基于單片機的灌區閘門遠程控制系統設計

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水利灌溉技術的重要性，以尋找解決偏遠灌區的水利灌溉問題為目的，在灌區現有閘門控制技術的基礎上進行了水利閘門遠程智能控制技術研究，基于單片機技術和GSM遠程通信技術設計了灌區閘門遠程聯控系統的設計，實現閘門控制站“無人值班”（少人值守）的目標，對其他類似工程的技術研究具有一定借鑒作用。

關鍵詞：Atmega16；GSM無線通信；閘門控制

基金項目：佛山市科技創新專項資金項目（2014AG10015）

水利閘門是水利灌區工程中最為重要的基礎工程，閘門調節在抗洪排澇、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、節約用水和保護工農業生產等方面發揮著巨大的經濟價值。目前國內灌區的水質、水流量自動采集和監控技術基本成熟，形成了完備的數據采集和監控系統，但是在根據有關數據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的深入研究和廣泛應用，為灌區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和GSM無線通信技術設計了偏遠灌區閘門遠程控制系統，實現對閘門的自動遠程監控，對于偏遠地區的灌區閘門、閘位聯控具有極高的應用價值。

1 系統總體設計

本系統采用單片機作為主控制器，其外圍電路包括：RS232電平轉換電路、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無線通信模塊發送控制閘門電機動作的命令數據，實現對閘門的遠程控制；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、閘位數據，根據數據結果實現對閘門的自動控制；同時，將采樣獲取的水位、閘位數據通過RS232串行接口發送到中央控制室的數據服務器；為了方便用戶管理和維護閘門控制系統和現場操作閘門，系統設置液晶顯示模塊和按鍵模塊，水位、閘位信息可以通過LCD液晶顯示屏進行現場顯示；水閘門管理維護人員可在中央控制室PC機的監控終端軟件上通過向控制系統發送閘位數據和控制命令等，PC機通過RS232串口將數據傳輸到閘門控制系統上，并控制閘門進行相應動作。系統結構如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 主控模塊硬件電路設計

本系統采用性能優異、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結構的低功耗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的各領域。Atmega16單片機具有高效的指令集和快速的指令執行時間，ATmega16的數據運算速度高達16MIPS/MHz，可以有效緩解系統在功耗和運算速度之間的矛盾，完全滿足本系統的功能需求。

系統主控制器包括ATmega16單片機、晶振電路和復位電路等。系統主控制器電路如圖2所示。

2.2 GSM模塊電路設計

GSM模塊主要是用來建立無線信道，接收和發出短消息，單片機系統用來控制GSM模塊，并且對收到的短消息信息進行解析并執行。本文設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、數據輸入/輸出、SIM 卡、音頻接口和控制等五類。 在實際應用時：（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。當檢測到已插入SIM卡，且該引腳置為高電平時，系統可進入正常工作狀態。（3）模塊中的SYNC引腳有兩種工作模式，一種是設置信號發射狀態時的功率增長情況，另一種是設置TC35模塊的工作狀態。

GSM模塊電路如圖所示。

2.3 GSM模塊與單片機通信設計

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據收發。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芯片實現電平轉換和串口通信功能。MAX232芯片具有良好的電源管理機制：當串口在30秒時間內沒有數據輸入的情況時，即接收和發送引腳沒有檢測到有效信號，MAX232芯片設置為節能工作模式。MAX232芯片如果檢測到接收或發送引腳有信號輸入，該芯片自動被激活，轉入正常工作狀態。該芯片的以上特性，滿足了TC35作為移動終端的接收和發送電路連接要求。

3 TC35通信實現

系統主控器單片機通過RS232串行接口向TC35模塊發送AT命令，實現對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TC35模塊的收發短信功能。

（1）發送英文純文本格式短信：

AT+CMGF=1：設置為Text模式。

AT+CSMP=17，167，0，0：設置Text模式參數。最后一個參數為設置數據編碼類型，0表示設置為默認字符集（GSM）。

AT+CSCS=GSM：設置字符集為GSM字符集。

AT+CMGS：輸入目標對象電話號碼。

>“短信息內容”。其中表示結束符號。

（2）接英文純文本格式短信

AT+CMGF=1：設置為Text模式。

AT+CSCS=GSM：設置字符集為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“數字”表示記錄號，“REC READ”表示已讀，“REC UNREAD”表示未讀，“+8618908550745”表示發送方號碼，“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為已讀短信。

4 軟件實現過程

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送到閘門遠程控制系統，由系統的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據進行分析，判斷是否有預設合法用戶發送的短信，并提取短信中有效控制命令，根據命令碼控制閘門控制器的相關動作。最后將前一時刻的水位、閘位和控制結果信息再通過RS232串行接口傳輸至GSM短信通訊模塊，由GSM短信通訊模塊將結果信息以純文本格式的短信息方式發送系統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。具體實現過程如圖所示。

5 結束語

本文設計基于Atmega16單片機的灌區閘門遠程控制系統，充分利用TC35短信通信芯片實現灌區閘門的遠程數據發送、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，可廣泛應用到偏遠庫區、中小河道、灌區、供水渠的閘門現地控制和無線遠程控制等領域，有效改善偏遠灌區閘門、閘位聯控的手段，縮短閘門控制和信息處理所需的時間，實現閘門控制站“無人值班”（少人值守）的目標，提高灌區管理的技術水平，具有較好的市場推廣和應用價值。