一種農(nóng)田渠道智能化控水卷簾閘門設(shè)計(jì)

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：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?；谝陨蟽?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)力控制室相對的基巖上設(shè)有與閘門口磁鐵相對應(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，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，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，水位檢測傳感器檢測的水位高低通過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。