基于超微型水輪發(fā)電機的智能電磁閥系統(tǒng)設(shè)計

潘鶴立，鄭超明，鐘鳳林，潘東明

(1 福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院，福州 350002；2 福建農(nóng)林大學(xué)研究生院，福州 350002)

0 引 言

我國屬于中度缺水國家，水資源區(qū)域在我國呈現(xiàn)不均勻分布，其中農(nóng)業(yè)用水占到總量的60%以上，農(nóng)業(yè)灌溉中大水漫灌現(xiàn)象嚴重，2016年連續(xù)第十三個中央一號文件[1]持續(xù)聚焦農(nóng)業(yè)，提出十三五期間擴大農(nóng)田有效灌溉面積、進一步提高糧食產(chǎn)能以及推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的遠景目標，對農(nóng)業(yè)節(jié)水特別是水資源的高效利用提出更高的要求。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉上的應(yīng)用日漸增多，有大量的學(xué)者與研究人員對其進行了系統(tǒng)研究和設(shè)計[2-7]主要的應(yīng)用集中在土壤墑情傳感器采集系統(tǒng)以及灌溉決策應(yīng)用系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[8-10]，而農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對灌溉的控制主要集中在水肥一體化以及電磁閥的遠程控制，隨著無線技術(shù)的更新?lián)Q代，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)迭代速度加快，從ZigBee[11-14]進入到了LoRa[15]、LTE-Luat時代[16]，而NB-IOT也在緊鑼密鼓的戰(zhàn)略部署中，隨著技術(shù)的革新，農(nóng)業(yè)的智能灌溉從有線時代即將進入無線時代。

中國的節(jié)水灌溉設(shè)備的產(chǎn)業(yè)規(guī)模與灌溉的需求基本供需平衡，但是在灌溉設(shè)備的控制領(lǐng)域，特別是在電磁閥與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的結(jié)合上還需進行更深的研究[17]。節(jié)水灌溉系統(tǒng)一直是研究人員研究的重點方向，謝家興等[18]開發(fā)了荔枝園智能節(jié)水灌溉雙向通信和控制系統(tǒng)，唐立軍等[19]設(shè)計了節(jié)水灌溉聯(lián)動控制系統(tǒng)，陳智芳等[20]設(shè)計了一套節(jié)水灌溉管理與決策支持系統(tǒng)，曹成茂等[21]研究了無線數(shù)據(jù)傳輸在節(jié)水灌溉自動控制中的應(yīng)用，但鮮見對節(jié)水灌溉的關(guān)鍵節(jié)點電磁閥的電源進行研究。我國目前現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)控制絕大多采用ZigBee、Lora等技術(shù)制造的控制器進行遠程控制灌溉，雖然已實現(xiàn)手機GPRS遠程控制，但仍存在著諸多局限性：一個控制器一般只能接8路控制開關(guān)，電源仍需接有線電源等。而中國有很多地區(qū)都屬于山地丘陵地形，普遍供電、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施不足[22]，并且電源、網(wǎng)絡(luò)布線工程繁雜。龍曉明等[23]設(shè)計了基于LoRa的山地果園遠程監(jiān)測系統(tǒng)，采用太陽能供電解決了一部分供電需求，肖令祿等[24]設(shè)計了一種基于ZigBee的分布式節(jié)水灌溉系統(tǒng)，實現(xiàn)了根據(jù)土壤墑情傳感器與電磁閥在軟件上的聯(lián)動啟動與關(guān)閉功能。但這些系統(tǒng)的研究側(cè)重點均放在了遠程控制的軟硬件設(shè)計上，沒有研究如何將供電、遠程控制、電磁閥高度集成為一體的問題。

近年來，太陽能發(fā)電已被用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中作為電源，劉曉初[25]等研究了一種新型太陽能全自動節(jié)水灌溉設(shè)備，但所設(shè)計的太陽能板面積較小，電磁閥功耗等并未進行深入的計算，并無法實現(xiàn)手機遠程控制；李光林等[26]、劉柯楠等[27]、李加念[28]、紀建偉[29]等人分別將太陽能運用于柑桔園自動灌溉、基于GPS的太陽能平移式灌溉機導(dǎo)航、微灌系統(tǒng)恒壓供水自動控制以及無線傳輸?shù)牡咎锕喔缺O(jiān)控系統(tǒng)中，取得了良好的應(yīng)用，但是未見太陽能作為電磁閥的供電電源的闡述。張舒哲等[30]研發(fā)了基于太陽能鋰電池為供電電源的智能噴灌系統(tǒng)，但僅用于草坪灌溉。劉永鑫等[31]在太陽能低功耗滴灌控制裝置的研究中深入分析了電池功耗和壽命、電磁閥功耗以及太陽能發(fā)電效率，取得了很大的進展。李加念等[32]在柑橘園低功耗滴灌控制器的研究中對電磁閥、通信控制模塊、電池都做了大量的研究，具有較大意義。但目前仍未見使用超微型水輪發(fā)電機作為智能灌溉系統(tǒng)供電電源的報道。

我國幅員遼闊，山區(qū)有較多區(qū)域的農(nóng)場太陽能不足，如果單獨使用太陽能作為唯一電源容易造成供電不足的現(xiàn)象。因此，本團隊設(shè)計并開發(fā)了以超微型水輪發(fā)電機為主要供電，太陽能薄膜輔助供電，基于LTE-Luat遠程通信控制模塊的智能電磁閥的集成系統(tǒng)。這一集成系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計，將為節(jié)水灌溉智能控制的“電源+通信”無線化做出一定的貢獻。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)整體設(shè)計如圖1所示。系統(tǒng)主要分為三大部分：①電源部分：超微型水輪發(fā)電機、太陽能發(fā)電板、DC24V可充鋰電池以及穩(wěn)壓整流電路等；②LTE-Luat通信控制模塊硬件及軟件設(shè)計；③雙穩(wěn)態(tài)脈沖型電磁閥(見圖2)。

1-超微型水輪發(fā)電機；2-電磁閥；3-穩(wěn)壓整流電路；4-DC24V太陽能板；5-DC 24V可充鋰電池；6-LTE-Luat通信控制模塊圖1 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram

圖2 實物圖Fig.2 Physical view

該系統(tǒng)的工作原理是以超微型水輪發(fā)電機為主要發(fā)電設(shè)備，太陽能板為輔助發(fā)電設(shè)備為DC24V可充鋰電池充電，鋰電池作為電源為LTE-Luat通信控制模塊和電磁閥供電，循環(huán)使用水能和太陽能。

1.1 電源模塊硬件設(shè)計

電源模塊的設(shè)計是整個系統(tǒng)最重要的部分，為了保障整個智能電磁閥系統(tǒng)的供電完全依靠水力發(fā)電和太陽能發(fā)電自給自足，對超微型水輪發(fā)電機和太陽能板進行合理設(shè)計、可充鋰電池的合理選型，對于整個系統(tǒng)的正常運行極其重要。既要盡可能地提高發(fā)電效率和發(fā)電量，又要降低電磁閥的功耗，在這里將對電源模塊里的各個部分的設(shè)計以及計算做出詳細的闡述。

1.1.1 超微型水輪發(fā)電機與灌溉管路相關(guān)流體參數(shù)計算

在該智能電磁閥電源模塊中，采用超微型水輪發(fā)電機作為主要的發(fā)電源，選用的發(fā)電機參數(shù)如圖3所示。

圖3 超微型水輪發(fā)電機進水壓強、流量與發(fā)出電壓關(guān)系圖Fig.3 Relation diagram of intake pressure and flow velocity with output voltage of ultra-micro hydro-generator

根據(jù)選用的超微型水輪發(fā)電機參數(shù)：出水口開放最高耐壓1.2 MPa；啟動水壓0.05 MPa，輸出最大電流200 mA；輸出最大電壓直流穩(wěn)壓24 V。根據(jù)圖3，可知要發(fā)出24 V以上電壓需要0.15 MPa的水壓，在0.15 MPa的水壓對應(yīng)的水流量為9 L/min,換算為每秒流量即為0.000 15 m3/s。

Q=SV

(1)

式中：Q為流量，m3/S；S為水管截面積，m2；V為流體流速，m/s。

S=πR2

(2)

式中：S為水管截面積，m2；π為圓周率3.14；R為水管半徑，m。

綜合公式(1)和(2)，根據(jù)不同管徑水管求出不同管徑的水管中的流速，如表1所示。

表1 不同管徑下最低要求流量與流速關(guān)系表Tab.1 Relationship between minimum required flow and flow rate under different pipe diameters

根據(jù)恒定總流能量方程-伯努利方程[32]：

(3)

根據(jù)計算結(jié)果圖4可得出在不同的蓄水池高度下管口自然流出的流體流速，高度1 m以上的情況下即可滿足超微型水輪發(fā)電機發(fā)出24 V的最低流速要求(表1)。

圖4 不同蓄水池高度下管口自然流出的流體流速圖Fig.4 Flow velocity of natural outflow from the nozzle at different reservoir heights

1.1.2 太陽能輔助發(fā)電模塊以及電池容量設(shè)計

根據(jù)選用的超微型水輪發(fā)電機參數(shù)：輸出最大電流200 mA和輸出最大電壓直流穩(wěn)壓24 V。選用的6串可充鋰電池DC24V，容量有以下可選：6 800、8 000、 9 800 mA·h等。考慮到選用的電磁閥為脈沖型電磁閥，通信控制模塊為LTE-Luat型號，耗能較小，以及電池體積等原因，選擇6 800 mA·h容量即可滿足系統(tǒng)要求。

超微型水輪發(fā)電機只有在電磁閥打開的情況下才能夠發(fā)電，因此需要添加輔助發(fā)電設(shè)備太陽能板，以保證充足的電力供應(yīng)。假設(shè)蓄水池落差以及灌溉管路設(shè)計合理的情況下，計算在超微型水輪發(fā)電機正常工作狀態(tài)下多久能充滿一次電池。根據(jù)鋰電池充電時間公式：

(4)

式中：T為充電所需時間；M為電池容量；I為充電輸出電流；1.2為充電系數(shù)。

超微型水輪發(fā)電機輸出最大電流200 mA，取100、150、200 mA代入公式進行計算得出(表2)。

表2 超微型水輪發(fā)電機輸出電流與充滿電池的時間關(guān)系表Tab.2 Time relationship between output current of micro hydro-generator and full battery

選用小尺寸的太陽能板，參數(shù)為額定電壓18 V，功率30 W，工作電流1.5 A。根據(jù)公式(4)可計算出在正常工作狀態(tài)下5.44 h可充滿電池1次，平均1 h可充電18.38%。太陽能充電板與超微型水輪發(fā)電機各有利弊，適用的場景也各有不同，相輔相成充電效果最佳，因此選擇兩者共同發(fā)電供電的方案。

1.2 LTE-Luat通信控制模塊設(shè)計

目前農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信控制器控制數(shù)量一般不超過16路，采用最多的是8路控制器，已實現(xiàn)手機遠程控制功能。但由于控制數(shù)量的局限以及依舊依賴有線電源供電，因此在實際的智慧灌溉智能控制設(shè)備安裝過程中，仍然存在著上訴局限性，如圖5所示。

鑒于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)控制器的局限性，本系統(tǒng)采用單個電磁閥配套單個通信控制模塊的方式，將通信控制模塊集成至單個電磁閥中，擺脫有線的束縛。根據(jù)圖6，用戶通過手機APP或小程序向云服務(wù)器發(fā)出控制電磁閥開關(guān)的命令，云服務(wù)器與通信控制板的物聯(lián)卡進行通信，傳達控制命令，LTE-Luat芯片對控制命令進行處理，并向繼電器的I/O口發(fā)出通斷指令，從而達到通斷電磁閥電源的目的。通信控制板的電源與電磁閥的電源都是由24 V可充鋰電池供應(yīng)。圖6右側(cè)為本設(shè)計使用的通信控制板實物，芯片選用上海合宙通信科技有限公司的Air720H芯片，該芯片工作溫度范圍為-35～75 ℃，能夠滿足室外較惡劣的自然環(huán)境要求。

由于該套設(shè)計方案采用的是DC24V鋰電池作為供應(yīng)電源，與模塊供電電壓4.4 V壓差較大，根據(jù)芯片特性，如果輸入電壓與模塊的供電電壓之間存在比較大的壓差，需要使用DCDC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器，電路如圖7所示。

圖7 DCDC供電輸入電路Fig.7 Input circuit of DCDC power supply

通信控制模塊待機模式和正常工作模式下電壓3.8 V，供電電流根據(jù)通信標準不同而有不同，為了更了解能耗方面的區(qū)別，分別對待機模式和工作模式進行了能耗方面的測試，結(jié)果如圖8所示。

圖8 待機模式與工作模式下不同制式的電流與功率值Fig.8 Current and power values of different modes in standby mode and working mode

實際的灌溉情況下，每日的通信控制模塊待機模式的時間是非常長的，大部分作物的灌溉時間占每日總時間很小，因此通信控制模塊的工作模式也是較短的，從圖8可知，待機模式下最大的功率是在LTE標準下，只達到了0.015 2 W，電流為3 mA，而正常工作模式下最大功率也是LTE標準，值為1.888 6 W，電流為497 mA。由于該系統(tǒng)只需要傳送控制命令，因此一般來說選擇GPRS標準即可滿足要求，功耗也是最低的。

1.3 電磁閥選型

在整個系統(tǒng)當(dāng)中，用電設(shè)備主要有兩個模塊，一個是通信控制模塊，另一個就是電磁閥。從上文分析可知通信控制模塊功耗較低，而電磁閥如果選用傳統(tǒng)的常閉、常開等類型的型號，耗電量較大，不適合該系統(tǒng)的要求，基于低功耗節(jié)能的要求，本系統(tǒng)選用YCL11自保持雙穩(wěn)態(tài)脈沖型電磁閥，未通電時(初始狀態(tài))處于關(guān)閉狀態(tài)，在活動鐵芯自重和彈簧力的作用下封住閥口，電磁閥關(guān)閉。當(dāng)線圈給一個正向直流脈沖信號，激磁回路形成磁場并產(chǎn)生磁力、活動鐵芯受電磁力的作用上移打開閥口，電磁閥打開。電磁閥打開后斷電，在線圈內(nèi)部永久磁鋼作用下失電后仍使電磁閥保持打開狀態(tài)。如要關(guān)閉電磁閥時，給線圈一個直流反向脈沖信號，即可關(guān)閉電磁閥。

YCL11自保持雙穩(wěn)態(tài)脈沖型電磁閥工作電壓范圍為DC6V、12 V和24 V，可根據(jù)需要進行選擇。它的瞬時通電時間為30～50 s,閥體在開啟或關(guān)閉后不需要持續(xù)通電保持狀態(tài)，因此只有在線圈通電發(fā)出正向或反向脈沖信號時才有功耗，滿足該系統(tǒng)的節(jié)能需求。該電磁閥的類型參照李加念等的選型[33]，經(jīng)過測試，與其測試結(jié)果基本一致。該系統(tǒng)所采用的可充DC24V鋰電池與通信控制模塊電源模塊可滿足當(dāng)水壓≥0.8 MPa時要求的3.5V以上電壓需求。

2 測試及結(jié)果

2.1 測試裝置設(shè)計

為了測試該系統(tǒng)中充電性能與功耗，本團隊組裝了一套測試裝置如圖9所示，由一臺可調(diào)揚程的水泵模擬不同高度的蓄水池，在管路的兩側(cè)各有一臺流量傳感器和水壓測試儀監(jiān)控進水口和出水口的流量與水壓，使用手機微信小程序通過通信控制模塊來控制電磁閥與水泵的開關(guān)，當(dāng)電磁閥處于通路狀態(tài)，超微型水輪發(fā)電機發(fā)電，通過穩(wěn)壓電路進行整流與穩(wěn)壓至DC24V，對可充鋰電池充電，鋰電池為通信控制模塊以及雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥供電。

圖9 測試裝置示意圖Fig.9 Schematic diagram of test device

2.2 測試方法

在測試試驗中，可充鋰電池初始為充滿電狀態(tài)，理論上只要超微型水輪發(fā)電機發(fā)出的電量大于等于電磁閥和通信控制模塊用電量就滿足系統(tǒng)要求，因此可推導(dǎo)出下列公式：

B+S≥P電磁閥+P通信控制模塊

(5)

式中：B為超微型水輪發(fā)電機發(fā)電量，mA·h；S為太陽能充電板發(fā)電量，mA·h；P電磁閥為電磁閥耗電量，mA·h；P通信控制模塊為通信控制模塊耗電量，mA·h。

2.2.1 通信控制模塊耗電量計算

太陽能充電板與超微型水輪發(fā)電機的充電效率在上文已經(jīng)計算過，因此在該測試環(huán)節(jié)重點測試通信控制模塊與電磁閥的耗電量，首先斷開兩種發(fā)電機與電池的輸入端，使用充滿電的6 800 mA·h的鋰電池單獨對通信控制模塊與電磁閥供電，參照李加念等計算電池壽命的計算方法[33]，該系統(tǒng)的通信控制模塊設(shè)定每60 s喚醒一次，控制器全速工作一次的時間取1 ms計算，根據(jù)上文圖8通信控制模塊在3種制式下的待機模式與工作模式時的電流值，通過公式(6)[33]計算通信控制模塊1 d所消耗的電量。

式中：C1為通信控制模塊1 d所消耗的電量，mA·s；Iq為通信控制模塊休眠時的電流，mA；Ia為通信控制模塊工作時的電流，mA；Ie為通信控制模塊執(zhí)行電磁閥開或關(guān)動作時的電流，mA；N為灌溉的次數(shù)，因每次灌溉需要電磁閥開和關(guān)各動作一次，每次動作時間取50 ms。

為了計算方便，Iq，Ia，Ie都取通信控制模塊工作在3.8 V時的電流上限值，在GPRS、WCDMA、LTE 3種標準下Iq分別為3、2、4 mA，Ia分別為32、30、53 mA，Ie分別為388、489、497 mA，N取10，即通信控制模塊每天執(zhí)行10次灌溉。

2.2.2 電磁閥耗電量計算

本系統(tǒng)選用的型號YCL11雙穩(wěn)態(tài)脈沖型電磁閥參數(shù)為流體溫度-10～120 ℃，工作電壓DC24V，工作壓力0.03～1.6 MPa，閥體材質(zhì)為不銹鋼sus304，線圈類型L11B，功率12 W，開關(guān)動作通電時間為0.025～0.1 s之間。根據(jù)直流電流計算公式可方便的計算出工作時電磁閥線圈電流Is為500 mA，實測電磁閥開關(guān)動作時的實際電流大小為543 mA，再根據(jù)公式(7)[33]來計算1d電磁閥的耗電量。

Cs=0.1Is×2N

(7)

式中：Cs為電磁閥1 d所消耗的電量，mA·s；Is為電磁閥進行開關(guān)動作時的線圈電流；N為灌溉次數(shù)，因每次灌溉需要電磁閥開和關(guān)各動作一次，每次動作時間取上限值0.1 s。

由公式(6)可計算出在GPRS、WCDMA、LTE 3種標準下通信控制模塊的1d耗電量各為26 363、17 839和35 128 mA。

由公式(7)可知，假設(shè)一天灌溉10次，1 d電磁閥總耗電量為1 086 mA。

2.2.3 電池使用壽命計算

電池的使用壽命可用公式(8)[33]計算：

(8)

式中：T為電池壽命，d；C為電池的額定容量，mA·h。

將公式(6)、(7)代入式(8)進行計算，若電池額定容量C為6 800 mA·h，則電池使用壽命T在GPRS、WCDMA、LTE 3種標準下分別為89.18、129.35和67.60 d。也就是說在沒有超微型水輪發(fā)電機和太陽能充電板的情況下，一個充滿電的額定容量為6 800 mA·h的鋰電池可以在3種標準下保證至少89、129和67 d的使用(每日灌溉次數(shù)為10)。

3 結(jié) 論

根據(jù)上文可知，超微型水輪發(fā)電機每小時充電效率為1.23%～2.45%，即在40.8～81.6 h之間可充滿一次額定容量為6 800 mA·h的鋰電池，而太陽能充電板在正常工作情況下5 h左右便可充滿電池，充電效率在正常情況下可達到每小時18.38%。在沒有超微型水輪發(fā)電機和太陽能充電板的情況下，一個充滿電的額定容量為6 800 mA·h的鋰電池可以在3種制式下保證至少89、129和67 d的使用。也就是只要保證1 d內(nèi)兩種發(fā)電機至少為電池充入1.12%(1/89)、0.77%(1/129)和1.49%(1/67)的電量即可滿足整個系統(tǒng)的用電需求，該系統(tǒng)不論是超微型水輪發(fā)電機還是太陽能充電板的充電效率都超過了所要求的充電效率，可完全保證系統(tǒng)持續(xù)運轉(zhuǎn)，符合系統(tǒng)設(shè)計要求。

在試驗過程中發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)關(guān)鍵的部分有三部分，第一，今后應(yīng)該重點研發(fā)和改進超微型水輪發(fā)電機的發(fā)電效率；第二，重點研發(fā)和改進雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥的性能，使其耗電量更低；第三，通信控制模塊正在采用NB-IOT芯片進行測試，以期今后的功耗更低。

該系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試與試驗均在福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院田間實驗室中進行，該系統(tǒng)的研制成功的意義重大，將為智慧農(nóng)業(yè)中的智慧灌溉掃除有線電源、有線網(wǎng)絡(luò)這一阻礙，將大大降低智能灌溉的基礎(chǔ)建設(shè)成本。但由于試驗還只是在實驗室模擬中進行，與真實的農(nóng)場環(huán)境還有很大區(qū)別，并且還要考慮管路設(shè)計不同對流體流速、水壓的影響，不同經(jīng)緯度、海拔、太陽入射角等方面對該系統(tǒng)發(fā)電的影響，今后還需將對這些方面進行進一步的研究。