一種農田渠道智能化控水卷簾閘門設計

任 然，任宇哲，王海軍，李欣昀

(1.香港城市大學,香港 999077；2.深圳水務集團，廣東 深圳 518031；3.河海大學,江蘇 南京 210098；4.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；5.香港理工大學，香港 999077)

中國是一個農業大國，尤其在中國南方地區、東部亞熱帶季風區，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、生物性狀。水稻土在淹水情況下，一方面會產生硫化氫、甲烷等氣體危害農作物根系；另一方面，pH值升高，土壤呈還原環境，但還原環境太強或還原狀態太久，對農作物不利。所以，排灌技術和蓄排水工程在調節土壤對水的滲透處理和土壤生物化學環境上舉足輕重。

傳統上，為了保持農作物的穩產、高產，大量的農田水利設施如田間灌排工程、引水、蓄水工程的興修以調節農田的水分狀況和改良土壤來滿足農業發展的需要。小型水閘在農田渠道中使用較為廣泛以控制農田的水量分配。但是目前，小型水閘的結構設計一般為常規水閘結構如開敞式水閘、開敞式帶胸墻水閘、涵洞式水閘等，其形式比較單一，同時，其運行和控制的費用相對較高，且控水效果不理想，無法大規模地應用于農田水利灌溉和農業生產之中[1]。此外，智能化控水水閘大多應用于大型河道中，并未見其廣泛應用于農田渠道中，目前的農田水閘啟閉方式以人工手動為主。

針對以上問題，本文基于傳統水閘的控水原理，提出了一種不同于傳統小型水閘的控水卷簾式閘門，配合智能化控制技術，操作方便，結構簡單，成本低廉[2]。本文將從設計思路和理念、模型的結構設計、智能化控制系統設計方面進行理論和實踐的探索，最后闡述結論，為農田渠道的蓄排水工程探索出一個更智能化、更簡單實用的產品。

1 設計思路和理念

農田渠道的排灌和蓄排水工程對農作物所需要的水份、土壤要求至關重要，而傳統水閘的控水需要用及人工，運行的成本高且控水不及時易對農作物生長造成影響；控水形式單一導致控水效果不理想。在農業水利設施中應用本文的方案設計存在以下優勢：①以智能化控制和自動化運行為目標，降低人為參與度，操作簡易，解放人力；②對控水閘門的結構形式進行了創新，卷簾式的水閘可以根據農田渠道實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卷簾閘的結構形式使剛性材料既易彎曲又可達到阻水的要求，閘口的開啟和關閉時利用智能控制電磁線圈“電生磁-磁斥/吸磁”的原理，使閘口開啟時獲取初始力推動或關閉時很好的密封防漏效果。基于以上優點，該設計方案適用于大多數中小型農田渠道的排灌及蓄排水工程。

2 模型設計及試驗

2.1 閘門主體設計

本閘門設計方案見圖1，Lumion建模見圖2，主體部分包括動力控制室、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、感應鐵片和基底；動力控制室設置于農田渠道的任意一處基巖旁。動力控制室內設有電機、卷揚機及卷簾軸，電機與卷揚機相連，卷揚機與卷簾軸相連，通過電機的運行，卷簾軸進行順時針或逆時針的轉動，閘門關閉或開啟；閘門一端設有一磁鐵，見圖3。與動力控制室相對的基巖上設有與閘門口磁鐵相對應的感應鐵片，感應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，通過電磁感應線圈，可根據電流方向不同產生2種不同磁極，閘門開啟時，感應鐵片端產生與閘門端相同的磁極，同性相斥，產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；閘門關閉時，感應鐵片端產生與閘門端相反的磁極，異性相吸，產生吸引力起到密封防滲漏的效果。閘門下端設有與動力控制室相連的基底軌道，閘門在軌道內移動，保持閘門開啟或關閉時的方向性和穩定性。

1.基巖；2.GPRS模塊；3.天線；4.動力控制室；5.卷簾軸；6.壓力傳感器；7.基底；8.閘門；9.磁鐵；10.感應鐵片；11.電磁線圈；12.AC-DC模塊圖1 農田渠道控水卷簾閘門設計

圖2 農田渠道控水卷簾閘門Lumion建模

圖3 閘門主體細部Lumion建模

2.2 卷簾閘門單位結構設計

卷簾閘門根據水渠正截面的長度，選取滿足其適當長度的單位結構，見圖4。單位結構采用SBS橡膠等柔性材料制作，開啟時，見圖5，隔水阻水效果好，且SBS橡膠等柔性材料在農田渠道中不易腐蝕；關閉時，該卷簾閘門柔性材料結構易發生彈性形變隨卷揚機的轉動被收入動力控制室內[3]。

圖4 卷簾閘門單位結構俯視

圖5 卷簾閘門開啟時結構形式俯視

2.3 智能控制系統設計

智能控制系統主要包括CPU處理電路、電源電路、外圍接口電路、上位機軟件。其中外圍接口電路用來連接各類傳感器及電機驅動等。

首先，當整個控制系統運行時，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據發送至CPU處理器中，處理器通過多次采樣取平均值的方法進行濾波而得到精準的水壓數據，并通過水壓與水深的物理關系式轉化為水深，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水位差的設定值，并將該設定值作為閘門開啟或關閉的閾值。

最后，如果CPU處理器計算得到的上下游液位差大于設定的閾值，外圍電路連接的繼電器得電，電磁線圈得到正向電流，產生與閘門磁鐵相同的極性，閘門打開；相反，計算值小于設定的閾值，電磁線圈得到反向電流，產生與閘門磁鐵相反的極性，閘門關閉。同時，閘門打開的距離與液位差有分段線性關系，即在一定范圍內，液位差越大，閘門打開的距離也越大。

本閘門設計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，主頻達到72 MHz,擁有最大64 kb字節的SRAM，能夠很好滿足本閘門設計的需求。其次，STM32F103內部集成了數模轉化器，可以直接進行ADC采樣，并有著單獨的溫度采集通道，方便檢測系統的溫度情況。再次，STM32F103具有低功耗模式，可以調節成睡眠、停機和待機模式，最小待機功率達到μW級別，能夠為整個系統節約能量。

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1 MΩ大小的電阻來穩定波形并加速起振時間。同時，在3.3 V與GND之間通過并聯多個電容達到濾波的效果，使得向CPU提供的電源更加穩定。在CPU控制電路中，為了更好區分高低電平來進行ADC檢測，增加了ADC基準電壓電路。其中：

(1)

當然，在實際的生產制作中，R4、R5都需要選擇千分之一的精度，才能滿足要求。

本閘門設計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，見圖7，輸入電壓范圍廣，輸出電壓為固定5 V，波形平穩，輸出電流達到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電容來進行濾波處理，同時采用大電容并聯小電容的做法，來抵消大電容的電感效應。

圖7 降壓模塊

圖8 降壓電路

本閘門設計的控制電路為了更好地進行后期維護和開發，留下SWD方式的程序下載接口(圖9)，相比于傳統的串口下載和JTAG下載方式，SWD下載方式所需要的空間小，需要的下載線少。電機選擇利用四路PWM來進行驅動，可以實現電機的正反轉，達到水渠閘門開關的目的[4]。GPRS網絡通信模塊是采用串口方式進行通信的，容易進行二次開發[5]。同時，水位檢測模塊是利用STM32自帶的內部ADC進行數據讀取，采用兩路水位檢測，以實現閘門根據上、下游水位變化而實現自動化開關的目的。

a)電機驅動接口 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

上位機部分是利用C#語言[6]進行編寫(圖10)，主要有三大功能：①整個智能控制系統的開始和停止，單擊“開始”按鈕，整個系統開始運行，單擊“停止”按鈕，系統就會停止工作，閘門保持上個狀態不變，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發送至上位機軟件后，可以通過進度條示水位的高低，在進度條后面又可以通過數字的形式準確顯示水位，而上下游水位的高度差也可以直觀地利用進度條來顯示，方便人們察看；③人為設定水位差值自動控制閘門打開與閉合，通過上位機的下拉框來自行設定水位差的閘門動作值，達到自動化運行的目的。

圖10 上位機軟件頁面

3 結語

目前，智能化裝備在農業上應用愈加廣泛，但對于智能化農田渠道控水方面，依然存在很大空白，本文提出一種設計方案，嘗試將傳統河道用水閘的結構形式進行創新，柔性材料制作的單位設計方便卷式收入，配合卷簾式的設計，結構簡單、操作容易，有很好的阻水性和控水效果。同時，智能控制系統的設計，利用CPU處理電路、電源電路、外圍接口電路、上位機軟件組成系統，實時監控閘門上下游水位，根據設定水位差值，自動開啟或關閉閥門，人為亦可通過PC端或手機端遠程監控。該設計方案具有一定的經濟效益和創新性，因此，具有一定的推廣應用價值。