許冠芝，溫宗周，張陽陽

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710048）

1 引 言

我國水資源嚴(yán)重短缺，有限的水資源在時間和空間上分布也極不均勻。隨著水資源稀缺與供需矛盾的日益明顯，節(jié)約水資源、提高水資源利用率已成為實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵。要合理利用水資源，離不開對水資源的有效調(diào)度。目前，世界上發(fā)達國家的灌區(qū)管理正朝著信息化、自動化、高效化的方向發(fā)展[1-2]。國外進口設(shè)備價格昂貴、操作復(fù)雜、水情適應(yīng)性差，無法全面推廣使用[2]。我國灌區(qū)應(yīng)用技術(shù)還處于起步階段，只在少數(shù)灌區(qū)有所使用。

先進的閘門監(jiān)控系統(tǒng)是高效、高可靠的水資源調(diào)度系統(tǒng)的前端和基礎(chǔ)[3-4]。遠程自動控制閘門是實現(xiàn)灌區(qū)信息化的關(guān)鍵設(shè)備, 一體化閘門的設(shè)計優(yōu)化可以提高供水的準(zhǔn)確性和灌區(qū)水資源的使用效率，同時降低工作人員的勞動強度，提高配水管理水平，充分發(fā)揮水資源的合理化利用，提高灌溉效益，促進灌區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展。提出有效的控制系統(tǒng)設(shè)計方案，開發(fā)出滿足我國灌區(qū)使用的遠程自動計量分水閘門系統(tǒng)，對于實現(xiàn)灌區(qū)精確化配水、科學(xué)調(diào)度和信息化管理具有重要意義[5-6]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

在此設(shè)計一種一體化閘門系統(tǒng)，由上位機監(jiān)控系統(tǒng)和下位機閘門控制系統(tǒng)組成。上位機由工業(yè)計算機經(jīng)RS-485 總線與閘門控制器通訊，實時檢測閘門的開度及渠道流速，并可設(shè)置灌溉水量及灌溉時間等內(nèi)部運行參數(shù)，從而實現(xiàn)遠程控制。

下位機閘門控制器以32 位ARM Cortex-M 芯片STM32F103RBT6 作為處理器，對步進電機進行控制，步進電機通過傳動裝置和啟閉機相連，由啟閉機控制閘門的開閉，通過和啟閉機相連的多圈式絕對式光電編碼器來測量閘門的開啟程度。一體化閘門結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 一體化閘門結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計

閘門控制系統(tǒng)主控芯片STM32F103RBT6 通過電源模塊保證一體化閘門系統(tǒng)的正常工作，通過傳感器模塊采集渠道流速及閘門開度信息，通過電機驅(qū)動模塊控制閘門的開閉，通過存儲模塊將采集到的信息和記錄信息進行保存，通過通訊模塊實現(xiàn)上位機和下位機之間的通訊，通過限位開關(guān)接口電路模塊保證閘門的安全性。各模塊組合成了一體化閘門，其樣機如圖2 所示。

圖2 一體化閘門樣機

(1)電源模塊

由于灌區(qū)閘門的安裝點可能無法采用市電，因此設(shè)計了太陽能供電系統(tǒng)，采用24 V 蓄電池作為控制系統(tǒng)的總電源，利用太陽能板對蓄電池進行充電，并用充電保護器對蓄電池進行保護，以減小因利用太陽能板充電對蓄電池造成的損壞。圖3 為總體電源供電系統(tǒng)。

圖3 電源供電模塊

(2)傳感器模塊

采用雷達式流速儀實現(xiàn)對渠道流速的采集。它是根據(jù)多普勒效應(yīng)，利用雷達傳感器，在流動的水體中產(chǎn)生雷達差頻信號，利用這個差頻信號中所載有的流體速度信息，通過測量雷達差頻信號頻率計算得到水面流速。

采用多圈式絕對式光電編碼器實現(xiàn)對閘門開度數(shù)據(jù)的采集，最終把輸送出來的數(shù)據(jù)經(jīng)過RS484 通信輸送至主控板。

(3)電機驅(qū)動模塊

步進電機擁有很高的運行穩(wěn)定性、非常低的噪聲以及很高的扭力等優(yōu)點，非常適用于驅(qū)動閘門。在此選用Microstep Driver，采用共陰極接線方式，對電機進行驅(qū)動。圖4 為共陰接線方式。

圖4 共陰接線方式

對圖中接線的說明如下：

Pu+：有脈沖時工作，低電平有效；

Dr+：低電平輸入或懸空時正轉(zhuǎn)，高電平輸入時反轉(zhuǎn)；

EN+：低電平輸入或懸空時正常工作，高電平輸入時脫機。

(4)數(shù)據(jù)存儲模塊

在數(shù)據(jù)存儲空間方面，除了STM32F103RBT6自帶的128K 字節(jié)Flash，控制系統(tǒng)還外擴了SD 卡接口和AT45DB 模塊接口。采用串行flash 存儲器W25Q128BV 和MicroSD 相結(jié)合完成系統(tǒng)存儲電路設(shè)計。W25Q128BV 主要用于存儲參數(shù)（采樣時間、數(shù)據(jù)單位、時間等）；MicroSD 用來存儲數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息等。圖5、圖6 分別為Flash 存儲和SD卡存儲。

(5)通訊模塊

無線通訊模塊的GPRS 模塊采用SIM900A 為控制芯片。選用GPPS 遠程通信協(xié)議，可實現(xiàn)大范圍內(nèi)設(shè)備狀態(tài)的觀測，比自建無線收發(fā)站的成本要低。

圖5 FLASH 存儲模塊

圖6 SD卡存儲模塊

RS485 通訊模塊采用RS-485 串口通訊，它是一種基于差分信號傳送的串行通訊鏈路層協(xié)議，可用于距離較長的數(shù)據(jù)通訊。在一體化閘門系統(tǒng)中，主控制板需要從多圈式絕對式光電編碼器獲取閘門的開度信息，并且需要通過RS485 從上位機獲取灌溉水量和灌溉時間等信息。當(dāng)閘門運行出現(xiàn)異常時，ARM 處理器還應(yīng)當(dāng)將異常信號上傳給上位機。這些信息都可以通過RS485 進行傳輸。圖7 為RS485 電路圖。

圖7 RS485 電路圖

(6)限位開關(guān)模塊

閘門在開啟過程中，如果觸碰到開度限位開關(guān)就會給閘位控制器發(fā)送一個脈沖信號，控制板器接受到脈沖信號之后給電機發(fā)送控制命令，使電機停止運轉(zhuǎn)。限位開關(guān)的設(shè)計避免了閘門開啟時因超過其閾值而導(dǎo)致事故發(fā)生。

(7)人機交互模塊

一體化閘門控制系統(tǒng)，除了通過上位機對閘門發(fā)送信息，還有現(xiàn)場控制單元，操作人員可以通過LED 燈來了解閘門的運行狀態(tài)，通過按鍵對閘門進行現(xiàn)場控制。

4 軟件設(shè)計

4.1 主程序流程設(shè)計

控制器軟件部分包括：系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、模糊控制算法模塊、存儲模塊、通訊模塊和人機交互模塊等。具體結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 控制器軟件結(jié)構(gòu)框圖

1)系統(tǒng)初始化模塊：完成系統(tǒng)初始化工作。

2)數(shù)據(jù)采集模塊：對渠道水流速、閘門開度等信息進行采集。

3)模糊控制算法模塊： 完成閘門開閉程度的確定。

4)存儲模塊：對內(nèi)部數(shù)據(jù)參數(shù)、采集數(shù)據(jù)及記錄數(shù)據(jù)進行存儲。

5)通訊模塊：通過GPRS 無線傳輸和RS485 串口通信方式向上位機發(fā)送消息。

6)人機交互模塊：包括按鍵操作和LED 燈的顯示,實現(xiàn)人機交互。

其中，由數(shù)據(jù)采集模塊、模糊控制算法模塊、存儲模塊、通訊模塊和人機交互模塊構(gòu)成一體化閘門系統(tǒng)軟件主程序，用來完成硬件模塊的驅(qū)動程序和控制算法的實現(xiàn)。主程序的流程如圖9 所示。

圖9 主程序流程圖

4.2 異常處理模塊

在閘門啟閉時，閘門控制系統(tǒng)應(yīng)實時檢測閘門的運動狀態(tài)，對隨時可能發(fā)生的異常情況做出反應(yīng)，采取緊急處理措施。這些異常情況包括：電機過電流、欠壓、過載、定子線圈溫度過高、閘門卡滯、飛車、越限等。當(dāng)異常出現(xiàn)時，要及時對異常做出反應(yīng)，以免造成更大的損失。

4.3 模糊控制算法

為了提高閘門調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)穩(wěn)定性，采用了模糊（Fuzzy）控制算法，對閘門開度進行實時控制。通過RS485 通訊模塊接收上位機傳輸?shù)墓喔人亢凸喔葧r間的信息，采用流量期望值L0與實際流量L 的誤差e、誤差的變化率Ec做為輸入變量，以閘門開度的改變量μ 做為輸出量，經(jīng)過ARM 微控制器運算后實時調(diào)節(jié)閘門開度，從而達到對灌溉水量及時間的優(yōu)化調(diào)節(jié)[7-8]。模糊算法結(jié)構(gòu)如圖10 所示。

圖10 模糊算法結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用二維模糊控制算法。輸入、輸出變量用語言表達為：負大（NB）、負中（NM）、負小（NS）、零（ZE）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB）。根據(jù)工作人員實踐經(jīng)驗，經(jīng)一定試驗，可總結(jié)出控制規(guī)則：當(dāng)偏差e 與Ec值同為負大時，為了使e 減小，就需要將閘門的開度增大，即閘門的開度變化μ 應(yīng)取正大；當(dāng)誤差e 為負小或正小時，主要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。若Ec為正，表明偏差有減小的趨勢，所以取較小的控制量。若Ec為負，表明偏差有增大的趨勢，這時應(yīng)增加控制量。總結(jié)出的模糊控制規(guī)則如表1 所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

對模糊控制量進行清晰化后，作為選擇模糊控制子程序的依據(jù)，實現(xiàn)對閘門開度和閘門選擇的自動控制。

5 結(jié)束語

基于STM32F103 微處理器，采用模糊控制算法，結(jié)合GPRS 無線傳輸及RS485 傳輸方式設(shè)計了一體化閘門控制系統(tǒng)，對灌區(qū)閘門開度進行控制，合理調(diào)配規(guī)定時間內(nèi)的灌溉泄水量，從而達到對灌溉水量和時間的優(yōu)化調(diào)節(jié)，成功實現(xiàn)了灌溉效率、灌溉質(zhì)量及灌區(qū)自動化程度的有效提高。