一种用于太阳能灌区水闸的远程控制系统的制作方法

本发明属于水利工程领域，用于水利设施太阳能灌区水闸的控制系统，该水闸用于灌区、水渠、河道等水资源管理控制和防洪排涝等，由多个水闸和云服务系统可以实现灌区水资源智能管理调度。

背景技术：

水利工程关系着国计民生，水利工程和农业灌溉工程的一个重要组成部分就是中小微型水闸，是否能够管理好中小微型水闸关系到我国广大人民群众的生命财产安全和农业稳产增产，因此做好中小微型水闸的管理工作有重要意义。

随着水利和农业的发展，对水闸高效、科学地管理和控制势在必行，合理调配水资源不仅可以促进农业丰产也是人民生命安全的重要保障。

农田水渠是灌溉的主要方式之一，是大田主要水利设施，水渠水闸是灌区水资源分配主要机构，灌区水闸数量众多，对于水资源高效利用、确保农业丰收意义巨大。目前已广泛使用的水渠水闸有电动启闭型、人力启闭型，主体结构较为笨重，运行阻力很大，运行所需能量很大，需要使用有线供电或人力驱动，很难实现低功耗改造，这就给远程信息化水利系统带来很大困难，不利于灌区自动化信息化建设。

技术实现要素：

针对现有水渠水闸存在的问题，在低功耗水闸本体基础上配合本控制模块，实现水闸多种控制方式，并进一步执行远程云控制，在云平台的调度算法指挥控制下实现智能水资源管理，高效管理调度灌区灌溉工作，提升灌区智能化信息化水平。其具体技术方案如下：

一种用于太阳能灌区水闸的远程控制系统，包括核心模块、gprs模块、直流电机控制模块、开度传感器、水位传感器，所述gprs模块、水位传感器通过串行通信与核心模块连接，直流电机控制模块、开度传感器及其他传感器均采用mobus总线和核心模块连接，核心模块控制和监控水闸电机、太阳能系统、gprs模块等，实现水闸控制和与云平台远程通信。

进一步的，所述核心模块采用stm32f103微控制器

进一步的，所述modbus总线设定两个中断：uart通信中断、定时中断。

进一步的，所述定时中断在水闸停止且无操作的情况下，每秒一次轮询上下游水位、开度传感器，在运行或有运行指令时，轮询周期变为100ms。

进一步的，所述gprs模块利用2g/3g网络，水闸通过无线线路接收和发送数据，实现实时水位开度流量监测上传和控制信息接受及执行。

进一步的，所述gprs模块通信采用tcp连接，上电后自动寻找gprs网络，完成注册后云服务器请求连接，建立连接后上报本模块站号，其后定期向云服务器发送状态数据，接收调度指令，在状态没有发生变化时，仅发送短心跳包保持tcp连接。

进一步的，还包括云服务端监控模块，云服务端监控模块实时反馈服务端的各项状态，用户根据云服务端监控模块来了解服务端的运行状况。

进一步的，所述云服务端还转发网页操作界面、手机app的指令，实现办公室控制和移动段远程控制，手机app显示运行状态和实时运行数据及故障报警并提供控制操作界面，在授权情况下进行启闭闸门、变换开度、设定流量等操作。

进一步的，所述直流电机控制模块控制电机过程如下：

1)电机变速启动和停止：

采用24v直流电机作为水闸动力，电机启动和停止均采用变速方式，启动时采用5秒爬坡启动，运行平稳精确，停止时则设置了3秒减速停车过程；

2)采用多种工作方式，分别是现场手动模式、现场自动开度控制、现场自动流量控制、现场自动水量控制、远程启闭控制、远程自动开度控制、远程自动流量控制、远程自动水量控制；

3)闸门运行速度控制，采用绝对编码器获得闸门开度，实时计算水闸运行速度，通过速度值监控水闸运行情况，计算停车位置。

进一步的，故障检测过程如下：

1)各传感器通信检测：

传感器反馈数据检测以下故障：

(1)发出req后无ack信号，即无响应故障，可能的故障原因是信号线故障、传感器死机和传感器站号错误等；

(2)接收到数据站号错，查询目标传感器和反馈传感器站号不一致，可能的原因是时序紊乱，倒错等；

2)数据正确性检验：

反馈数据不合理，即测量值出现超大或超小数据等；

3)水闸状态检测：

水闸运行故障检测：水闸运行方向和状态与指令不符，如指令是开启闸门，但传感器显示水闸静止；指令是水闸停止，而传感器显示水闸在移动。

本系统用于具有自主知识产权的一体化、不需要敷设电缆，采用太阳能电源、能通过云平台进行远程无线监控的、可以实现具备多种控制策略的集中监控的一体化小微型水闸系统，针对国内现有的小微型水闸在能效、控制方式、水量管理精度、通讯控制网络等方面的不足，结合国内外同类产品的优点，具有无线远程与云平台结合、低功耗等优势。

技术特点如下：

1)采用低成本低功耗的stm32系列嵌入式处理器，在水闸静止且无操作时间歇休眠，实现绿色低功耗控制。

2)采用多种中断方式控制系统工作节奏。

3)实现上位机操作，并及时采集运行信息，以备上报上位机。

4)功能丰富，操作简便，合理裁剪汉字系统，界面信息丰富，功能设计科学合理。

附图说明

图1是本发明的硬件系统结构图；

图2是本发明的软件功能图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，本发明的用于太阳能灌区水闸的远程控制系统，包括核心模块、gprs模块、直流电机控制模块、开度传感器、水位传感器。其中核心模块采用stm32f103微控制器，gprs模块、水位传感器通过串行通信与核心模块连接，直流电机控制模块、开度传感器及其他传感器均采用mobus总线连接。核心模块控制和监控水闸电机、太阳能系统、gprs模块等的工作，实现水闸控制和与云平台远程通信。本系统用于具有自主知识产权的一体化的、采用太阳能电源、能通过云平台进行远程无线监控的、针对国内现有的小微型水闸在能效、控制方式、水量管理精度、通讯控制网络、建设费用等方面的不足，具有无线远程、可进行智能集群调度、低功耗、低造价、易布放等优势。

由于本系统开度采用可靠成熟的modbus模式采集数据，为此设定了两个中断，一个是uart通信中断，另一个是定时中断，这是因为modbus的协议没有相应的同步或通信控制机制，采用定时中断的目的是按照一定的时限判断各传感器是否及时应答。

在获得传感器应答信息后首先进行crc校验和时序校验，然后进行数据合理性校验，实现数据的高可靠性。如果出现错误则提供准确的错位代码。

本系统设定了定时中断timer4来控制采集功能节奏，timer4采用两种工作频率，在水闸停止且无操作的情况下，每秒（1000ms）一次轮询上下游水位、开度传感器，以达到低功耗运行的目的；在运行或有运行指令时，轮询周期变为100ms，以获得实时性较高的状态数据。

远程无线控制执行是一体化水闸的主要特色之一，模块集成了gprs模块，利用广泛分布的2g/3g网络可以实现灌区任意位置布放而无需敷设通信电缆，水闸通过无线线路接收和发送数据，实现实时水位开度流量监测上传和控制信息接受及执行，从而为集中智能水资源调度提供条件。gprs通信采用tcp连接，模块上电后自动寻找gprs网络，完成注册后云服务器请求连接，建立连接后上报本模块站号，其后定期向云服务器发送状态数据，接收调度指令，在状态没有发生变化时，为节省流量，仅发送短心跳包保持tcp连接，实现了低流量可靠连接和实时性较好的交互特性。

还包括云服务端监控模块，云服务端监控模块实时反馈服务端的各项状态，用户可以根据云服务端监控模块来了解服务端的运行状况。

还包括与云服务端监控模块连接的水闸状态监控平台，水闸状态监控平台能够实时返回各个闸门的各项数据信息，后期可以更加用户实际需要增加删除水闸数。

云服务端还转发网页操作界面、手机app的指令，实现办公室控制和移动端远程控制。手机app显示运行状态和实时运行数据及故障报警，即通过适当形式显示闸门开度、水位情况、流量、限位和报警等信息，并提供控制操作界面，可以在有授权情况下进行启闭闸门、变换开度、设定流量等操作。

云服务端还实现数据汇集、整理、存储和呈现。进行控制调度算法预研究，研究多种调度和控制策略调度算法。系统还能够接收各类终端发出的控制指令，经过处理后向一体化的水闸远程控制模块发送指令，并监控运行情况。模块将能够接受和及时处理报警信息，采取应急措施并向终端推送消息。

水闸为本系统控制对象，为实现低功耗太阳能驱动，采用直流电机拖动水闸运行，电机控制采用了成熟的直流电机控制模块，具有多种调速模式、刹车和转速控制，实现功能强大且安全的控制系统。直流电机控制模块采用modbus总线与核心控制器连接。

电机控制过程如下：

4)电机变速启动和停止：

本系统采用24v直流电机作为水闸动力，为提供系统可靠性，减少电流冲击，电机启动和停止均采用变速方式，启动时采用5秒爬坡启动，运行平稳精确。停止时则设置了3秒减速停车过程，由于水闸运行速度缓慢，本设定不会影响系统相应时间。

5)系统采用多种工作方式，分别是现场手动模式、现场自动开度控制、现场自动流量控制、现场自动水量控制、远程启闭控制、远程自动开度控制、远程自动流量控制、远程自动水量控制等。每种方式本软件都通过计算最终水闸位置数据，软件自动控制运行过程，直到达到预定工作开度，水量控制模式下还可以进行自动关闭。

6)闸门运行速度控制，本系统采用绝对编码器获得闸门开度，实时计算水闸运行速度，通过速度值监控水闸运行情况，计算停车位置。

故障检测过程如下：

4)各传感器通信检测

传感器反馈数据检测以下故障：

(3)发出req后无ack信号，即无响应故障，可能的故障原因是信号线故障、传感器死机和传感器站号错误等；

(4)接收到数据站号错，查询目标传感器和反馈传感器站号不一致，可能的原因是时序紊乱，倒错等；

5)数据正确性检验

反馈数据不合理，即测量值出现超大或超小数据等。

6)水闸状态检测，运行速度控制

(1)在水闸运行过程中计算和监视水闸运行速度是特殊功能，速度的合理性可以更见严谨准确的判断水闸运行状态。水闸启动和停止均采用加速方式，启动采用5秒加速运动，停止则采用3秒减速方式，减少了水闸运行电机产生的电流冲击，使运行平稳可靠。

(2)水闸运行故障检测：水闸运行方向和状态与指令不符，如指令是开启闸门，但传感器显示水闸静止；指令是水闸停止，而传感器显示水闸在移动。