基于單片機的灌區(qū)閘門遠程控制系統(tǒng)設(shè)計

歐幸福 陳文鳳 楊元凱 易銘

摘 要：本文旨在通過闡述偏遠灌區(qū)水利灌溉技術(shù)的重要性，以尋找解決偏遠灌區(qū)的水利灌溉問題為目的，在灌區(qū)現(xiàn)有閘門控制技術(shù)的基礎(chǔ)上進行了水利閘門遠程智能控制技術(shù)研究，基于單片機技術(shù)和GSM遠程通信技術(shù)設(shè)計了灌區(qū)閘門遠程聯(lián)控系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)閘門控制站“無人值班”（少人值守）的目標(biāo)，對其他類似工程的技術(shù)研究具有一定借鑒作用。

關(guān)鍵詞：Atmega16；GSM無線通信；閘門控制

基金項目：佛山市科技創(chuàng)新專項資金項目（2014AG10015）

水利閘門是水利灌區(qū)工程中最為重要的基礎(chǔ)工程，閘門調(diào)節(jié)在抗洪排澇、水利灌溉過程具有重要的意義，閘門控制效果對能源、水利工程安全、水資源的利用效率、節(jié)約用水和保護工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面發(fā)揮著巨大的經(jīng)濟價值。目前國內(nèi)灌區(qū)的水質(zhì)、水流量自動采集和監(jiān)控技術(shù)基本成熟，形成了完備的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)，但是在根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)進行閘門遠程智能方面成熟的案例不多。隨著無線通信和微控制器技術(shù)的深入研究和廣泛應(yīng)用，為灌區(qū)閘門的智能遠程控制提供一些借鑒作用。本文基于單片微控制技術(shù)和GSM無線通信技術(shù)設(shè)計了偏遠灌區(qū)閘門遠程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對閘門的自動遠程監(jiān)控，對于偏遠地區(qū)的灌區(qū)閘門、閘位聯(lián)控具有極高的應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)采用單片機作為主控制器，其外圍電路包括：RS232電平轉(zhuǎn)換電路、USB接口電路、LCD液晶顯示模塊、GSM無線模塊以及電源模塊等。遠程用戶通過GSM無線通信模塊發(fā)送控制閘門電機動作的命令數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對閘門的遠程控制；主控制分別對水位、閘位信息進行實時采集，分析采集獲取的水位、閘位數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果實現(xiàn)對閘門的自動控制；同時，將采樣獲取的水位、閘位數(shù)據(jù)通過RS232串行接口發(fā)送到中央控制室的數(shù)據(jù)服務(wù)器；為了方便用戶管理和維護閘門控制系統(tǒng)和現(xiàn)場操作閘門，系統(tǒng)設(shè)置液晶顯示模塊和按鍵模塊，水位、閘位信息可以通過LCD液晶顯示屏進行現(xiàn)場顯示；水閘門管理維護人員可在中央控制室PC機的監(jiān)控終端軟件上通過向控制系統(tǒng)發(fā)送閘位數(shù)據(jù)和控制命令等，PC機通過RS232串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)介l門控制系統(tǒng)上，并控制閘門進行相應(yīng)動作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控模塊硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用性能優(yōu)異、價格適中的AVR系列Atmega16單片機作為主控制器。該型單片機是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器，以低功耗、高速度特性被廣泛用于電子行業(yè)的各領(lǐng)域。Atmega16單片機具有高效的指令集和快速的指令執(zhí)行時間，ATmega16的數(shù)據(jù)運算速度高達16MIPS/MHz，可以有效緩解系統(tǒng)在功耗和運算速度之間的矛盾，完全滿足本系統(tǒng)的功能需求。

系統(tǒng)主控制器包括ATmega16單片機、晶振電路和復(fù)位電路等。系統(tǒng)主控制器電路如圖2所示。

2.2 GSM模塊電路設(shè)計

GSM模塊主要是用來建立無線信道，接收和發(fā)出短消息，單片機系統(tǒng)用來控制GSM模塊，并且對收到的短消息信息進行解析并執(zhí)行。本文設(shè)計的無線通信模塊采用Siemens公司的TC35通信模塊，該模塊包括GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、存儲器、電源模塊（ASIC）、ZIF連接器和天線接口等六個部分。該模塊具有40個功能引腳，可分為電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM 卡、音頻接口和控制等五類。 在實際應(yīng)用時：（1）該模塊供電須為3V-5V直流電壓，模塊啟動時需要在IGT引腳輸入一個下降沿時間大于1ms、持續(xù)時間大于100 ms的低電平信號，模塊啟動后該引腳需要置高電平。（2）模塊中的CCIN引腳用識別SIM卡支架中是否插有SIM卡。當(dāng)檢測到已插入SIM卡，且該引腳置為高電平時，系統(tǒng)可進入正常工作狀態(tài)。（3）模塊中的SYNC引腳有兩種工作模式，一種是設(shè)置信號發(fā)射狀態(tài)時的功率增長情況，另一種是設(shè)置TC35模塊的工作狀態(tài)。

GSM模塊電路如圖所示。

2.3 GSM模塊與單片機通信設(shè)計

本文中單片機與GSM模塊的連接采用9針RS232串行異步通信接口進行數(shù)據(jù)收發(fā)。由于單片機通信輸入輸出接口的信號為TTL電平格式，即單片機和GSM模塊不能直接通信，可采用TI公司的MAX232芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和串口通信功能。MAX232芯片具有良好的電源管理機制：當(dāng)串口在30秒時間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)輸入的情況時，即接收和發(fā)送引腳沒有檢測到有效信號，MAX232芯片設(shè)置為節(jié)能工作模式。MAX232芯片如果檢測到接收或發(fā)送引腳有信號輸入，該芯片自動被激活，轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)。該芯片的以上特性，滿足了TC35作為移動終端的接收和發(fā)送電路連接要求。

3 TC35通信實現(xiàn)

系統(tǒng)主控器單片機通過RS232串行接口向TC35模塊發(fā)送AT命令，實現(xiàn)對TC35短信模塊的控制和通信。本文主要采用基于AT指令的Text模式實現(xiàn)TC35模塊的收發(fā)短信功能。

（1）發(fā)送英文純文本格式短信：

AT+CMGF=1：設(shè)置為Text模式。

AT+CSMP=17，167，0，0：設(shè)置Text模式參數(shù)。最后一個參數(shù)為設(shè)置數(shù)據(jù)編碼類型，0表示設(shè)置為默認字符集（GSM）。

AT+CSCS=GSM：設(shè)置字符集為GSM字符集。

AT+CMGS：輸入目標(biāo)對象電話號碼。

>“短信息內(nèi)容”。其中表示結(jié)束符號。

（2）接英文純文本格式短信

AT+CMGF=1：設(shè)置為Text模式。

AT+CSCS=GSM：設(shè)置字符集為GSM字符集。

AT+CMGL=ALL：顯示所有短信息

+CMGL：顯示所有短信息詳情，其中“數(shù)字”表示記錄號，“REC READ”表示已讀，“REC UNREAD”表示未讀，“+8618908550745”表示發(fā)送方號碼，“02/05/19，22：17：31+00”表示接收時間。

AT+CMGL=UNREAD：顯示所有未讀短信息，未讀短信顯示后即變?yōu)橐炎x短信。

4 軟件實現(xiàn)過程

閘門管理員通過手機按照AT命令格式編輯控制命令短信息發(fā)送到閘門遠程控制系統(tǒng)，由系統(tǒng)的GSM通訊模塊接收短信控制命令，并校驗、解析提取控制命令，并通過RS232串行通信接口將解析后的控制命令傳送至單片機主控器，單片機主控器對傳送的短信數(shù)據(jù)進行分析，判斷是否有預(yù)設(shè)合法用戶發(fā)送的短信，并提取短信中有效控制命令，根據(jù)命令碼控制閘門控制器的相關(guān)動作。最后將前一時刻的水位、閘位和控制結(jié)果信息再通過RS232串行接口傳輸至GSM短信通訊模塊，由GSM短信通訊模塊將結(jié)果信息以純文本格式的短信息方式發(fā)送系統(tǒng)管理員用戶的手機終端，完成一次閘門遠程控制過程。單片機再次回到等待命令的狀態(tài)。具體實現(xiàn)過程如圖所示。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計基于Atmega16單片機的灌區(qū)閘門遠程控制系統(tǒng)，充分利用TC35短信通信芯片實現(xiàn)灌區(qū)閘門的遠程數(shù)據(jù)發(fā)送、故障報警和遠程控制等功能，具有低成本、低功耗、高可靠性和高效性等特點，可廣泛應(yīng)用到偏遠庫區(qū)、中小河道、灌區(qū)、供水渠的閘門現(xiàn)地控制和無線遠程控制等領(lǐng)域，有效改善偏遠灌區(qū)閘門、閘位聯(lián)控的手段，縮短閘門控制和信息處理所需的時間，實現(xiàn)閘門控制站“無人值班”（少人值守）的目標(biāo)，提高灌區(qū)管理的技術(shù)水平，具有較好的市場推廣和應(yīng)用價值。