基于STM32的一體化閘門控制系統(tǒng)設(shè)計

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(dá)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(jìn)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(jìn)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(yuǎn)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(qiáng)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(jìn)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(yuǎn)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和下位機(jī)閘門控制系統(tǒng)組成。上位機(jī)由工業(yè)計算機(jī)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(yuǎn)程控制。

下位機(jī)閘門控制器以32 位ARM Cortex-M 芯片STM32F103RBT6 作為處理器，對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，步進(jìn)電機(jī)通過傳動裝置和啟閉機(jī)相連，由啟閉機(jī)控制閘門的開閉，通過和啟閉機(jī)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(jī)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(jìn)行保存，通過通訊模塊實現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)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(jī)如圖2 所示。

圖2 一體化閘門樣機(jī)

(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(jìn)行充電，并用充電保護(hù)器對蓄電池進(jìn)行保護(hù)，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(dá)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(dá)傳感器，在流動的水體中產(chǎn)生雷達(dá)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(dá)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(jī)驅(qū)動模塊

步進(jìn)電機(jī)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(jī)進(jìn)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(jī)。

(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(kuò)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(yuǎn)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(jī)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(jī)。這些信息都可以通過RS485 進(jìn)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(jī)發(fā)送控制命令，使電機(jī)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(jī)交互模塊

一體化閘門控制系統(tǒng)，除了通過上位機(jī)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)發(fā)送消息。

6)人機(jī)交互模塊：包括按鍵操作和LED 燈的顯示,實現(xiàn)人機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)行實時控制。通過RS485 通訊模塊接收上位機(jī)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(dá)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(dá)為：負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)，表明偏差有增大的趨勢，這時應(yīng)增加控制量?？偨Y(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(jìn)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(jìn)行控制，合理調(diào)配規(guī)定時間內(nèi)的灌溉泄水量，從而達(dá)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。