基于水流发电的自充电式电动阀门设计

陈显祥

（贵州商学院计算机与信息工程，贵州贵阳550000）

近几年，国家加大了对农业灌溉设施的投入力度，在发展农业灌溉中遇到了许多问题：一是投入严重不足，由于种植农田效益较低，农民根本没有多余的资金投入到节水灌溉设备中。二是节水灌溉技术基础研究落后，大数据、集约化等高新技术应用较少，其配套设备选择余地少且维护起来较为复杂，从而限制了阀门系统在灌溉领域中的应用。在阀门控制方面，目前应用较多的是电磁阀，实践证明电磁阀仅适用于水量较少、水质比较干净的室内灌溉，对于水质差，地形复杂的中国存在一定的使用局限性。另外，电磁阀的开启状态下需要电压进行维持。

由于电磁阀是电磁阀控制重要核心构件，一旦损害就意味着整个电磁阀不可用，直接造成灌溉成本的上升。以上种种原因，这就影响电磁阀使用的普遍性及我国地貌多元化的特点。为此，将电磁阀替换为电机控制水流开关，无需外接电源，在水资源的循环利用上有了大大的提高，能很好地解决电磁阀使用受限的问题。

1 系统结构及工作原理

1.1 系统结构

系统结构如图1所示。

水流自充电式阀门系统由包括阀体，阀芯、发电机、叶片、电机、导槽体、电池，滤芯等部件组成。

1.2 工作原理

当阀门处于开启状态时，管内水流冲击带动水力发电机叶片转动，发电机通过磁感应原理发电。此时，发电机产生电能为阀门电池充电。同时，当灌溉系统工作时，留有上次储存电量的电池作为电源驱动电机，电机带动导槽体上下运动，可控制先导阀腔体充水和放水。充水时，阀芯向下运动关闭阀门，放水时，利用水力自平衡原理，可使阀芯向上运动以打开阀门。

1.2.1 水力自平衡阀门工作原理

水力自平衡阀门的原理是在一定的流量范围内，通过阀门的自动调节动作，使阀门系统压差增大；当压差开始减小，阀门自动开大，使压差仍保持恒定。

水流自充电式阀门的水力自平衡开闭实现方式如下：

在阀门开启过程中，电机转动使同步带带动导槽体运动，进水腔体的孔道3与导槽腔体的孔道4连通，孔道4与外界相通，水流在阀体弹簧的自恢复力作用和进水腔体内水流压力减小同时作用的情况下，阀门缓慢开启。

当阀门关闭时，电机转动使同步带带动导槽体运动，进水腔体的孔道3与导槽腔体的孔道2连通，进水侧通过导槽腔体与进水腔体连通，阀门进水腔体上端面积设计为球面，下端设计为平面，在水力压力相同情况下，阀门上端面积大于下端面积，即上端水流压力大于下端压力，从而实现阀门的自动关闭，截断水流通过阀体管道。阀门俯视如图2所示。

1.2.2 发电机工作原理

发电机腔体布置在进水前端，管道一侧，水力发电机布置于发电机腔体内，发电机定子固定，转子与叶片相连，水流发电机经过水流冲击叶片旋转提供给电能存储模块进行自充电功能。

图2 阀门俯视图结构

进水腔体底部有孔道1与阀体管道相通，侧壁有孔道2与导槽腔体相通，水流经过底部孔道1进入腔体滤芯，经滤芯过滤后可通过侧壁孔道2进入导槽腔体。

1.2.3 导体槽工作原理

电动机与导槽体通过同步带连接，电机控制导槽体上下运动。导槽腔体侧壁有3个孔道，孔道2是与进水腔相通，孔道3是与先导阀腔体相通，孔道4是排水，且与3孔道在同一水平面上。

导槽体上有两个导槽，上导槽可与孔道2、孔道3相通，下导槽可与孔道3及相通。当电机带动导槽体运动至上导槽中心面与3孔道中心线同一水平面时，先导阀腔体充水，阀芯向下运动时阀门关闭；当电机代动导槽体下导槽中心面与3孔道中心线同一水平面时，先导阀腔体排水，阀芯向上运动使阀门打开。

导槽体结构如图3所示。

图3 导槽体结构示意图

1）传动电机选型计算

TL（DX（M+G））/（ηXiX2）（Kgf·cm）

M：负载重量（Kg），G：输送带+传动齿轮重量（Kg），D：驱动导体槽螺杆直径（CM），i：减速比，η：效率（0.9），TL驱动力矩。通过公式计算便可选取对应电机进行传动。

2）同步带选型

同步带传动是综合了带传动、链传动以及齿轮传动优点的一种传动方式，它兼有摩擦型带传动的优点，能保持恒定的传动比，而且结构简单，传动平稳，在电机与导槽体轴连过程中能缓冲吸振，可以实现电机小轴与导槽控制旋转轴之间很好的传递动力，且价格低廉。无需润滑、维护方便等特点。

由于设计中采用小轮带大轮的结构，要求传动的承载能力较高，长期使用，皮带自身的抗疲劳性能要好、使用寿命相对较长，所以对皮带芯材料的强度要求较高，所以采用高扭矩橡胶同步带作为传动带。

2 通讯模块

由于阀门灌溉系统分布广泛，采用有线方式进行架构将产生巨大的成本及布线困难，不便于维护和管理，自充电系统也省去阀门控制系统的供电问题[14-15]。

阀门控制是采用小型直流电机来驱动阀门导槽体的上下移动，从而控制阀门的开关。当电机正转时带动导槽向下移动时，导槽体运动到指定位置时可打开阀门，反之当电机正转时带动导槽向上移动，导槽体运动到顶部位置时可关闭阀门。电机使用3 V电源供电，空载电流约350 mA，堵转电流约1.3 A，短时间内堵转不会烧坏电机。因此通过I/O口驱动H桥电路控制电机正反转来实现对阀门的开关控制。在驱动导槽体上下运动时，驱动时间需要略大于导槽体完成行程时间，以保证对阀门的完全打开和完全关闭。

无线网络通讯部分采用了DL-LN33无线自组网模块作为数据传输媒介，该模块是一款基于UART接口的无线传输模块，采用TI的CC2530芯片，工作在2 400～2 450 MHz公用频段，符合IEEE 802.15.4协议，支持无线自组网多跳传输[16-17]。DLLN33无线自组网模块上电自动组网，模块工作时，会与周围的模块自动组成一个无线多跳网络，此网络为对等网络，不需要中心节点；微控制器（mcu）通过UART告诉模块目标地址和待发数据，模块会通过网络选择最优路径，将信息传输给目标模块，而目标模块能通过UART输出源地址和数据。

阀门的开/关需要通过上位机指令来对其控制，上位机指令则依赖于无线通讯网络来完成。每个阀门控制单元均有自己唯一的网络地址，上位机通过无线通讯网络向目标地址阀门控制单元发送：地址+数据或地址+指令，对目标节点进行指令或数据的传输。如上位机A需要控制阀门B打开，首先上位机需要通过对主机配置好B的网络地址，以及需要对B操作的指令，然后通过UART发送给上位机端发送模块处理，当上位机发送模块接收到数据后对数据打包处理并发送，此过程无线自组网络自动寻找目标地址最佳路径并自动对地址进行校验。匹配成功以后接收端对数据进行解码然后得到相应数据或指令，即可对阀门做出相应控制动作。

通讯模式如图4所示。

图4 无线通讯模块工作原理

3 储能单元

储能单元与水流发电机直接连接，用于储存发水流发电机产生输出的电能量。

储能单元包括连接发电机的整流模块和充电模块，储能单元电路见图5。

图5 储能单元电路原理图

储能单元包括过电流保护二极管D1、电容C1、电流转换芯片IC1、电容C2以及充电模块。储能单元工作原理为：输入端连接水流发电机，水流发电机输出电压经转换电路IC1转换为5 V和3.3 V电压输出，同时给充电模块进行蓄电池充电，充电模块设置过压保护功能，充电完成后自动停止充电。设计采用电流转换芯片AM1117和LM7805芯片。当储能单元工作时有以下输出模式：

1）当阀门未打开时，水流发电机在首次使用时未进行储能模块充电，水流发电机输出不能带动传动电机实现开阀操作，则储能单元（安装时内部已提前储存能量）直接供电传动电机实现开阀操作。

2）当水流发电机正常工作后，水流发电机直接供给传动电机实现关阀操作。

4 自充电式电动阀门在农田灌溉系统中的适应性

1）取材方便、成本较低。阀体采用自平衡液压阀门，讲机械式手动操作利用电动机带动同步带进行替换，电机使用3 V电源供电，空载电流约350 mA，堵转电流约1.3 A。无论是液压阀门还是电机，都为市场上常见产品，保证了维护材料的易得性，且价格能被普通大众所接待。

2）阀体可靠，使用寿命长。液压自平衡阀门属于工业级产品，阀体本身能承受较高水压，自充电式电动阀门能承受215 MPa的压力，阀体本身采用铸铁制作，机械强度及耐腐蚀性能得到很好的保障。阀体连接处内置使用耐腐蚀、抗老化密封橡胶。在电机控制方面，传动电机工作时间和频率较少，一般只作阀门的开关工作时短短的时间使用，其它时间传动电机一直处于掉电休眠状态。综合以上液压自平衡阀门和电机传动的控制方式，分析控制指标，自充电式电动阀门使用寿命较长，满足设计要求。

3）关闭严密，能适应复杂水质条件，维护简便。充电式电动阀门的阀体本身通过水力自平衡实现阀门的开/关，前端通过水流流经阀门的不同阀门腔体，改变上下腔的压力实现阀门动作，阀门的开关平稳，只需保证前端电机控制精准，便可实现阀门在关闭时的严密性。常用的阀门控制系统使用的电磁阀对水流的纯净度有较高要求，在农田灌溉系统中由于水量集中、水源复杂、杂质较多等容易造成阀门堵塞，直接影响阀门的密封性，常用方式为前端加装滤网来实现净水功能，这样就会导致当滤网堵塞时产生水流中断的危险，切不便于维护。而液压自平衡阀门则无需将滤网加装在阀体前端，减轻了清理难度，便于维护。

4）降低水力冲击对阀门的损伤。阀门设计上，开启和关闭过程都较为平稳，且阀门开启速度可控，阀门为逐级开启，水流呈现缓慢增大的过程，降低了水锤作用对阀门本体几管道的冲击，保证了管道不会因为局部压力过大而导致的爆裂危险，延长了灌溉系统的使用寿命。

5）通过组网通讯方式，在灌溉系统的各阀门控制上实现每组阀门对应相应控制输出，形成集中控制模式，对于水资源的优化分配起到了至关重要的作用，能适应分布广袤，复杂多变的地形，得到很好的普及。

6）阀门可根据用户需求设置不同的规格与口径大小。由液压自平衡阀门的工作原理可知，其口径的大小仅与阀体上端水压的大小有关，处于安全方面考虑，一般采用阀门全开或全关两种状态，不进行流量调节。由于农田地形及需求灌溉的多样性，对于不同大小的地块，不同的用户，可以选择不同孔径的管道进行灌溉网络铺设，可以提供口径大小不等、规格多样的自动阀门，且各种口径的阀门其输水量是可以确定的。为定时定量管理用水提供技术保障。

5 结束语

自充电式电动阀门通过管道水流本身的压力差，带动发电机发电，解决了普通阀门和通讯单元的供电问题，属于低碳可循环式的能源利用模式，对环境不产生污染性影响。利用水流自平衡原理，实现了阀门的液压控制模式，解决了偏远地区受灌溉机械化的局限性。自充电式阀门除了在资源的高效利用方面进行了智能的优化处理，同时采用现有物联网技术，解决了灌溉系统最后一公里的目的，利用在线监测水力发电装置发电量的统计，可以及时发现供水管道存在的水质及管道是否堵塞进行数据挖掘和处理，也给未来的阀门控制系统与发电设备的有机结合提供了重要的参考。

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