嵌入式太阳能闸门控制设备设计

王智闻 ，关 星 ，张晓飞

（1. 湖北楚禹水务科技有限公司，湖北 荆门 448156；

2. 中国船舶重工集团公司第七二二研究所测控技术事业部，湖北 武汉 430079）

0 引言

嵌入式太阳能闸门控制系统（以下简称闸控系统）属于灌区信息管理平台的一部分，以“互联网 + ”的思维，将传统的闸站改造成为智能、互联的新型闸站，使管理者可以随时随地了解闸站的状态，精准控制闸站的闸位。

设计的闸控系统定位为精确计量和精准控制的农田灌溉设备，被控闸门可以是铸铁平板门、弧形门，提升方式可以是液压式和螺杆式。实用的闸门宽度为 0.3～1.5 m，适用于地处偏僻且无交流电供电的小型闸门，结构简单，价格低廉，节能环保。通过实时传输数据，使远程控制操作人员对闸门状态了如指掌，为远程安全精准控制闸门提供了保障。太阳能闸门控制设备经 GPRS 接收控制命令，可通过电脑或被授权的移动设备（如手机）随时远程控制闸门开度，通过太阳能对蓄电池浮充驱动直流电机启闭闸门，控制闸门运动，同时保留手动启闭闸门功能。管理平台根据收集到的各种水文数据，确定水资源优化配置、调度、控制的不同方案，为水库、灌区、河道、渠道供水管理决策提供数据支撑。闸控系统能确保闸门的远程合理控制，对防汛抗旱和农业水利自动化灌溉有着重要的意义。

1 闸控系统设计

闸控系统由以下4个部分组成：

1）太阳能闸控站。由控制箱、电池箱、电控闸门、串口摄像头、拉绳式闸位计、太阳能电池板等设备组成，可根据实际使用环境需要接入电磁式、超声波式流量计，浮子式、压力式、超声波水位计等传感器。控制箱内包含控制电路、远程控制闸门和通讯设备等。

2）中心站采集监控软件。安装在管理平台的前置机服务器上，太阳能闸控站通过互联网接入到该软件。

3）Web 管理平台。安装在管理中心的 Web 服务器上，用户可以通过互联网使用电脑、手机或平板访问 Web 管理平台，通过该平台软件远程操控各太阳能闸控站。

4）平台数据库。安装在管理平台的数据库服务器上（和前置机服务器可合二为一），用来存储系统数据。

闸控系统网络拓扑图如图1所示。

图1 太阳能闸控系统网络拓扑图

2 闸控设备硬件设计

闸控设备硬件组成如图2所示，包括主控、电源、无线通信和液晶显示器（LCD）等模块，以及传感器数据和图像采集、电机驱动、限位开关等接口[1]。

图2 闸控设备硬件组成

2.1 闸门控制器的任务

闸门控制器的任务如下：

1）采集闸门信息和前后水位及现场情况，可通过闸位、水位等传感器和摄像头模块完成，然后将这些数据和图片在用户设定的时间间隔内发送到中心站监控软件。通过闸后水位和堰槽的形状，可计算出流量，实现测流功能。

2）接收中心站采集监控软件远程发来的各种命令，按照预期目标对各个控制设备发出控制信号。

3）通过与工控 LCD 的现场热插拔连接，可以随时显示相关数据，操作人员在现场控制模式下可以手动输入闸门高度对闸门进行控制。

4）数据传输功能由负责数据传输的 GPRS DTU完成，主要实现闸门控制器与中心站监控软件之间的对话。为达到更好的传输效果，在网络条件好的地区可以采用 3G/4G DTU。在本设计中，GPRS DTU 将闸门控制器采集到的水情、闸位等数据和现场图片发送到中心站监控软件，同时要求传送中心站监控软件给闸门控制器下达控制指令，使闸门控制和监测能形成闭环。

2.2 闸控设备的选型

闸门控制器是闸门控制系统中广泛使用的核心设备，一般采用 PLC 或 RTU 作为控制器。

PLC 可编程序控制器是为在工业环境中应用而设计的一种数字操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，通过数字式或模拟式的输入输出控制各种类型的机械设备或生产过程[2]。

RTU 一般由行业专业公司开发，针对具体系统的接口能力较强。该装置具有功耗低，睡眠功能强，集成度高，可靠性高，使用维护方便，对工作环境适应性强等优点，是其他设备无可比拟的优点。RTU 完成对测量参数的数据采集、存储（显示）和传输控制，并通过通信设备和信道完成数据传输。

PLC 在闸控系统中最大的问题在于功耗较高，必须引入市电才能较好地实现整套系统的运行。而在国内有很多小渠道并没有引入市电，如果要加入市电，改造成本会升高。目前低功耗的 RTU 由于ARM 芯片性能的不断改进，运算性能和实时性都可以得到保障，所以在本设计采用 RTU 作为闸控设备。

2. 3 主控芯片的选用

远程控制闸门设备的主控芯片采用基于 ARM Cortex-M4 内核的 32 位微控制器 MK60DN512[3]。ARM Cortex-M4 处理器内核是在 Cortex-M3 内核基础上发展起来的，性能比 Cortex-M3 提高了 20%，新增加了浮点、DSP（数字信号处理）、并行计算等功能，用以满足需要有效且易于使用的控制和信号处理功能混合的数字信号控制市场，其高效的信号处理功能可与 Cortex-M 处理器系列的低功耗、低成本和易于使用的优点相结合。Cortex-M4 的 DSP 性能比 16 位 DSP 芯片好，但不及 32 位 DSP 芯片。Cortex-M4 微控制器的目标应用包括电机控制、汽车电子、电源管理、嵌入式音频及工业自动化，基于该架构的 MK60DN512 操作频率可达 100 MHz，1.25 DMIPS/ MHz 的 DSP 指令，具有3级流水线和哈佛结构，带独立的本地指令和数据总线，以及用于外设的第3条总线，使得代码执行速度高达1.25 MIPS/MHz，并包含1个支持随机跳转的内部预取指令单元。此外提供丰富的外设和 10 种低功耗操作模式，通过优化外部设备执行和唤醒时间延长电池寿命，使其非常适用于要求高度集成和低功耗的嵌入式场合。

2.4 传感器信号接口的设计

1）0～5 V 差分信号输入接口。信号经电子开关，控制每一路的导通，从而将该路模拟信号接入后端的高精度运算放大器，进行差分放大运算，然后由 CPU 的 AD 部分进行 AD 转换，得出该路传感器的状态，输出相应的结果，可接入闸门开度传感器[4]。

2）4～20 mA 电流信号接口。电流信号处理电路，内部放置高精密度电阻，该电流信号流经此高精密度电阻时，将产生一定的压降，此时，放大高精密度电阻两端的电压差，由分式可运算得出流经该高精密度电阻的电流，从而测得外部电流信号的值。可作为采集传感器数据的接口使用。

3）RS-485 通讯接口。由于 RS-485 信号为差分信号，闸控系统使用 MAX3485 芯片与外部信号进行通讯，可直接与使用 RS-485 串口输出的传感器相连，进行数据通信，也可作为采集传感器数据的接口使用。

4）RS-232 接口。闸控系统采用 MAX232 芯片完成接口电平的转换，通过 MAX232 芯片可直接与电脑 232 串口或使用 RS-232 串口输出的传感器相连进行数据通信。

3 闸控设备软件设计

3.1 软件功能和工作流程

3.1.1 软件功能

太阳能闸门监控站主要实现如下功能：

1）采集闸门开度、状态及上下游水位等各类实时参数与状态信号。

2）本地和远程控制功能。可将设备设置为本地和远程控制模式。在现场控制模式下，太阳能闸门控制设备根据现场显示屏的设定值，控制闸门运动至指定的高度。在远程控制模式下，太阳能闸门控制设备收到中心站软件下发的命令，控制闸门运动至指定的高度。

3）闸门超限保护功能。当闸门到达上下限位时，检测到电流过大时，闸门运行时间超过设定限制时，可自动停机。

4）现场实时监控功能。可随时召测图片作为现场运行状态的参考。

3.1.2 工作流程

闸门控制设备的工作模式分为远程控制和本地控制2种互斥的状态，只能在现场设置控制状态。当设备处于现场控制状态时，远程对闸门的控制失效，只有远程采集数据的功能；当现场将设备设置成远程控制时，现场控制上升，下降失效，但可在现场停止闸门。

1）远程控制模式状态。工作流程如下：

a. 在中心站没有下发闸位控制命令，并且闸门无动作时，按照设定时间定时上报数据。如果用户下发召测命令，实时上报召测数据。

b. 在中心站下发闸位控制命令后，闸门控制设备采集当前闸位，根据当前闸位与中心站下发的闸位值进行比较控制闸门动作。在闸门运动过程中不执行拍照和其他召测指令，每隔 5 s 采集1次闸位、水位和状态并上报中心站，根据采集到的闸位、上下限判断闸门是否停止。闸门停止后恢复定时上报功能；如果闸门控制设备收到停止指令，则立即控制闸门停止。

c. 在工作、闸门、超限等状态发生变化时，要实时上报1次状态、水位、闸位数据。

d. 当闸门控制设备检测到上下限时，控制闸门停止动作。

2）现场控制模式状态。工作流程如下：a. 闸门无动作时，与远程控制模式相同。

b. 当用户操作闸门动作时，每隔 5 s 采集1次闸位、水位和状态数据，刷新串口屏幕，不用上报中心站。闸门动作时不进行拍照处理，按照设置定时上报数据，此时远程控制状态失效。

在远程和现场控制2种模式下工作时，要采取以下保护措施；在闸门上升、下降操作时，如闸位在 5 s 内没有变动，报警停机；如电流过大，报警停机；如闸门动作超过设定的时间，报警停机。如果红外检测设备检测到有人进入闸房，闸门控制设备启动拍照功能，启动闸房内摄像头进行拍照。

3.2 软件模块设计

整个设备软件采用模块化设计思想，软件功能模块如图3所示。嵌入式控制软件有数据采集、闸门控制、拍照流程和人机交互等功能，这些功能需要用到系统底层的各种硬件驱动程序。

图3 远程闸门控制设备软件功能模块图

3.2.1 数据采集

本部分实现对闸门开度，上下游水位、设备工作电压、电流等要素的采集。数据采集任务开始时会对传感器的电信号接口进行初始化，如果闸门控制系统处于远程控制状态且没有动作，则按照设定的采集周期采集传感器产生的电信号，按照各采集通道配置的公式对采集到的数据进行处理，实现工程量到要素量的转换[4]。经过检查后发现数据有效就添加时间标签并存储，如果达到上报条件就将数据上报给中心站，此次数据采集结束。在一次采集完成后，CPU 回到空闲状态，如果闸门正在动作（上升或下降），或者闸控系统处于现场控制状态，则数据采集任务会循环采集发送数据，直到闸门恢复远程控制状态且没有动作。对于闸门开度、上下游水位、设备工作电压、电流要素的采集，程序是通过时间定时器的方式实现的。当采集时间定时器定时时间到，开始采集的动作。对于闸门的状态，如上升、下降、停止等信号量是通过中断的方式检测的。如果这些状态信号量发生了高低电平的变化被主控芯片检测到，程序就会记录这些状态。

3.2.2 闸门控制

本部分可实现对闸门开度的远程控制。在闸门控制系统处于远程控制的状态下，中心站下发设定的闸门开度（es），此时闸门控制设备会检测当前闸门的开度（e）与其比较。如果e＜es，闸控设备会控制电机正转，将闸门拉高，并将循环检测e，和es进行比较，此时，如果检测到e≥es，闸控设备会控制电机停止转动；如果e＞es，闸控设备会控制电机反转，将闸门拉低，并将循环检测e，和es进行比较，此时，如果检测到e≤e，闸控设备会控制电机停止转动。当es和e的差值在 0.5 mm 的范围内，认为无需控制电机转动。闸门控制设备在闸门运动的过程中需要检测限位开关的状态。当检测到限位开关信号发生变化时，表明闸门开度已经到闸门的限位值，此时闸门控制设备会控制电机立即停止转动。

3.2.3 拍照流程

在拍照流程的设计上有以下2种方案：

1）方案 1。中心站查询图片数据时，在设备收到查询请求后，连续发出多包报文，中心站如果正确接收全部数据包，仅应回答1次确认报文；若有错误数据包，中心站应发送包括错误数据包序列号（每包单独重发）的响应包，设备重发相应序列号数据包，最多重发2次。

2）方案 2。中心站发出查询请求报文后，遥测站接收请求报文正确，应发送响应帧；如遥测站接收请求报文无效，则不响应。中心站最多重发2次，如果还没有收到设备的响应帧，则这次传输失败[5]。

这2种方案各有优缺点，方案1传输速度比较快，但在网络环境不是很好的情况下，容易出现掉包的情况，需要进行数据重传；方案2传输比较可靠，每一帧都有应答，但传输速率比较低，影响客户体验。对大小为 56 kbyte 的同一张图片采用2种方案进行对比实验，实际测试结果如表1所示。经过对比实验后，选择方案 1。

表1 图像传输对比测试数据

3.2.4 人机交互

通过人机交互功能，操作人员在现场可直接通过现场的工控屏对闸控系统的数据进行直观的观察和控制，可观察到实时水位、闸位、流量、各种报警状态，以及控制闸门的升降停动作。

工控 LCD 通过 232 串口和 CPU 连接，通过Modbus 协议进行数据的交互。通过工控 LCD 控制闸门的停止状态时，为保证停止的及时性，CPU 通过串口中断及时采集到工控 LCD 发出的停止指令，使响应时间控制在1s 以内。

3.2.5 功耗控制

由于是太阳能供电，要求在无日照情况下，闸门从全闭到全开再到全闭时间控制在 30 min 内，每天工作2次，可正常运行 15 d。按照这个要求，从闸门尺寸、电机效率、易维护和稳定可靠角度出发，配备不同功率的太阳能板和不同数量的蓄电池，同时软件也对设备本身工作模式、传感器和摄像头的供电进行优化，降低控制设备的功耗。当控制设备没有任何外部中断和操作时，5 min 后控制设备进入掉电模式，同时关闭所有传感器和摄像头的电源。如果收到外部的中断，则激活设备，恢复到正常工作模式，并按照收到中断的类型完成相应的流程。如果采集定时器定时时间到，也激活设备，并打开传感器电源，对传感器信息进行采集，数据采集完成后，关闭外部供电电源。如果摄像头定时器定时时间到，则激活设备，打开摄像头电源，进行拍照，拍照结束后，关闭摄像头供电电源。

按照设计内容，测量出的闸门控制设备静态工作电流为 15 mA ，工作电流为 70 mA，工作电压为12 V；电动机功率为 DC 24 V/300 W。在实际使用中典型闸门尺寸约为 500 mm ×500 mm。采用2块DC 12 V 容量为 65 •h 的蓄电池以串联方式作为电源，配备 24 V/100 W 太阳能充电板可在系统要求条件下工作。

4 结语

基于 MK60DN512 开发的太阳能闸门控制设备，可在现场或远程精准控制闸门开度，估算过闸流量，目前已在湖北省多个灌区进行应用，应用结果显示：该设备可快速响应用水户需求，大大缩短管水员开闸放水响应时间，减少管理人员劳动强度，实现精准控水。与传统的 PLC 控制设备相比，特别适用于闸门数量多，路途远，无市电的环境，具有广阔的应用前景。如果该设备采用 3G/4G 的通讯方式，可进一步提高远程操作的响应速度，优化用户体验。

[1] 张从鹏，岳向泉，罗学科，等. 基于 ARM 的远程自动控制计量闸门控制系统[J]. 仪表技术与传感器， 2014 (2):57-58，79.

[2] 李蜀燕. 浅谈可编程控制器在机组自动化操作中的应用[J]. 无线通信技术，2005，14 (3): 60-62.

[3] 杨熙，苏勇，刘屹霄. 嵌入式软件设计入门与进阶——基于 Kinetis K60/K64[M]. 北京：清华大学出版社，2017:2-4.

[4] 关星，宋威，刘刚. Cortex-M3 低功耗水文遥测终端机的设计[J]. 计算机测量与控制，2013 (2): 2901-2903.

[5] 水利部水文局. 水文监测数据通信规约：SL 651—2014[S].北京：中华人民共和国水利部，2014: 9-10.