基于4G的无线遥控电磁阀设计与实现*

陈 川，卢 鑫，郭翔宇，樊 毅，阚 飞，王 斌

(1.四川省都江堰人民渠第二管理处，四川 德阳，618000；2.四川省水利科学研究院，成都，610072；3.浙江禹贡信息科技有限公司，杭州，310000)

1 引言

近年来，随着农业现代化程度的提升，传统的农业灌溉方式已经不能满足现代化农业的需求，精准灌溉技术也随着物联网和电子技术迅猛发展变得更加可行，电磁阀控制系统已成为解决农业精准灌溉的主要手段，传统电磁阀控制主要通过手动控制电磁阀供电的导通性控制电磁阀打开和关闭。随着物联网、电子控制技术的发展，设计专用微控制器智能单独控制电磁阀开闭，使用脉冲宽度调制法来控制电磁阀的开启和关闭时间，根据不同的策略可实现电磁阀的任意角度控制[1，2]。因此，开展以地面实测土壤墒情数据为输入、以新型网络传输技术为载体的灌溉自动化控制装置研发技术可行，且很有必要。

国内外对电磁阀控制方法的研究较多，如Rahman等[3]提出动态自适应反推和滑模控制两种控制PWM电磁阀方案，提高电磁阀调节气缸的性能，实验结果表明滑模控制的方案效果最佳；Braun等[4]提出一种用于双电磁阀控制的分布式参数方法，通过调节参数精准控制电磁阀，电磁阀响应更快；孙成伟等[5]分析电流对电磁阀控制精度的影响，并提出通过改变线圈电流增加电磁阀控制精度的方法；蒋焕煜等[6]提出基于响应面法优化电磁阀响应时间的方案，利用脉冲宽度调制法实现变量喷雾，并提出改变电磁阀电压、PWM占空比等参数优化电磁阀响应时间，提高变量喷雾的精准性；蒋斌等[7]研究在PWM间歇喷雾式变量喷施过程中，电磁阀通径对变量喷雾的影响，并用实验证明在系统压力与喷头流量一定时，随着电磁阀通径减小，压力波动均值减小，压力波动程度增大；高术森等[8]基于STM32设计电磁阀控制系统，该系统基于STM32微处理器芯片设计电路，使用CAN总线进行数据通信，通过调节输出脉冲占空比控制电磁阀打开和关闭的时间。针对电磁阀控制中误差问题，谢振伟等[9]提出一种基于前馈补偿的比例电磁阀控制方法，旨在解决电磁阀控制中受到外界干扰导致的控制误差问题。综上所述，电磁控制技术已在喷雾等方面得到广泛研究和应用，但围绕节水灌溉控制的相关研究相对较少。

随着无线通信技术的发展，移动运营商提供的无线网络实现远程监控和数据传输已被广泛应用于各个领域。通用分组无线业务(General Packet Radio Service， 4G)是在现有GSM系统上发展出来的一种分组数据承载业务，4G网络具有实时在线、接入速度快、传输速率高、计费合理、快捷登录等诸多优点[10]。为此，笔者设计了一款以无线遥控技术为核心的高效智能灌溉控制系统。该系统利用无线通信技术和嵌入式开发相关知识，以实测的土壤水分为基础，根据作物生长周期的差异，对其进行适时和适量的浇灌，可减小人工成本，节约资源，从而实现电磁阀的自动化控制，提高农业温室设施的自动化程度。

2 总体设计

2.1 设计目标

方案设计旨在利用先进的互联网、物联网、自动化控制、信息化等技术，结合SaaS服务、Web Service技术、嵌入式微机控制技术等，实现一套闭环的远程自动灌溉控制系统。系统建设完成后，通过建立土壤湿度及电磁阀开度之间的模型，基本实现基于土壤湿度的作物需水量判断，以及基于作物需水量的管道控制策略制定，实现整个系统完全自动化、闭环化的控制。

2.2 设计思路

方案设计的温室灌溉控制系统由5个模块组成，既数据采集模块、单片机处理模块、无线传输模块、控制驱动模块。其中，数据采集模块主要功能是通过湿度传感器实时检测温室土壤的含水量信息，经模/数转换处理后，作为控制系统的输入信号；单片机处理模块将输入信号反馈给上位机；无线通讯模块利用串行通信方式完成上位机与下位控制板的数据传输功能，同时也可实现人工监控和历史数据记录等功能；控制驱动模块接收单片机发出的指令，经放大后驱动电磁阀开启或关闭，执行灌溉任务。

方案设计的遥控电磁阀在接收到云主机发过来的灌溉控制命令后，会按照系统设计的符合Modbus RTU遥测终端协议的通信协议解析命令帧和数据帧，并完成相应的动作即打开或关闭电磁阀，完成灌水任务，同时向云主机反馈电磁阀的工作状态，从而实施精准灌溉、适量灌溉，达到降低水资源损耗的目的。系统能够实时监测土壤水分含量，并科学地做出决策，在土壤水分超过作物需求的限值范围时，能自动、及时地控制执行机构进行调节，满足作物生长需求；具有显示装置，实时显示土壤水分信息，方便用户观察；能根据作物需要人为设定土壤水分范围数值；有报警功能，在灌溉系统故障时及时提醒用户，进行人工干预；使用方便，经济实惠。

3 分项设计

方案设计的遥控电磁阀主要由电磁阀及相关配套的电磁阀PE配件、遥测终端及控制箱、支持无线通信的互联网流量卡组成。

表1 遥控电磁阀主要组成

3.1 电磁阀

电磁阀是流体自动化控制系统中的基础原件，属于控制器件，在液压、气压系统中起着十分重要的作用。方案所采用的电磁阀为水下专用电磁阀，采用真空塑封线圈并用防漏结构确保水下动作的安全性能，电磁阀为常闭状态，为了使电磁阀正常打开，电磁线圈流过的电流需产生足够强度的磁场，使电磁阀上的动铁和定铁吸合。电磁阀的动作方式采用先导式膜片结构具有启闭迅速，性能稳定，使用方便，可靠性高等特点。电磁阀选用电压采用直流24V电压，并用电磁阀PE配件将其与供水管网的主管道相连接，支管从主管接出。

由于常闭电磁阀阀芯在动作过程中受到电磁惯性和机械惯性的影响，在电磁阀动作过程中，阀芯主要受到电磁力、液压力、弹簧力、阻尼力的作用。为了缩短电磁阀的开启响应时间，需要在阀芯动作时提供较大的电磁力。

3.2 遥测终端

遥测终端是集成了数据信息采集、信息处理、信息查询以及远程控制功能与一体的，由微处理器控制的遥测数据设备。遥测终端是整个控制系统的核心，主要负责对实时采集的温室土壤湿度数据信息进行处理，输出执行灌溉控制信号，并将信息上传给上位机进行记录和存储，同时将状态信息传至人机交互模块进行显示。

方案采用的遥测终端集成了无线通信模块(4G)，采用32位ARM处理芯片，支持静态固定IP和域名解析，支持动态域名。内嵌TCP/IP协议栈，通过移动4G网络进入公共互联网，终端无需主机即可通信，更加方便地集成到系统中。遥测终端内部集成多路模拟量和开关量采集，适合对水资源进行监控和数据采集。

3.2.1 硬件功能

方案设计遥测终端硬件接口功能描述如下：

(1)宽电压电源输入功能：能满足10V～30V直流电压输入，更加适应现场环境。同时抗雷击、抗变频干扰、内部大电流保护等，设计更加稳定可靠。

(2)提供多种模拟量信号采集功能：出厂默认采集1～采集7，7路4mA～20mA；采集8，1路0～15V(精度为0.25)，其他信号如0～20mA，1V～5V需提前说明。

(3)提供多种开关量信号采集功能：常见开关型节点型设计，以及其他形式脉冲信号量采集(脉冲计数精度十万分之一)。

(4)同时可以提供4路PWM输出接口：保证现场对至少2类泵、阀、变频柜等设备的控制。

(5)提供RS485接口：1路RS485用于与上位机通讯以及参数设置；1路RS485用于连接通讯仪表。

(6)提供4G通讯模块：能独立进行远程数据传输。

3.2.2 软件功能

方案设计遥测终端软件程序功能描述如下：

(1)两种采集方式：连续实时采集、定时可选采集，以应对多种要求。

(2)支持国家标准的水资源应用规约以及水文应用规约，同时还支持通用型采集传输控制功能。

(3)支持自动采集存储当前仪表数据并显示(水资源应用协议模式下)。

(4)支持自动上报数据功能，能够采集多种报警状态。可设置上报间隔时间，以及存储时间间隔，上报方式为：4G网络，短信需要特殊提出。

(5)支持多种通讯协议，用户搭配更加灵活。支持静态固定IP和域名解析，支持动态域名，可以对任何地点的任何一台接入公共互联网的具有固定IP或者动态域名的计算机传输数据。内嵌TCP/IP协议栈，通过移动4G网络进入公共互联网，终端无需主机即可通信，更加方便地集成到系统中。

3.2.3 遥测终端结构

方案设计中遥测终端主要包含液晶显示屏、接线端子、指示灯、天线、SIM卡、USB调试接口及电源开关8部分组成，各部分主要功能说明见表2所示。

表2 遥测终端结构功能说明

4 集成实现

整个系统网络主要由终端节点、主节点和云平台组成。终端节点与土壤湿度传感器相连，主要接收传感器采集到的数据，并且存储和发送数据；主节点也就是协调器节点，可以修改协议栈让更多的终端节点寻址加入，它主要负责转发终端节点接收到的数据到云平台；云平台主要负责数据的接收、处理。将终端节点放在待测地点采集土壤湿度，当打开自动控制灌溉系统界面时，通过界面的对话框来修改土壤湿度阈值等参数，协调器开始工作，初始化网络配置。每一个子网络都通过寻址加入到协调器上来，此时终端节点加入到网络，并采集传输数据。

4.1 整体架构

系统基于云服务与无线遥测技术来实现控制灌溉系统的远程控制，无线遥测终端与云平台采用4G网络进行信号传输，采用TCP协议进行数据交换，所有的数据发送到云服务器上之后，通过部署在云服务器的解析软件进行解码，然后实时存储到云数据库中，通过云平台进行状态展示。

图1 遥控电磁阀系统集成整体架构

4.2 系统功能

(1)数据自动上报。遥测站按设定策略自报。遥测站可定时自报或按设定的条件主动上传数据。

(2)自动响应中心站召测指令。遥测站响应中心站要求或指令，上传数据。

(3)手机读取实时测站信息，具有记录功能，可按设定的要求，记录各类数据。大容量数据固态存储，可由中心站远端调用或现场读取。

(4)现场手动设置各种运行模式和参数。接受中心站远程设置和控制指令，实时时钟自动校对和调整功能。

(5)GSM短信预警。当土壤含水量超过设定土壤含水量阈值时，中心站自动或手动将该站点的土壤含水量信息以短信的方式单发或者通过系统发送至有关人员的手机上。

(6)数据图表显示/现场查询。中心站图形、表格等多种形式显示、检索土壤墒情信息，可形成多种报表(如日报表、月报表等)，并可将报表导成Word、Excel、PDF等格式的文件；遥测站现场可查询当前数据、历史数据、系统信息等。

5 结语

本方案设计将单片机控制技术与无线通信技术运用到温室灌溉控制研究中，并分别从总体和分项两个层面进行了设计研究。最后基于4G网络技术进行了设备集成研究与应用测试，并与已有应用系统进行了集成，实现了温室灌溉的远程自动控制功能。系统结构简单、操作方便、性能稳定，其应用和推广将有效地提高农业温室设施的自动化程度，降低灌溉作业人力成本和控制精度。