下游的水位高度。

其次，外圍接口電路連接的GPRS模塊與上位機(jī)軟件通過GPRS通信方式建立無線連接，中央處理器便可以得到上位機(jī)水位差的設(shè)定值，并將該設(shè)定值作為閘門開啟或關(guān)閉的閾值。

最后，如果CPU處理器計(jì)算得到的上下游液位差大于設(shè)定的閾值，外圍電路連接的繼電器得電，電磁線圈得到正向電流，產(chǎn)生與閘門磁鐵相同的極性，閘門打開；相反，計(jì)算值小于設(shè)定的閾值，電磁線圈得到反向電流，產(chǎn)生與閘門磁鐵相反的極性，閘門關(guān)閉。同時(shí)，閘門打開的距離與液位差有分段線性關(guān)系，即在一定范圍內(nèi)，液位差越大，閘門打開的距離也越大。

本閘門設(shè)計(jì)的核心控制電路采用STM32F103系列芯片作為微控制器(圖6)。STM32F103屬于32位的ARM微控制器，主頻達(dá)到72 MHz,擁有最大64 kb字節(jié)的SRAM，能夠很好滿足本閘門設(shè)計(jì)的需求。其次，STM32F103內(nèi)部集成了數(shù)模轉(zhuǎn)化器，可以直接進(jìn)行ADC采樣，并有著單獨(dú)的溫度采集通道，方便檢測(cè)系統(tǒng)的溫度情況。再次，STM32F103具有低功耗模式，可以調(diào)節(jié)成睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式，最小待機(jī)功率達(dá)到μW級(jí)別，能夠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)節(jié)約能量。

圖6 CPU控制電路

其中，在CPU控制電路中，晶振電路選擇8 MHz的晶振，在晶振兩端并聯(lián)1 MΩ大小的電阻來穩(wěn)定波形并加速起振時(shí)間。同時(shí)，在3.3 V與GND之間通過并聯(lián)多個(gè)電容達(dá)到濾波的效果，使得向CPU提供的電源更加穩(wěn)定。在CPU控制電路中，為了更好區(qū)分高低電平來進(jìn)行ADC檢測(cè)，增加了ADC基準(zhǔn)電壓電路。其中：

(1)

當(dāng)然，在實(shí)際的生產(chǎn)制作中，R4、R5都需要選擇千分之一的精度，才能滿足要求。

本閘門設(shè)計(jì)電路控制部分電源需要5.0、3.3 V 2種電壓。一方面，220 V交流電通過AC-DC降壓模塊得到直流電5 V，降壓模塊采用WA3-220S05A3型號(hào)，見圖7，輸入電壓范圍廣，輸出電壓為固定5 V，波形平穩(wěn)，輸出電流達(dá)到600 mA,能夠較好滿足要求；另一方面，5 V電壓通過電源芯片AMS1085-3.3轉(zhuǎn)化為3.3 V，原理見圖8。在電源芯片的輸入端和輸出端都并聯(lián)電容來進(jìn)行濾波處理，同時(shí)采用大電容并聯(lián)小電容的做法，來抵消大電容的電感效應(yīng)。

圖7 降壓模塊

圖8 降壓電路

本閘門設(shè)計(jì)的控制電路為了更好地進(jìn)行后期維護(hù)和開發(fā)，留下SWD方式的程序下載接口(圖9)，相比于傳統(tǒng)的串口下載和JTAG下載方式，SWD下載方式所需要的空間小，需要的下載線少。電機(jī)選擇利用四路PWM來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，達(dá)到水渠閘門開關(guān)的目的[4]。GPRS網(wǎng)絡(luò)通信模塊是采用串口方式進(jìn)行通信的，容易進(jìn)行二次開發(fā)[5]。同時(shí)，水位檢測(cè)模塊是利用STM32自帶的內(nèi)部ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，采用兩路水位檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)閘門根據(jù)上、下游水位變化而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化開關(guān)的目的。

a)電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口 b)程序下載接口

c)GPRS通信接口 d)水位檢測(cè)接口

e)電源接口圖9 接口電路

上位機(jī)部分是利用C#語言[6]進(jìn)行編寫(圖10)，主要有三大功能：①整個(gè)智能控制系統(tǒng)的開始和停止，單擊“開始”按鈕，整個(gè)系統(tǒng)開始運(yùn)行，單擊“停止”按鈕，系統(tǒng)就會(huì)停止工作，閘門保持上個(gè)狀態(tài)不變，可以人為緊急停止；②顯示上游、下游水位以及二者水位差，水位檢測(cè)傳感器檢測(cè)的水位高低通過GPRS發(fā)送至上位機(jī)軟件后，可以通過進(jìn)度條示水位的高低，在進(jìn)度條后面又可以通過數(shù)字的形式準(zhǔn)確顯示水位，而上下游水位的高度差也可以直觀地利用進(jìn)度條來顯示，方便人們察看；③人為設(shè)定水位差值自動(dòng)控制閘門打開與閉合，通過上位機(jī)的下拉框來自行設(shè)定水位差的閘門動(dòng)作值，達(dá)到自動(dòng)化運(yùn)行的目的。

圖10 上位機(jī)軟件頁面

3 結(jié)語

目前，智能化裝備在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用愈加廣泛，但對(duì)于智能化農(nóng)田渠道控水方面，依然存在很大空白，本文提出一種設(shè)計(jì)方案，嘗試將傳統(tǒng)河道用水閘的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行創(chuàng)新，柔性材料制作的單位設(shè)計(jì)方便卷式收入，配合卷簾式的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單、操作容易，有很好的阻水性和控水效果。同時(shí)，智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用CPU處理電路、電源電路、外圍接口電路、上位機(jī)軟件組成系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控閘門上下游水位，根據(jù)設(shè)定水位差值，自動(dòng)開啟或關(guān)閉閥門，人為亦可通過PC端或手機(jī)端遠(yuǎn)程監(jiān)控。該設(shè)計(jì)方案具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和創(chuàng)新性，因此，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。