電磁閥遠程控制及水壓監測系統設計

張德茂,袁 曉,陳文杰

(1.四川大學 電子信息學院，成都 610065; 2.成都華為研究所，成都 611700)

電磁閥遠程控制及水壓監測系統設計

張德茂1,袁 曉1,陳文杰2

(1.四川大學 電子信息學院，成都 610065; 2.成都華為研究所，成都 611700)

為了實現遠程控制電磁閥及監測輸水管道水壓，提高農業灌溉效率；采用STM32微控制器及Android嵌入式系統，開發出一種對電磁閥進行控制及水壓監測系統；微控制器通過串口連接GPRS模塊，從而接收命令控制電磁閥和發送水壓數據；Android手機客戶端實現閥門控制界面和水壓數據顯示功能；云服務器負責連接GPRS模塊和手機客戶端，并且管理底層設備與用戶信息；該系統已運用在某智能節水灌溉公司的實驗大棚基地中，實驗結果表明，系統能實時進行遠程控制及監測，并能確保輸水系統正常運行；該系統能夠推動農業現代化的發展，減少人力成本，提高生產效率。

STM32微控制器；云服務器；手機客戶端；農業現代化

0 引言

隨著政府對農業現代化的重視以及物聯網的快速發展，傳統的農業生產模式正逐漸向農業智能化方向發展，智能化設備被廣泛使用到農業生產過程中。這樣的發展背景為電磁閥遠程控制及水壓監測系統的建立及推廣奠定了良好的基礎。目前關于研究農業環境監測的比較多，農業環境監測對于指導種植以及了解農作物的生長環境有非常重要的意義[1]。目前我國農業現代化的發展還處于初級階段，農業生產自動化是其中重要環節之一。智能節水灌溉系統有著非常廣泛的市場需求，譬如甘肅、陜西、新疆等缺水地區正逐步地推廣節水灌溉系統。灌溉是農業生產過程中非常重要的一部分，如何把控灌溉時間以及灌溉量是一個重要的問題。利用覆蓋面廣、技術成熟且傳輸速度快的GPRS網絡實現遠程控制電磁閥可以有效解決這個問題[2]。灌溉系統中爆管以及電磁閥損壞現象經常發生，在灌溉系統中添加一個水壓監測模塊，如果水壓超過閾值，就關閉水泵開關并及時調整水泵功率，這樣可以有效防止該類現象的發生。在農業生產過程中，使用電磁閥遠程控制及水壓監測系統具有很重要的意義，不僅解放勞動力，降低生產成本，并且該系統具有寬廣的應用市場。

1 系統設計方案

電磁閥遠程控制及水壓監測系統主要分為七個部分如圖1所示：傳感器、電磁閥、電機驅動模塊DRV8823、微控制器STM32、GPRS通信模塊、云服務器、Android手機客戶端。微控制器通過GPRS模塊接收來自云服務器的控制命令和發送傳感器數據給云服務器。云服務器負責存管理底層設備及用戶信息并且緩存控制命令和傳感器數據。手機客戶端與云服務器之間通過互聯網進行連接，用戶通過手機APP登錄即可進行控閥操作和獲取水壓數據并進行顯示。

系統的總體框架如圖1所示，分成三大模塊。底層控制模塊的核心是基于 ARM Cortex -M4 核的STM32L476RE 微控制器。中間服務模塊是依托云平臺搭建的云服務器。上層應用模塊是在Android手機平臺上開發的APP。

圖1 系統總體框架

2 系統硬件設計

系統硬件部分的主要任務是完成電路設計。以微控制器為核心，需要設計4個電路模塊分別為：微控制器電路，電磁閥控制電路，GPRS通信模塊電路，水壓采集電路。由于整個底層控制模塊長期工作在野外環境，因此采用太陽能供電的方式給整個硬件系統供電。

2.1 微控制器外圍電路設計

微控制器是采用ST公司基于ARM Cortex- M4內核的STM32L476RE[3]。它的處理能力強大，并且具有低功耗特性，因此它適用于野外工作的設備。它有多個外圍接口能滿足系統后期的功能擴展需求。 STM32L476RE有4種方式可以提供系統時鐘源，本設計采用16MHz的高速內部RC振蕩器(HSI)作為系統時鐘源，由PLL提供系統的RTC。操作系統的時鐘滴答數由AHB總線時鐘提供，設置成10 ms跳動一次。微控制器的外圍引腳連接圖如圖2所示，包含：通信串口，調試串口，SPI接口，ADC通道。

圖2 微控制器外圍引腳連接圖

2.2 電磁閥控制電路設計

電機驅動芯片采用德州儀器公司的DRV8823[4]。它僅需通過SPI接口來接收命令字就能實現對步進電機的位置控制、電流控制，具有易于實現控制、節省微控制器IO資源等優點。使用的電磁閥可以根據不同的生產廠家而定，要求電磁閥的驅動電壓在驅動芯片輸出電壓8～12 V范圍之內。控制電路如圖3所示，圖中MOTO_OUT_A,B,C,D各2路線輸出電壓驅動電機，可以驅動4個電磁閥。

圖3 電磁閥控制電路

2.3 GPRS 通信模塊電路設計

GPRS 通信模塊采用濟南有人科技有限公司的USR-GPRS232-7S3[5]。通過簡單的 AT 指令配置模塊，便可實現模塊從串口到網絡的雙向數據透明傳輸。微控制器與通信模塊用通信串口進行連接，連接狀態引腳用于控制連接狀態顯示。電路如圖4所示。

圖4 通信模塊電路

2.4 水壓采集電路設計

水壓采集電路使用微控制器的內部A/D轉換電路。首先把具有A/D功能的GPIO口配置成模擬輸入工作模式；然后將引腳接一個下拉電阻到地起保護作用；最后把輸出信號為電壓信號的傳感器的輸出端接到微控制器的A/D輸入端。采集電路如圖2中的ADC通道所示。

3 系統軟件設計

系統軟件設計框架如圖5所示。微控制器作為底層控制模塊的核心，在完成操作系統初始化和GPRS模塊的配置工作之后，通過GPRS模塊接受服務器的命令做相應操作與響應。云服務器作為中間層，在提供通信接口的同時也負責管理用戶信息和底層設備信息。APP為用戶提供直觀便捷的操作顯示界面。3個模塊相互獨立，又相互聯系。

圖5 系統軟件設計框圖

3.1 嵌入式系統程序

3.1.1 開發平臺 IAR

用于ST公司微控制器的開發平臺有IAR、KEIL等。本設計選擇IAR公司的C編譯器 IAR Embedded Workbench， 支持眾多知名半導體公司的微處理器。該編譯器支持操作系統移植，也支持芯片固件庫移植，能夠減少開發周期。

3.1.2 操作系統 RT-Thread

RT-Thread是一款開源實時操作系統[6]。它包含實時、嵌入式系統相關的各個組件：TCP/IP協議棧，文件系統，libc接口，圖形用戶界面等。RT-Thread操作系統的初始化包括：系統時鐘，系統調度，應用線程，空閑線程。系統初始化和啟動系統調度在主程序內完成。有兩個應用線程分別是接收線程和發送線程。在啟動線程之前，需要配置好相應的硬件接口：SPI、UART、ADC等。

3.1.3 收發線程

微控制器與服務器之間通信是通過GPRS模塊，采用的傳輸協議是UDP。中間傳輸的數據協議格式如表1所示。

表1 數據協議格式

1)接收線程實現流程：

(1)rt_thread_create(參數); //創建線程

(2)rt_thread_startup(參數); //啟動線程

(3)While(true)

{

RecvAndProcessData(參數) //接收并處 理數據

{

rt_sem_take(參數);

...

rt_device_read(參數);

//操作系統讀函數

...

rt_sem_release(參數);

}

}

(4)Parse_From_Array(參數); //解析命令函數，按照表1數據協議格式解析數據包

(5)相關命令：

發送注冊請求 SendRegisterReq(參數);

處理注冊應答ProcessRegisterRpl(參數) ;

處理操作請求 ProcessCmdReq(參數)。如：開閥、關閥、采集水壓等操作請求。

(6)返回處理結果給服務器。

2)發送線程實現流程：

(1)rt_thread_create(參數); //創建線程

(2)rt_thread_startup(參數); //啟動線程

(3)While(true)

{

SendRegisterReq(參數); //注冊函數：與服務器建立連接并提供注冊信息

{

ToArray(參數); //封包函數：按照表1數據協議格式打包數據

SendData(參數) //發送函數：通過操作系統的設備寫函數調用串口發送數據

{

rt_sem_take(參數);

另外，高科技企業技術團隊的高薪支出稅費的抵扣也是企業的另一個關注點。以中國排名前幾的技術有限公司為例，2017-2018年華為技術團隊個人年薪30-60萬不等，百度技術團隊個人年薪35-60萬不等，阿里巴巴技術團隊個人年薪40-60萬不等，騰訊技術團隊個人年薪25-48萬不等，其他職位最高年薪20萬元以下。將各企業技術團隊個人年薪折中與其他職位最高年薪作比較，由圖3可以看出企業技術團隊的高年薪支出成為企業迫切希望納入進項稅抵扣的一個關注點。

rt_device_write(參數);

//操作系統寫函數

...

rt_sem_release(參數);

}

}

rt_thread_delay(times);

}

信號量是一種輕型的用于解決線程間同步問題的內核對象，線程可以獲取或釋放它，從而達到同步或互斥的目的。在接收和發送線程之間就采用了信號量機制來保證兩個線程之間的同步和互斥。

信號量的創建：rt_sem_create(參數)。

信號量的搶占：rt_sem_take(參數)。

信號量的釋放：rt_sem_release(參數)。

3.1.4 控制閥門開關

開閥函數OpenValve(閥門號)和關閥函數CloseValve(閥門號)是通過操作系統的設備寫函數調用SPI向驅動芯片DRV8823寫入16位二進制數據(相應的數值可以查芯片手冊)。

3.1.5 采集水壓數據

采集水壓函數GetWaterPressure(通道號)是通過操作系統的讀函數調用ADC接口將模擬量轉換成數字量。12位的ADC以內部參考電壓3.6 V作為參考值，因此將參考電壓分成4096等份。測量的電壓值=AD讀出的值/4096 *3.6 (V)。實際的水壓值要根據傳感器的轉換公式來進行轉換處理。

3.2 服務器端軟件框架及主流程

服務器的開發環境為IDEA15.0.6 + JDK8+ TomCat8.0.3 + MySQL5.7。服務器使用的是Spring MVC框架。MVC，以設計界面應用程序為基礎的設計模式，它主要通過分離模型、視圖及控制器在應用程序中的角色將業務邏輯從界面中解耦[7]。Model負責封裝應用程序數據在視圖層展示。View僅僅只是展示數據，不包含任何業務邏輯。Controller負責接收來自用戶的請求，并調用后臺服務(Manager/Dao)來處理業務邏輯。處理完之后，后臺業務層可能會返回一些數據在視圖層上展示。控制器收集這些數據及準備模型在視圖層展示。

云服務器是一種基于WEB服務，提供可調整云主機配置的彈性云技術，整合了計算、存儲與網絡資源的Iaas服務，具備按需使用和按需即時付費能力的云主機租用服務[8]。在靈活性、可控性、擴展性及資源復用性上都有很大的提高。云服務器軟件框架如圖6所示。

圖6 服務器軟件框架

Entity模塊主要功能是定義云服務器與微控制器、手機APP應用進行數據傳輸的基本數據類型。Entity實體同時也對應著數據庫中的表結構，本設計中需要建立的實體有：用戶信息、節點信息、傳感器信息、開關信息。

接口類型定義模塊主要功能是實現WebSocket接口中的基本通信類型的定義，主要包括命令類型定義及應答類型定義等。WebSocket接口采用WebSocket作為承載方法，接口采用的數據格式為JSON格式。

Spring MVC模塊主要實現Spring MVC框架環境。

Hibernate[9]模塊主要實現數據庫與Hibernate的綁定關系。

數據庫接口模塊主要實現常用數據庫操作接口功能，如查詢、修改及刪除等操作。

Handler模塊主要功能是對外部接口請求的處理。

Server主要是實現WebService接口。

WebSocket模塊主要實現手機APP與云服務器之間的通信。

GPRS接口采用UDP作為承載方法，接口使用NCP協議格式進行通信。

服務器在啟動后，將首先運行Spring框架，加載相關配置，包括Controller、Service、Hibernate等基本功能組件。然后，加載WebSocket接口模塊，開始監聽WebSocket連接。最后，將加載GPRS接口模塊，開始監聽來自GPRS的UDP消息。此后，服務器主要的功能便是監聽WebSocket連接并進行管理及消息命令的處理，以及監聽GPRS的UDP消息和GPRS終端的管理。GPRS終端的管理包括：(1)監測GPRS終端連接超時管理；(2)GPRS終端連接合法性檢驗；(3)GPRS命令消息收發處理。

3.3 手機客戶端

3.3.1 Android 手機客戶端架構

Android 是由Google 開發的基于Linux 內核的綜合操作系統[10]。本系統的手機客戶端與服務器采用的是常用的C/S架構(客戶端/服務器)模式，Android手機客戶端通過WebSocket接口與服務器進行通信。客戶端發送命令給服務器，服務器再將命令通過GPRS接口發送給底層控制模塊。底層控制模塊將采集的數據上傳到服務器內的數據庫中進行存儲。手機客戶端設計架構靈活、操作穩定、數據可靠。

3.3.2 Android 客戶端界面設計及主流程

Android 手機客戶端支持4.0以上的手機，開環境為Android-Studio2.2，采用的是XML布局。APP有3個Activity包括用戶登錄、閥門開關、水壓曲線圖顯示等界面。采用MVC模式進行系統開發。

APP在啟動時，將通過WebSocket與云服務器建立連接，并提交身份信息(包括用戶名及密碼)。服務器通過對用戶身份進行驗證后，將驗證結果返回給APP。APP收到登陸驗證結果后，將開始維護WebSocket的連接(通過心跳數據包)。此后，APP將可以執行向服務器發送命令或從服務器讀取信息等操作。通常，APP將首先從服務器上讀取當前用戶相關的節點信息及開關信息等，并將其顯示到界面上以便用戶的操作。用戶在對開關進行操作時，APP將通過WebSocket向服務器發送開關操作命令，等待服務器的命令應答。服務器完成命令的處理后(包括向底層控制模塊發送命令及接收命令應答)，通過WebSocket向APP返回命令結果(錯誤碼及錯誤信息等)。APP收到來自服務器的命令應答后，將根據結果更新界面或通知用戶。

水壓數據采用了AChartEngine圖表引擎進行折線圖顯示。AChartEngine是為Android應用設計的繪圖工具庫，通過對其參數進行相應配置，以及對原有圖表的重新封裝后定制出需要使用的圖像數據接口[11]。

4 系統測試與結果分析

在實際的農場溫室大棚中，對該電磁閥遠程控制與水壓監測系統進行軟硬件測試。首先用戶通過用戶名和用戶密碼登錄客戶端。測試表明：1)電磁閥控制操作穩定可靠，并能正確反饋控制信息。控閥成功時，界面會彈出控閥成功的提示信息并且會顯示閥門狀態。2)水壓監測能在允許誤差范圍內及時給用戶反映當前輸水管道的水壓。用戶還可以設定水壓閾值。水壓顯示界面如圖7所示。

圖7 水壓顯示界面

結果分析：1)采用GPRS通信方式，每個模塊都能獨立穩定的連接公網。相比WIFI連接方式，GPRS方式可以有效避免連接距離、連接數量的限制問題；不足點是需要插卡和續費。2)從實驗基地的長期測試結果中估算出，遠程控閥的成功率達到90%以上。根據不同型號的電磁閥，調整輸出電流和電磁閥的結構，可以解決控閥成功而實際沒有開閥放水的問題。3)管道水壓監測，測量數據跟專業儀器測量的結果有一定的誤差，但在一定程度上可以有效避免水壓過高出現爆管的現象發生，達到預期的功能要求。4)APP軟件可以通過掃碼的方式下載，便于用戶注冊使用。界面操作簡單，功能穩定可靠。從實際用戶的反饋中，可以了解到待開發的功能還有許多，比如控制水泵開關，周期性定時灌溉等有實際需求的功能。

5 結束語

針對傳統農業生產過程中存在耗時耗力的問題，提出了電磁閥遠程控制及水壓監測系統。該系統的特點：引入GPRS無線通訊技術，具有連接方便、覆蓋面廣、傳輸速度快的優勢[10]；采用基于云平臺搭建的服務器，管理用戶信息和設備信息；設計了基于Android的移動客戶端APP軟件，使農業灌溉智能化，便捷化。隨著國家對農業現代化的不斷推進，以及智能控制和物聯網技術的不斷發展，農業智能化是必然的發展趨勢。嵌入式系統和無線通信技術相結合的遠程控制系統必將是發展的潮流。電磁閥遠程控制及水壓監測系統還有許多需要完善之處，隨著技術的不斷提高以及系統的不斷完善，該系統必將給用戶帶來更人性化的操作。

[1] 王恩亮，華 馳.基于物聯網技術的農業環境監測站的設計[J].計算機測量與控制,2016,24(5):18-20.

[2] 李志軍，劉亞善.基于ARM和GPRS的多功能智能表數據采集器[J].計算機測量與控制,2015,23(8):2918-2920.

[3] ST公司.STM32L476RE使用手冊[EB/OL].http://www.st.com/,2016.

[4] TI公司.DRV8823 使用手冊[EB/OL].http://www.ti.com/,2016.

[5] USR公司.USR-GPRS232-7S3使用手冊[EB/OL].http://usr.cn.makepolo.com/,2016.

[6] RT-Thread 編程指南[EB/OL].http://www.rt-thread.org/download/manual/rtthread_manual.zh.pdf,2016.

[7] 戴 克，林儀明，崔 毅.Spring MVC學習指南[M].北京:人民郵電出版社，2015.

[8] 百度文庫.云服務器[EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/4630404dc850ad02de80419d.Html,2016.

[9] 劉京華.Java Web整合開發王者歸來[M].北京:清華出版社，2010.

[10] 李 寧.Android 開發權威指南[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[11] Achartengine[EB/OL].http://code.google.com/p/achartengine/,2016.

Design of Remote Control of Solenoid Valve and Water Pressure Monitoring System

Zhang Demao1,Yuan Xiao1,Chen Wenjie2

(1.College of Electronics and Information ,Sichuan University,Chengdu 610065 ,China;2.Huawei Research Institute of Chengdu,Chengdu 611700, China)

In order to realize the remote control of the solenoid valve and monitor the water pressure of the water conveyance pipeline,and improve the efficiency of irrigation in agriculture, a STM32 micro-controller and Android embedded system were used to develop a system of controlling solenoid valve and monitoring water pressure. The micro-controller through the serial port to connect the GPRS module to receive commands,and then control the solenoid valve and send water pressure data; Android phone client achieve the interface of controlling valve and display water pressure data; Cloud server is responsible for connecting the GPRS module and mobile client, and managing the underlying equipment and user information. The system has been applied in the experimental greenhouses of an intelligent water-saving irrigation company,the experimental results show that the system can carry out remote controlling and monitoring in real time, and ensure the normal operation of the water conveyance system. The system can promote the development of agricultural modernization, reduce labor costs, and improve production efficiency.

STM32 micro-controller；cloud server；mobile client；agricultural modernization

2016-12-28；

2017-02-13。

張德茂(1993-)，男，湖北黃石人，碩士研究生，主要從事嵌入式系統方向的研究。

袁 曉(1964-)，男，四川成都人，副教授，主要從事現代電路設計與研究。

1671-4598(2017)07-0077-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.020

TP273

A