本發(fā)明屬于水利工程領域，用于水利設施太陽能灌區(qū)水閘的控制系統(tǒng)，該水閘用于灌區(qū)、水渠、河道等水資源管理控制和防洪排澇等，由多個水閘和云服務系統(tǒng)可以實現(xiàn)灌區(qū)水資源智能管理調度。

背景技術：

水利工程關系著國計民生，水利工程和農業(yè)灌溉工程的一個重要組成部分就是中小微型水閘，是否能夠管理好中小微型水閘關系到我國廣大人民群眾的生命財產安全和農業(yè)穩(wěn)產增產，因此做好中小微型水閘的管理工作有重要意義。

隨著水利和農業(yè)的發(fā)展，對水閘高效、科學地管理和控制勢在必行，合理調配水資源不僅可以促進農業(yè)豐產也是人民生命安全的重要保障。

農田水渠是灌溉的主要方式之一，是大田主要水利設施，水渠水閘是灌區(qū)水資源分配主要機構，灌區(qū)水閘數(shù)量眾多，對于水資源高效利用、確保農業(yè)豐收意義巨大。目前已廣泛使用的水渠水閘有電動啟閉型、人力啟閉型，主體結構較為笨重，運行阻力很大，運行所需能量很大，需要使用有線供電或人力驅動，很難實現(xiàn)低功耗改造，這就給遠程信息化水利系統(tǒng)帶來很大困難，不利于灌區(qū)自動化信息化建設。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有水渠水閘存在的問題，在低功耗水閘本體基礎上配合本控制模塊，實現(xiàn)水閘多種控制方式，并進一步執(zhí)行遠程云控制，在云平臺的調度算法指揮控制下實現(xiàn)智能水資源管理，高效管理調度灌區(qū)灌溉工作，提升灌區(qū)智能化信息化水平。其具體技術方案如下：

一種用于太陽能灌區(qū)水閘的遠程控制系統(tǒng)，包括核心模塊、gprs模塊、直流電機控制模塊、開度傳感器、水位傳感器，所述gprs模塊、水位傳感器通過串行通信與核心模塊連接，直流電機控制模塊、開度傳感器及其他傳感器均采用mobus總線和核心模塊連接，核心模塊控制和監(jiān)控水閘電機、太陽能系統(tǒng)、gprs模塊等，實現(xiàn)水閘控制和與云平臺遠程通信。

進一步的，所述核心模塊采用stm32f103微控制器

進一步的，所述modbus總線設定兩個中斷：uart通信中斷、定時中斷。

進一步的，所述定時中斷在水閘停止且無操作的情況下，每秒一次輪詢上下游水位、開度傳感器，在運行或有運行指令時，輪詢周期變?yōu)?00ms。

進一步的，所述gprs模塊利用2g/3g網絡，水閘通過無線線路接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時水位開度流量監(jiān)測上傳和控制信息接受及執(zhí)行。

進一步的，所述gprs模塊通信采用tcp連接，上電后自動尋找gprs網絡，完成注冊后云服務器請求連接，建立連接后上報本模塊站號，其后定期向云服務器發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)，接收調度指令，在狀態(tài)沒有發(fā)生變化時，僅發(fā)送短心跳包保持tcp連接。

進一步的，還包括云服務端監(jiān)控模塊，云服務端監(jiān)控模塊實時反饋服務端的各項狀態(tài)，用戶根據(jù)云服務端監(jiān)控模塊來了解服務端的運行狀況。

進一步的，所述云服務端還轉發(fā)網頁操作界面、手機app的指令，實現(xiàn)辦公室控制和移動段遠程控制，手機app顯示運行狀態(tài)和實時運行數(shù)據(jù)及故障報警并提供控制操作界面，在授權情況下進行啟閉閘門、變換開度、設定流量等操作。

進一步的，所述直流電機控制模塊控制電機過程如下：

1)電機變速啟動和停止：

采用24v直流電機作為水閘動力，電機啟動和停止均采用變速方式，啟動時采用5秒爬坡啟動，運行平穩(wěn)精確，停止時則設置了3秒減速停車過程；

2)采用多種工作方式，分別是現(xiàn)場手動模式、現(xiàn)場自動開度控制、現(xiàn)場自動流量控制、現(xiàn)場自動水量控制、遠程啟閉控制、遠程自動開度控制、遠程自動流量控制、遠程自動水量控制；

3)閘門運行速度控制，采用絕對編碼器獲得閘門開度，實時計算水閘運行速度，通過速度值監(jiān)控水閘運行情況，計算停車位置。

進一步的，故障檢測過程如下：

1)各傳感器通信檢測：

傳感器反饋數(shù)據(jù)檢測以下故障：

(1)發(fā)出req后無ack信號，即無響應故障，可能的故障原因是信號線故障、傳感器死機和傳感器站號錯誤等；

(2)接收到數(shù)據(jù)站號錯，查詢目標傳感器和反饋傳感器站號不一致，可能的原因是時序紊亂，倒錯等；

2)數(shù)據(jù)正確性檢驗：

反饋數(shù)據(jù)不合理，即測量值出現(xiàn)超大或超小數(shù)據(jù)等；

3)水閘狀態(tài)檢測：

水閘運行故障檢測：水閘運行方向和狀態(tài)與指令不符，如指令是開啟閘門，但傳感器顯示水閘靜止；指令是水閘停止，而傳感器顯示水閘在移動。

本系統(tǒng)用于具有自主知識產權的一體化、不需要敷設電纜，采用太陽能電源、能通過云平臺進行遠程無線監(jiān)控的、可以實現(xiàn)具備多種控制策略的集中監(jiān)控的一體化小微型水閘系統(tǒng)，針對國內現(xiàn)有的小微型水閘在能效、控制方式、水量管理精度、通訊控制網絡等方面的不足，結合國內外同類產品的優(yōu)點，具有無線遠程與云平臺結合、低功耗等優(yōu)勢。

技術特點如下：

1)采用低成本低功耗的stm32系列嵌入式處理器，在水閘靜止且無操作時間歇休眠，實現(xiàn)綠色低功耗控制。

2)采用多種中斷方式控制系統(tǒng)工作節(jié)奏。

3)實現(xiàn)上位機操作，并及時采集運行信息，以備上報上位機。

4)功能豐富，操作簡便，合理裁剪漢字系統(tǒng)，界面信息豐富，功能設計科學合理。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的硬件系統(tǒng)結構圖；

圖2是本發(fā)明的軟件功能圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1和2所示，本發(fā)明的用于太陽能灌區(qū)水閘的遠程控制系統(tǒng)，包括核心模塊、gprs模塊、直流電機控制模塊、開度傳感器、水位傳感器。其中核心模塊采用stm32f103微控制器，gprs模塊、水位傳感器通過串行通信與核心模塊連接，直流電機控制模塊、開度傳感器及其他傳感器均采用mobus總線連接。核心模塊控制和監(jiān)控水閘電機、太陽能系統(tǒng)、gprs模塊等的工作，實現(xiàn)水閘控制和與云平臺遠程通信。本系統(tǒng)用于具有自主知識產權的一體化的、采用太陽能電源、能通過云平臺進行遠程無線監(jiān)控的、針對國內現(xiàn)有的小微型水閘在能效、控制方式、水量管理精度、通訊控制網絡、建設費用等方面的不足，具有無線遠程、可進行智能集群調度、低功耗、低造價、易布放等優(yōu)勢。

由于本系統(tǒng)開度采用可靠成熟的modbus模式采集數(shù)據(jù)，為此設定了兩個中斷，一個是uart通信中斷，另一個是定時中斷，這是因為modbus的協(xié)議沒有相應的同步或通信控制機制，采用定時中斷的目的是按照一定的時限判斷各傳感器是否及時應答。

在獲得傳感器應答信息后首先進行crc校驗和時序校驗，然后進行數(shù)據(jù)合理性校驗，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高可靠性。如果出現(xiàn)錯誤則提供準確的錯位代碼。

本系統(tǒng)設定了定時中斷timer4來控制采集功能節(jié)奏，timer4采用兩種工作頻率，在水閘停止且無操作的情況下，每秒（1000ms）一次輪詢上下游水位、開度傳感器，以達到低功耗運行的目的；在運行或有運行指令時，輪詢周期變?yōu)?00ms，以獲得實時性較高的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

遠程無線控制執(zhí)行是一體化水閘的主要特色之一，模塊集成了gprs模塊，利用廣泛分布的2g/3g網絡可以實現(xiàn)灌區(qū)任意位置布放而無需敷設通信電纜，水閘通過無線線路接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時水位開度流量監(jiān)測上傳和控制信息接受及執(zhí)行，從而為集中智能水資源調度提供條件。gprs通信采用tcp連接，模塊上電后自動尋找gprs網絡，完成注冊后云服務器請求連接，建立連接后上報本模塊站號，其后定期向云服務器發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)，接收調度指令，在狀態(tài)沒有發(fā)生變化時，為節(jié)省流量，僅發(fā)送短心跳包保持tcp連接，實現(xiàn)了低流量可靠連接和實時性較好的交互特性。

還包括云服務端監(jiān)控模塊，云服務端監(jiān)控模塊實時反饋服務端的各項狀態(tài)，用戶可以根據(jù)云服務端監(jiān)控模塊來了解服務端的運行狀況。

還包括與云服務端監(jiān)控模塊連接的水閘狀態(tài)監(jiān)控平臺，水閘狀態(tài)監(jiān)控平臺能夠實時返回各個閘門的各項數(shù)據(jù)信息，后期可以更加用戶實際需要增加刪除水閘數(shù)。

云服務端還轉發(fā)網頁操作界面、手機app的指令，實現(xiàn)辦公室控制和移動端遠程控制。手機app顯示運行狀態(tài)和實時運行數(shù)據(jù)及故障報警，即通過適當形式顯示閘門開度、水位情況、流量、限位和報警等信息，并提供控制操作界面，可以在有授權情況下進行啟閉閘門、變換開度、設定流量等操作。

云服務端還實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯集、整理、存儲和呈現(xiàn)。進行控制調度算法預研究，研究多種調度和控制策略調度算法。系統(tǒng)還能夠接收各類終端發(fā)出的控制指令，經過處理后向一體化的水閘遠程控制模塊發(fā)送指令，并監(jiān)控運行情況。模塊將能夠接受和及時處理報警信息，采取應急措施并向終端推送消息。

水閘為本系統(tǒng)控制對象，為實現(xiàn)低功耗太陽能驅動，采用直流電機拖動水閘運行，電機控制采用了成熟的直流電機控制模塊，具有多種調速模式、剎車和轉速控制，實現(xiàn)功能強大且安全的控制系統(tǒng)。直流電機控制模塊采用modbus總線與核心控制器連接。

電機控制過程如下：

4)電機變速啟動和停止：

本系統(tǒng)采用24v直流電機作為水閘動力，為提供系統(tǒng)可靠性，減少電流沖擊，電機啟動和停止均采用變速方式，啟動時采用5秒爬坡啟動，運行平穩(wěn)精確。停止時則設置了3秒減速停車過程，由于水閘運行速度緩慢，本設定不會影響系統(tǒng)相應時間。

5)系統(tǒng)采用多種工作方式，分別是現(xiàn)場手動模式、現(xiàn)場自動開度控制、現(xiàn)場自動流量控制、現(xiàn)場自動水量控制、遠程啟閉控制、遠程自動開度控制、遠程自動流量控制、遠程自動水量控制等。每種方式本軟件都通過計算最終水閘位置數(shù)據(jù)，軟件自動控制運行過程，直到達到預定工作開度，水量控制模式下還可以進行自動關閉。

6)閘門運行速度控制，本系統(tǒng)采用絕對編碼器獲得閘門開度，實時計算水閘運行速度，通過速度值監(jiān)控水閘運行情況，計算停車位置。

故障檢測過程如下：

4)各傳感器通信檢測

傳感器反饋數(shù)據(jù)檢測以下故障：

(3)發(fā)出req后無ack信號，即無響應故障，可能的故障原因是信號線故障、傳感器死機和傳感器站號錯誤等；

(4)接收到數(shù)據(jù)站號錯，查詢目標傳感器和反饋傳感器站號不一致，可能的原因是時序紊亂，倒錯等；

5)數(shù)據(jù)正確性檢驗

反饋數(shù)據(jù)不合理，即測量值出現(xiàn)超大或超小數(shù)據(jù)等。

6)水閘狀態(tài)檢測，運行速度控制

(1)在水閘運行過程中計算和監(jiān)視水閘運行速度是特殊功能，速度的合理性可以更見嚴謹準確的判斷水閘運行狀態(tài)。水閘啟動和停止均采用加速方式，啟動采用5秒加速運動，停止則采用3秒減速方式，減少了水閘運行電機產生的電流沖擊，使運行平穩(wěn)可靠。

(2)水閘運行故障檢測：水閘運行方向和狀態(tài)與指令不符，如指令是開啟閘門，但傳感器顯示水閘靜止；指令是水閘停止，而傳感器顯示水閘在移動。