大田灌溉閥門控制系統設計與實驗

摘" 要： 為解決大田農作物灌溉效率低、灌溉設備精細化程度不夠及田間人工灌溉成本高等問題，設計一種大田灌溉閥門控制系統，旨在提升大田灌溉的機械化程度和自動化水平，為智慧農田灌溉系統發展提供有力保障。該系統的核心組成部分包括STM32主控系統、閥門控制系統、數據傳輸和太陽能供電系統。該研究設計了閥門控制系統的硬件電路和軟件程序，采用PID算法實現對閥門開、關以及0～10級的流量調節功能，并通過OneNET云平臺和微信小程序實現閥門狀態的遠程控制和上傳功能。測試結果表明，該系統具有多功能、易操控、低成本、高精度的特性，有助于靈活管理水資源和灌溉計劃，使得大田農業灌溉省時省力，達到節水增效的目的。

關鍵詞： 大田灌溉； 閥門控制系統； STM32； PID算法； OneNET； 微信小程序

中圖分類號： TN876?34" " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " nbsp; 文章編號： 1004?373X（2024）08?0101?06

Design and experiment of valve control system for field irrigation

SUN Huajian1， 2， 3， FENG Xiangping1， 2， 3， LI Yongke1， 2， 3， MAO Bowen1， 2， 3， XU Xinlong4

（1. College of Computer and Information Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China;

2. Engineering Research Center of Intelligent Agriculture Ministry of Education， Urumqi 830052， China;

3. Xinjiang Agricultural Informatization Engineering Technology Research Center， Urumqi 830052， China;

4. College of Agriculture， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China）

Abstract： In order to solve the problems of low irrigation efficiency of field crops， insufficient refinement of irrigation equipment and high cost of manual irrigation in the field， a valve control system for field irrigation is designed， aiming to improve the mechanization and automation level of field irrigation， and provide a strong guarantee for the development of intelligent farmland irrigation system. The core components of the system include STM32 master control system， valve control system， data transmission and solar power supply system. The hardware circuit and software program of the valve control system are designed， and the PID algorithm is used to realize the function of regulating the valve opening and closing as well as the flow rate of 0～10 levels， and the remote control and uploading function of the valve status is realized by means of the OneNET cloud platform and the WeChat applet. The testing results show that the system is multi?functional， easy to control， low?cost and high?precision， which helps to flexibly manage water resources and irrigation schedules， making field agricultural irrigation save time and energy， and achieving the goal of water conservation and efficiency improvement.

Keywords： field irrigation; valve control system; STM32; PID algorithm; OneNET; WeChat applet

0" 引" 言

隨著科技的不斷進步和工業自動化水平的提高，電動閥門的應用領域不斷擴展，覆蓋了農業灌溉、石油、化工、電力等多個領域[1]。21世紀以來，我國高度重視節水灌溉技術和智慧農業的發展，智慧農業領域取得了顯著的進展，并且引入了現代技術和創新解決方案來提高農業的效率和持續性[2]。在這個背景下，電動閥門的重要性愈發凸顯。通過自動控制水資源的流動，電動閥門在現代農業中扮演著至關重要的角色，幫助農民和農業企業更有效地管理灌溉、施肥和水資源利用，從而提高產量，減少浪費并降低生產成本[3?5]。電動閥門的應用為智慧農業帶來了新的機遇，為農業生產帶來了更多創新和發展。為解決大田農作物灌溉效率低、灌溉設備精細化程度不夠及田間人工灌溉成本高等問題，設計一種大田灌溉閥門控制系統，旨在提升大田灌溉的機械化程度和自動化水平，為智慧農田灌溉系統發展提供有力保障。

1" 系統整體設計

本文針對大田灌溉不均勻和灌溉設備效率低等問題，設計一個大田灌溉閥門控制系統，如圖1所示。該系統以STM32處理器作為核心控制單元，包括STM32主控系統、閥門執行控制系統、數據采集系統、數據傳輸和太陽能供電系統。其中閥門控制系統由電機驅動模塊、限位開關和霍爾編碼器組成，用于精確控制閥門的開度；數據采集系統是由RS 485模塊和傳感器組成，用于監測閥門設備的壓力等情況；數據傳輸是通過Air724UG模塊上傳到云平臺[6]和微信小程序[7]，實現遠程數據傳輸和控制功能；太陽能供電系統是由太陽能板、太陽能供電模塊和鋰電池組成，為系統提供穩定的電源，確保系統在田間穩定運行。

2" 系統硬件的設計與實現

系統硬件結構如圖2所示。該系統以STM32F407VET6單片機為控制核心，其中閥門驅動電路的功能是控制電機的轉速、轉向、啟動和停止等操作；閥門反饋電路的功能是檢測和反饋電機的轉速、轉向和位置等信息，提供準確的反饋信號，以實現對電機的精確控制和保護；4G通信模塊為云服務器高效地傳輸采集的數據，以實現遠程監測與控制；RS 485通信模塊采用Modbus?RTU協議，用于與STM32之間的數據交互和處理，確?？煽康臄祿鬏敽吞幚恚惶柲芄╇婋娐分饕糜诖_保電動閥門控制器持續供電，以保障大田灌溉系統的可靠運行；SWD（Serial Wire Debug）是一種用于單片機調試和編程的編程接口，可以訪問STM32芯片內部的寄存器、存儲器和控制器狀態等信息，以便進行調試和排錯；串口通信模塊用于實現閥門控制器和上位機或與其他外設之間的串行數據傳輸，以便進行數據的雙向通信。

2.1" 主控芯片

本文采用由意法半導體公司研發的高性能32位RISC微控制器——STM32F407VET6[8]。該芯片搭載了高性能的ARM Cortex?M4處理器，并提供了多種外設接口，包括USB、CAN、SPI、I2C、UART、DMA、ADC、DAC等，便于與其他設備進行通信和數據交互[9?10]。該微控制器還支持多種功耗模式，包括運行模式、常量功耗模式、低功耗休眠模式和深度睡眠模式，以滿足不同應用場景下的功耗優化需求。

2.2" 太陽能供電電路

在偏遠地區，傳統的供電方式通常難以在田間實施。采用太陽能供電方式[11]具有簡單易維護的優勢，無需鋪設電纜，同時可提高灌溉效率并降低成本。這種太陽能供電方案為大田灌溉系統中的各個閥門提供了可靠的自動化控制。太陽能供電電路包括DC?DC隔離電源模塊和TP5100充電模塊，如圖3所示。在沒有太陽光照情況下，它依賴鋰電池供電，以保障電動閥門的持續運行。

2.3" 通信電路

本文系統選用基于紫光展銳UIS8910DM平臺設計的LTE Cat 1無線通信模組，即Air724UG[12]，如圖4所示。Air724UG能夠同時支持4G LTE網絡和雙頻WiFi連接，允許多個用戶同時訪問，以確保網絡的穩定性和安全性。

2.4" 閥門驅動電路

閥門驅動電路采用L298N電機驅動芯片，示意圖如圖5所示。通過控制M_INA1、M_INB1、M_INA2、M_INB2信號，可以實現電機A和電機B的轉向、啟動和停止操作；同時，通過調整A_PWM和B_PWM的占空比，可以有效地控制電機A和電機B的轉速[13?14]。

2.5" 閥門反饋電路

閥門反饋電路采用霍爾編碼器和限位開關的組合，如圖6所示。

霍爾編碼器[15?16]用于實時監測閥門的開度，以便進行電動閥門的開、關、調流等狀態控制，該調流功能允許在90°范圍內進行任意調節。同時，限位開關用于限制電機傳動部件的運動范圍，當電機輸出軸接觸到限位開關時，根據下降沿信號捕捉，會觸發一個停止信號，有助于延長減速機構的使用壽命，以確保閥門的正常運行。

3" 系統軟件設計

3.1" 系統整體設計

大田灌溉智能閥門控制系統主要采用的核心處理單元為STM32處理器，并嵌入RT?Thread操作系統，通過模塊化的編程將系統劃分為多個子任務，每個子任務之間賦予不同的優先級，同時采用消息隊列的方式進行任務之間的調度。

在STM32主控系統的控制下，經過一系列的初始化步驟并循環接收控制的指令，在循環中根據解析不同的指令來控制不同的閥門執行器，實現多路閥門的控制。通過霍爾編碼器和限位開關來控制閥門開度，實現閥門的可調流功能。

控制系統整體流程如圖7所示。

3.2" 閥門可調流設計

系統通過定時器中斷實時捕獲霍爾編碼器A、B相的脈沖信號，基于編碼器的倍頻原理計算出電機的旋轉方向和速度。電機轉動時，霍爾元件會輸出脈沖信號，通過A、B兩組方波信號的相位差，確定電機的運動方向；通道A和通道B的信號周期相同，且相位相差[14]個周期，結合兩相的信號值：當B相和A相先是都讀到高電平（1，1），然后B相讀到高電平，A相讀到低電平（1，0），則為順時針轉；當B相和A相先是都讀到低電平（0，0），然后B相讀到高電平，A相讀到低電平（1，0），則為逆時針轉。其脈沖信號示意圖如圖8所示?；谶@些脈沖信號計算出電機的轉速，通過PID算法對PWM進行優化調節，從而精確控制電機的轉速，實現閥門的流量調節功能。閥門可調流程序流程如圖9所示。

為增強減速機構的壽命和系統的穩定性，引入限位開關來限制電機傳動部件的運動范圍。當電機輸出軸接觸到限位開關時，根據下降沿捕捉停止信號，以確保電機正常停止運行，從而保障系統的可靠性。

3.3" 閥門數據幀格式設計

系統采用的自定義數據幀格式如表1所示。

表1中所有數據均用十六進制表示。設備號是出廠的編號，是唯一標識閥門設備的地址；功能碼是對當前設備的操作指令，可以實現對閥門設備的查詢和控制；設備地址對應1～4路閥門的控制，通過設備地址編號可以控制指定的閥門狀態；控制指令是對應的開、關以及調流的指令，可以通過不同的控制指令實現閥門開度的可調流功能；CRC校驗用于確保設備傳輸的穩定性、可靠性。

3.4" 大田灌溉閥門控制系統平臺設計

大田灌溉閥門控制系統的設計是在OneNET（中國移動物聯網開放平臺）上實現的。通過OneNET平臺的數據可視化View，對閥門數據進行可視化展示，并通過OneNET數據下發進行閥門的遠程控制。如圖10所示，地圖信息是新疆阿克蘇地區的實驗田（82.75°E、41.25°N）。該系統分別記錄了當前設備的在線、離線和故障率情況，并使用輪播圖對閥門設備的狀態進行反饋，最后通過折線圖實時顯示閥門設備的開度。

3.5" 微信小程序的設計

微信小程序是基于OneNET平臺進行實現的，通過index.js文件中編寫邏輯代碼，實現與OneNET平臺的連接和數據交互。在事件處理函數中添加設備ID和API Key，使用https：//api.heclouds.com/cmds？device_id=1108256205命令，按照自定義協議對閥門進行遠程控制；使用https：//api.heclouds.com/devices/1108256205/datastreams/命令，實現閥門開度的實時更新。微信小程序界面如圖11所示。圖11中包括唯一設備識別碼，以及對應的4個閥門的開、關和調流控制及狀態反饋。

4" 系統運行與功能測試

4.1" 系統測試流程

系統測試主要是通過OneNET平臺或微信小程序輸入控制指令，閥門控制器會解析相應的控制指令并對閥門執行器發出動作指令。

測試程序流程如圖12所示。根據自定義協議下發閥門開、關或者調流的指令后，閥門控制器與Air724UG模塊通信，STM32微處理器解析閥門動作指令，使用霍爾編碼器采集的閥門角度信息，采用PID控制算法，通過脈寬調制（PWM）控制電機的速度，最終使電機穩定輸出到預設的目標角度，以實現閥門的調流功能。

4.2" 閥門通信穩定性實驗

為了測試Air724UG在田間的通信延時對電動閥門控制的影響，采用MQTT協議來傳輸閥門角度數據。

通過在“callback（）函數”中記錄當前時間和上一次時間的差值，然后將差值通過串口輸出。每隔100 ms，通過“publishangle（）函數”循環發送angle_1、angle_2、angle_3和angle_4的角度信息，重復1 000次。在田間布置了10臺閥門樣機進行網絡延時實驗，并通過Origin 2018軟件對數據進行可視化分析，如圖13所示。

5" 結" 論

本研究設計了一套大田灌溉閥門控制系統，實現了閥門開度的遠程控制和10級調流功能，同時設計出閥門控制系統的硬件電路和軟件程序，實現對閥門開度的穩定控制。通過OneNET平臺搭建了大田灌溉閥門控制系統和微信小程序，實現閥門的遠程控制與數據上傳功能。通過網絡通信延時實驗，測得最低網絡延時為81 ms，最高網絡延時為628 ms，平均網絡延時為224 ms，網絡延時滿足閥門角度的響應要求。

該系統可以根據作物的灌溉需求進行閥門開度的調節，并采用太陽能供電的方式，使得用戶無需親臨現場就能夠在整個灌溉過程中實現省時省力的操作，從而實現節水增效的目標。該系統為智能農業發展提供了一個實際可行的解決方案，并為其推廣和廣泛應用奠定了堅實的基礎。

注：本文通訊作者為馮向萍、李永可。

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作者簡介：孫華鍵（1994—），男，山東淄博人，碩士研究生，研究方向為智慧農業。

馮向萍（1973—），女，陜西鳳翔人，副教授，研究方向為農業信息化技術。

李永可（1985—），男，河南許昌人，副教授，研究方向為農業信息化技術。