一種云服務(wù)模式下測控一體化農(nóng)田小型水閘的研發(fā)

包志炎，梁 毅，張海波，王 萱

(1.浙江水利水電學(xué)院計算機應(yīng)用技術(shù)研究所，杭州 310018；2.杭州大江東新城開發(fā)有限公司工程技術(shù)部，杭州 311225)

水閘是修建在河道和渠道上利用閘門控制流量和調(diào)節(jié)水位的低水頭水工建筑物。在農(nóng)田水利工程中，水閘在輸水、配水和擋水等過程中發(fā)揮著重要作用，應(yīng)用非常廣泛。在互聯(lián)網(wǎng)+時代，智能水閘已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點[1-4]。當前國內(nèi)市場上面向農(nóng)村農(nóng)田灌溉的水閘產(chǎn)品存在以下不足：根據(jù)以往操作經(jīng)驗通過手動方式控制閘門開度，未實現(xiàn)精準化控制，測流計量方式粗放[5]；水閘整體功耗高，無法采用太陽能電源；未實現(xiàn)機械、動力、感知、智能等模塊的一體化集成，造成野外安裝、布線、調(diào)試工程量巨大；需要設(shè)立專門服務(wù)器，缺少專業(yè)的技術(shù)管理人員，運維成本高。本文將傳統(tǒng)的機電一體化技術(shù)和新一代信息技術(shù)相結(jié)合，提出一種云服務(wù)模式下測控一體化、無線遠程遙控的太陽能小型水閘，將有助于解決以上問題。

1 相關(guān)概念

1.1 云服務(wù)

云服務(wù)是指采用云計算技術(shù)的大規(guī)模服務(wù)器集群為用戶提供的不必下載安裝、上網(wǎng)即用、操作方便、功能豐富、價格低廉的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)[6,7]。簡單來說，云服務(wù)可以將用戶所需的軟件、硬件等支撐環(huán)境都放到網(wǎng)絡(luò)上，用戶在任何時間、地點，使用低配IT設(shè)備即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)存取、計算和呈現(xiàn)等目的。在互聯(lián)網(wǎng)+時代，云服務(wù)極大地改變了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的運行模式，大大降低了用戶運維成本。

1.2 一體化技術(shù)

一體化技術(shù)是綜合運用機械動力、微電子、自動控制、計算機、信息、傳感、接口等技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標優(yōu)化組織，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高可靠、低能耗基礎(chǔ)上實現(xiàn)特定目標，并達到最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù)[7]。一體化系統(tǒng)一般由機械結(jié)構(gòu)、動力、運動、感知、智能等組成要素有機結(jié)合而成，其主要發(fā)展方向為數(shù)字化、智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化、集成化和綠色化。

1.3 智能水閘

國內(nèi)外學(xué)者對智能水閘作了深入研究[2,5,8]，但未形成統(tǒng)一的定義，基本形成以下共識：智能水閘是指像個人電腦一樣，具有獨立的運作系統(tǒng)，能支持有線(無線)網(wǎng)絡(luò)接入，可以實現(xiàn)實時監(jiān)測、遠程監(jiān)控和智能運行的水閘。

2 總體設(shè)計方案

采用太陽能綠色電源，為動力系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集傳送等模塊提供電能。選用ARM Cortex-M3芯片，研發(fā)本地嵌入式控制系統(tǒng)。使用GPRS/3G/4G無線通訊模塊，完成數(shù)據(jù)或指令的遠程傳送。在云服務(wù)器上建立數(shù)據(jù)中心，存儲水閘基本數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)，同時研發(fā)并部署水閘遠程測控云平臺，作為用戶訪問接口，主要實現(xiàn)水閘的實時監(jiān)測、遠程監(jiān)控和智能運行等功能。水閘系統(tǒng)總體方案見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture diagram

3 關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)方法

3.1 水閘機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

為實現(xiàn)水閘一體化設(shè)計，將太陽能板、電機以及傳動機構(gòu)集成在水閘本體中，將無線通訊模塊、嵌入式控制板、電機控制器、光伏控制器等封裝在控制盒中。圖2給出了水閘機械結(jié)構(gòu)圖。水閘主要由支架、底座、閥芯、定位銷、電機、傳動機構(gòu)以及太陽能電源裝置等組成。水閘工作時，電機通過齒輪驅(qū)使閥芯轉(zhuǎn)動。當閥芯與底板垂直時，隔斷水流；當閥芯連續(xù)轉(zhuǎn)動時，實現(xiàn)水閘開度的連續(xù)增減。在底座兩側(cè)設(shè)有定位銷，供閘門運行至預(yù)設(shè)開度時鎖住閥芯。定位銷由電磁鐵組成，通電工作，斷電復(fù)位。采用旋轉(zhuǎn)式閥芯結(jié)構(gòu)設(shè)計，使閘門驅(qū)動力與水流同向，利用水流沖力降低了閘門啟閉時驅(qū)動能耗。

圖2 水閘機械結(jié)構(gòu)Fig.2 Mechanical structure of sluice

水閘運行時的開度值是決定過閘流量大小的重要因素。要實現(xiàn)對過閘流量的精準化控制首要的是要實現(xiàn)對開度進行精確控制。圖3給出了旋轉(zhuǎn)式水閘開度計算分析圖?，F(xiàn)討論在不同閘前水位情況下，水閘閥芯向逆時針方向從0°～90°旋轉(zhuǎn)過程中有效開度he的計算辦法。經(jīng)過分析可知，可以分為以下3種情況：

(1)

式中：R為水閘旋轉(zhuǎn)半徑；θ值可通過采集開度儀實時數(shù)據(jù)得到；H為上游水深。

圖3 水閘開度計算分析圖Fig.3 Calculation chart of sluice opening

同理，可以得到水閘閥芯從90°～360°旋轉(zhuǎn)過程中有效開度的計算辦法。在閥芯連續(xù)旋轉(zhuǎn)過程中，水閘開度也會跟著在0到2R之間連續(xù)變化。因此，只要精確控制旋轉(zhuǎn)角度，即可對水閘的有效開度實行精準化控制。

在獲得水閘有效開度的基礎(chǔ)上，結(jié)合有關(guān)水力學(xué)公式，可以計算水閘在閘孔出流狀態(tài)下的過閘流量[9]：

(2)

式中：B0為閘孔總凈寬；σ為淹沒系數(shù)；μ為 孔流流量系數(shù)；ε為 孔流垂直流速系數(shù)；φ為 孔流流速系數(shù)；λ為計算系數(shù)。

對于旋轉(zhuǎn)式水閘，孔流流速系數(shù)φ可采用0.95～1.0，淹沒系數(shù) 均可以通過查表得到[9]。

3.2 太陽能供電模塊

在較偏僻的野外安裝水閘時，從電網(wǎng)取電是比較困難的，而且布線成本高，采用太陽能供電可以有效解決該問題。因此為水閘配備光伏電源。實驗水閘閥芯直徑為80 cm，采用24 V、12 AH的鉛酸蓄電池，2組10 W的太陽能板。通過LM2596S開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器將24 V轉(zhuǎn)為5 V輸出。光伏供電系統(tǒng)為水閘同時提供了24 V和5 V 2個等級的輸出電壓，見圖4。選用智能型PWM充電方式，有效減小對蓄電池的沖擊，延長蓄電池使用壽命。供電系統(tǒng)具有過充、過放、過載、短路、過溫和反接保護功能，有效保證系統(tǒng)安全運行。

圖4 光伏供電系統(tǒng)Fig.4 Photovoltaic power supply system

3.3 水閘遠程測控

要完成水閘運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，關(guān)鍵是要實時采集水閘終端各傳感器和控制器的數(shù)據(jù)，并將他們發(fā)送至云端數(shù)據(jù)庫，Web網(wǎng)站對數(shù)據(jù)進行可視化呈現(xiàn)。在水閘本地端，在μC/OS-II系統(tǒng)上研發(fā)嵌入式控制系統(tǒng)，通過中斷的方式按一定頻率向各傳感器輪詢實時數(shù)據(jù)；將采集到的水位、開度、運行狀態(tài)等信息與上一次數(shù)據(jù)進行比較，僅將更新過的數(shù)據(jù)通過預(yù)定格式編碼后，使用Socket方式發(fā)送至云端，見圖5。

圖5 水閘終端數(shù)據(jù)發(fā)送流程Fig.5 Data flow of sluice terminal

云端服務(wù)器接收到水閘端發(fā)送的數(shù)據(jù)后，解碼后對數(shù)據(jù)格式是否正確進行校核；校核通過后，更新數(shù)據(jù)庫和操作日志。下面給出云服務(wù)器接受水閘實時數(shù)據(jù)的部分實現(xiàn)代碼:

1publicstructjson//定義用來接受數(shù)據(jù)的變量2{publicintsluiceId{get;set;}//水閘ID3 publicintsluiceState{get;set;}//水閘運行狀態(tài)4 publicdoublesluiceOpening{get;set;}//開度5 publicdoublesluiceFlow{get;set;}//流量6 publicdoublesluiceFrontWL{get;set;}//閘前水位7 publicdoublesluiceBehindWL{get;set;}//閘后水位8}9privatevoidReceiveData(IAsyncResultar)10{sluiceSokectClassslc=(sluiceSokectClass)ar.AsyncState;11 try{inti=slc.socket.EndReceive(ar); ∥接受數(shù)據(jù)12 stringdata=Encoding.ASCII.GetString(slc.Rcvbuffer,0,i);13 If(isFormatCorrectFun(data))14 {jsondataRcv=JsonConvert.DeserializeObject(data.ToString()); ∥更新云數(shù)據(jù)15 updataFun("Tbl_realtime",dataRcv.sluiceId,16 dataRcv.sluiceState,dataRcv.sluiceOpening, dataRcv.sluiceFlow,dataRcv.sluiceFrontWL, dataRcv.sluiceBehindWL); ∥更新日志17 writeLogFun(string.Format("{0}接受到閘站{1}發(fā)來數(shù)據(jù){2},DateTime.Now.ToString("yyyy/MM/ddHH:mm:ss"),dataRcv.sluiceId,data)); }else{log.WriteError("warning","閘站數(shù)據(jù)解析出錯");}18 …19 }catch{log.WriteError("warning","未收到閘站數(shù)據(jù)");}20}

用戶通過訪問云平臺實現(xiàn)對水閘的遠程控制。常見的遠程操作包括開啟、關(guān)閉、重啟、設(shè)置開度、設(shè)定工作模式等，相應(yīng)的操作指令經(jīng)云端向水閘嵌入式控制模塊發(fā)送。嵌入式控制模塊接受指令后，向電機控制器傳達并執(zhí)行指令。

3.4 智能運行

針對單個水閘，根據(jù)不同應(yīng)用需求，設(shè)計了按水位和按流量2種不同的智能運行模式，2者均需要通過對閘門開度的動態(tài)精確控制來實現(xiàn)。將預(yù)期的水位、流量信息作為特定算法的輸入得到合理的開度值，并讓閘門電機執(zhí)行到該開度，這是實現(xiàn)精準化控制的2個必備環(huán)節(jié)[10,11]。

電機在執(zhí)行中，收到停止指令后，因閥芯慣性運動和水流的沖力等原因，閘門并不會瞬間停止，進而會造成執(zhí)行誤差。為減少執(zhí)行誤差，需要在理論停止時間點之前發(fā)送停止指令。將開度控制誤差在閾值范圍內(nèi)的閘門運動角速度w和指令發(fā)送提前時間Δt存入歷史控制實例庫，w是旋轉(zhuǎn)角度 的變化率， 通過檢測開度儀數(shù)據(jù)得到。通過對歷史控制實例庫的學(xué)習(xí)，可以根據(jù)閘門瞬時角速度w即可得到合理的提前量Δt。

將這樣的思想與模糊控制相結(jié)合，建立帶執(zhí)行偏量因子的水位模糊控制模型，以提高開度控制精度，實現(xiàn)水閘的智能運行，見圖6。采用二維模糊控制器，將設(shè)定水位r和實測水位c的差值及其偏差變化率ec作為輸入，以閘門實際開度U′為輸出變量。在運行中不斷檢測e，通過輸入、輸出量的模糊化，模糊推理決策和模糊判決生成模糊查詢表，再分別乘以相應(yīng)的比例因子得到理論開度U，作為電機控制開度的執(zhí)行目標值；在即將達到開度U前，在Δt前發(fā)送停止指令，最終得到實際開度U′。計算U′與U之間的誤差，如果小于期望閾值，則將本次閘門瞬時角速度w和時間提前量Δt存入開度控制實例庫，供下次開度控制學(xué)習(xí)使用。

圖6 帶執(zhí)行偏量因子的水位模糊控制模型Fig.6 Fuzzy control model of water level with deviation factor

4 試驗驗證

為了驗證水閘控制開度的精度，在浙江水利水電學(xué)院搭建模擬灌區(qū)，安裝了4扇實驗水閘，在阿里云上建立數(shù)據(jù)中心，部署水閘遠程測控云平臺，并使用不同配置的用戶終端設(shè)備對水閘開度的遠程控制精度和響應(yīng)時間進行測試。

實驗水閘的旋轉(zhuǎn)直徑分別為600、800、1 000和1 200 mm 4種規(guī)格，采用了如表1所示的阿里云服務(wù)器和高、中、低3種不同配置的計算機訪問終端，其中阿里云服務(wù)器采用通用型配置，包年價格目前在1 000 元以內(nèi)，測試結(jié)果數(shù)據(jù)見表2。結(jié)果表明云平臺部署簡單，運行穩(wěn)定，運維成本低，最大開度控制誤差為1.1 mm，最長響應(yīng)時間為0.6 s，與用戶終端設(shè)備配置高低相關(guān)性不大。水閘遠程測控云平臺界面、嵌入式系統(tǒng)主界面以及實驗水閘見圖7和圖8。

表1 云服務(wù)器及測試計算機終端配置Tab.1 Configuration of cloud server and test computer terminal

表2 云服務(wù)模式下閘門開度遠程控制實驗結(jié)果Tab.2 Results of remote control of gate opening undercloud service mode

圖7 水閘遠程測控云平臺Fig.7 Remote monitoring and control cloud platform for sluices

圖8 水閘實驗裝置Fig.8 Sluice experimental device

5 結(jié) 語

在云服務(wù)模式下設(shè)計了一種測控一體化、無線遠程遙控的太陽能小型水閘。將太陽能電源、機械結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)、感知設(shè)備、無線通訊模塊等組件進行一體化集成，有助于緩解傳統(tǒng)水閘野外安裝、布線、調(diào)試的工程量大等問題。在云服務(wù)模式下，建立云數(shù)據(jù)中心，開發(fā)和部署了水閘遠程測控云平臺，不需要專門配備服務(wù)器、訪問終端和支撐環(huán)境，系統(tǒng)部署簡單，管理便捷，運維成本低。水閘系統(tǒng)運行穩(wěn)定，開度控制進度高，響應(yīng)時間短，能較好的實現(xiàn)實時監(jiān)測，遠程控制和智能運行等功能，適合中小型農(nóng)村農(nóng)田灌溉明渠輸水的精準化控制。目前該水閘裝置尚處于實驗室測試階段，下一步將著重研究云服務(wù)模式下的閘群智能調(diào)度模型以及如何轉(zhuǎn)化為實際產(chǎn)品投入農(nóng)田灌區(qū)實踐運用。

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