大田灌溉阀门控制系统设计与实验

摘" 要： 为解决大田农作物灌溉效率低、灌溉设备精细化程度不够及田间人工灌溉成本高等问题，设计一种大田灌溉阀门控制系统，旨在提升大田灌溉的机械化程度和自动化水平，为智慧农田灌溉系统发展提供有力保障。该系统的核心组成部分包括STM32主控系统、阀门控制系统、数据传输和太阳能供电系统。该研究设计了阀门控制系统的硬件电路和软件程序，采用PID算法实现对阀门开、关以及0～10级的流量调节功能，并通过OneNET云平台和微信小程序实现阀门状态的远程控制和上传功能。测试结果表明，该系统具有多功能、易操控、低成本、高精度的特性，有助于灵活管理水资源和灌溉计划，使得大田农业灌溉省时省力，达到节水增效的目的。

关键词： 大田灌溉； 阀门控制系统； STM32； PID算法； OneNET； 微信小程序

中图分类号： TN876⁃34" " " " " " " " " " " " " " "文献标识码： A" " " " " " " " " " nbsp; 文章编号： 1004⁃373X（2024）08⁃0101⁃06

Design and experiment of valve control system for field irrigation

SUN Huajian1， 2， 3， FENG Xiangping1， 2， 3， LI Yongke1， 2， 3， MAO Bowen1， 2， 3， XU Xinlong4

（1. College of Computer and Information Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China;

2. Engineering Research Center of Intelligent Agriculture Ministry of Education， Urumqi 830052， China;

3. Xinjiang Agricultural Informatization Engineering Technology Research Center， Urumqi 830052， China;

4. College of Agriculture， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China）

Abstract： In order to solve the problems of low irrigation efficiency of field crops， insufficient refinement of irrigation equipment and high cost of manual irrigation in the field， a valve control system for field irrigation is designed， aiming to improve the mechanization and automation level of field irrigation， and provide a strong guarantee for the development of intelligent farmland irrigation system. The core components of the system include STM32 master control system， valve control system， data transmission and solar power supply system. The hardware circuit and software program of the valve control system are designed， and the PID algorithm is used to realize the function of regulating the valve opening and closing as well as the flow rate of 0～10 levels， and the remote control and uploading function of the valve status is realized by means of the OneNET cloud platform and the WeChat applet. The testing results show that the system is multi⁃functional， easy to control， low⁃cost and high⁃precision， which helps to flexibly manage water resources and irrigation schedules， making field agricultural irrigation save time and energy， and achieving the goal of water conservation and efficiency improvement.

Keywords： field irrigation; valve control system; STM32; PID algorithm; OneNET; WeChat applet

0" 引" 言

随着科技的不断进步和工业自动化水平的提高，电动阀门的应用领域不断扩展，覆盖了农业灌溉、石油、化工、电力等多个领域[1]。21世纪以来，我国高度重视节水灌溉技术和智慧农业的发展，智慧农业领域取得了显著的进展，并且引入了现代技术和创新解决方案来提高农业的效率和持续性[2]。在这个背景下，电动阀门的重要性愈发凸显。通过自动控制水资源的流动，电动阀门在现代农业中扮演着至关重要的角色，帮助农民和农业企业更有效地管理灌溉、施肥和水资源利用，从而提高产量，减少浪费并降低生产成本[3⁃5]。电动阀门的应用为智慧农业带来了新的机遇，为农业生产带来了更多创新和发展。为解决大田农作物灌溉效率低、灌溉设备精细化程度不够及田间人工灌溉成本高等问题，设计一种大田灌溉阀门控制系统，旨在提升大田灌溉的机械化程度和自动化水平，为智慧农田灌溉系统发展提供有力保障。

1" 系统整体设计

本文针对大田灌溉不均匀和灌溉设备效率低等问题，设计一个大田灌溉阀门控制系统，如图1所示。该系统以STM32处理器作为核心控制单元，包括STM32主控系统、阀门执行控制系统、数据采集系统、数据传输和太阳能供电系统。其中阀门控制系统由电机驱动模块、限位开关和霍尔编码器组成，用于精确控制阀门的开度；数据采集系统是由RS 485模块和传感器组成，用于监测阀门设备的压力等情况；数据传输是通过Air724UG模块上传到云平台[6]和微信小程序[7]，实现远程数据传输和控制功能；太阳能供电系统是由太阳能板、太阳能供电模块和锂电池组成，为系统提供稳定的电源，确保系统在田间稳定运行。

2" 系统硬件的设计与实现

系统硬件结构如图2所示。该系统以STM32F407VET6单片机为控制核心，其中阀门驱动电路的功能是控制电机的转速、转向、启动和停止等操作；阀门反馈电路的功能是检测和反馈电机的转速、转向和位置等信息，提供准确的反馈信号，以实现对电机的精确控制和保护；4G通信模块为云服务器高效地传输采集的数据，以实现远程监测与控制；RS 485通信模块采用Modbus⁃RTU协议，用于与STM32之间的数据交互和处理，确保可靠的数据传输和处理；太阳能供电电路主要用于确保电动阀门控制器持续供电，以保障大田灌溉系统的可靠运行；SWD（Serial Wire Debug）是一种用于单片机调试和编程的编程接口，可以访问STM32芯片内部的寄存器、存储器和控制器状态等信息，以便进行调试和排错；串口通信模块用于实现阀门控制器和上位机或与其他外设之间的串行数据传输，以便进行数据的双向通信。

2.1" 主控芯片

本文采用由意法半导体公司研发的高性能32位RISC微控制器——STM32F407VET6[8]。该芯片搭载了高性能的ARM Cortex⁃M4处理器，并提供了多种外设接口，包括USB、CAN、SPI、I2C、UART、DMA、ADC、DAC等，便于与其他设备进行通信和数据交互[9⁃10]。该微控制器还支持多种功耗模式，包括运行模式、常量功耗模式、低功耗休眠模式和深度睡眠模式，以满足不同应用场景下的功耗优化需求。

2.2" 太阳能供电电路

在偏远地区，传统的供电方式通常难以在田间实施。采用太阳能供电方式[11]具有简单易维护的优势，无需铺设电缆，同时可提高灌溉效率并降低成本。这种太阳能供电方案为大田灌溉系统中的各个阀门提供了可靠的自动化控制。太阳能供电电路包括DC⁃DC隔离电源模块和TP5100充电模块，如图3所示。在没有太阳光照情况下，它依赖锂电池供电，以保障电动阀门的持续运行。

2.3" 通信电路

本文系统选用基于紫光展锐UIS8910DM平台设计的LTE Cat 1无线通信模组，即Air724UG[12]，如图4所示。Air724UG能够同时支持4G LTE网络和双频WiFi连接，允许多个用户同时访问，以确保网络的稳定性和安全性。

2.4" 阀门驱动电路

阀门驱动电路采用L298N电机驱动芯片，示意图如图5所示。通过控制M_INA1、M_INB1、M_INA2、M_INB2信号，可以实现电机A和电机B的转向、启动和停止操作；同时，通过调整A_PWM和B_PWM的占空比，可以有效地控制电机A和电机B的转速[13⁃14]。

2.5" 阀门反馈电路

阀门反馈电路采用霍尔编码器和限位开关的组合，如图6所示。

霍尔编码器[15⁃16]用于实时监测阀门的开度，以便进行电动阀门的开、关、调流等状态控制，该调流功能允许在90°范围内进行任意调节。同时，限位开关用于限制电机传动部件的运动范围，当电机输出轴接触到限位开关时，根据下降沿信号捕捉，会触发一个停止信号，有助于延长减速机构的使用寿命，以确保阀门的正常运行。

3" 系统软件设计

3.1" 系统整体设计

大田灌溉智能阀门控制系统主要采用的核心处理单元为STM32处理器，并嵌入RT⁃Thread操作系统，通过模块化的编程将系统划分为多个子任务，每个子任务之间赋予不同的优先级，同时采用消息队列的方式进行任务之间的调度。

在STM32主控系统的控制下，经过一系列的初始化步骤并循环接收控制的指令，在循环中根据解析不同的指令来控制不同的阀门执行器，实现多路阀门的控制。通过霍尔编码器和限位开关来控制阀门开度，实现阀门的可调流功能。

控制系统整体流程如图7所示。

3.2" 阀门可调流设计

系统通过定时器中断实时捕获霍尔编码器A、B相的脉冲信号，基于编码器的倍频原理计算出电机的旋转方向和速度。电机转动时，霍尔元件会输出脉冲信号，通过A、B两组方波信号的相位差，确定电机的运动方向；通道A和通道B的信号周期相同，且相位相差[14]个周期，结合两相的信号值：当B相和A相先是都读到高电平（1，1），然后B相读到高电平，A相读到低电平（1，0），则为顺时针转；当B相和A相先是都读到低电平（0，0），然后B相读到高电平，A相读到低电平（1，0），则为逆时针转。其脉冲信号示意图如图8所示。基于这些脉冲信号计算出电机的转速，通过PID算法对PWM进行优化调节，从而精确控制电机的转速，实现阀门的流量调节功能。阀门可调流程序流程如图9所示。

为增强减速机构的寿命和系统的稳定性，引入限位开关来限制电机传动部件的运动范围。当电机输出轴接触到限位开关时，根据下降沿捕捉停止信号，以确保电机正常停止运行，从而保障系统的可靠性。

3.3" 阀门数据帧格式设计

系统采用的自定义数据帧格式如表1所示。

表1中所有数据均用十六进制表示。设备号是出厂的编号，是唯一标识阀门设备的地址；功能码是对当前设备的操作指令，可以实现对阀门设备的查询和控制；设备地址对应1～4路阀门的控制，通过设备地址编号可以控制指定的阀门状态；控制指令是对应的开、关以及调流的指令，可以通过不同的控制指令实现阀门开度的可调流功能；CRC校验用于确保设备传输的稳定性、可靠性。

3.4" 大田灌溉阀门控制系统平台设计

大田灌溉阀门控制系统的设计是在OneNET（中国移动物联网开放平台）上实现的。通过OneNET平台的数据可视化View，对阀门数据进行可视化展示，并通过OneNET数据下发进行阀门的远程控制。如图10所示，地图信息是新疆阿克苏地区的实验田（82.75°E、41.25°N）。该系统分别记录了当前设备的在线、离线和故障率情况，并使用轮播图对阀门设备的状态进行反馈，最后通过折线图实时显示阀门设备的开度。

3.5" 微信小程序的设计

微信小程序是基于OneNET平台进行实现的，通过index.js文件中编写逻辑代码，实现与OneNET平台的连接和数据交互。在事件处理函数中添加设备ID和API Key，使用https：//api.heclouds.com/cmds？device_id=1108256205命令，按照自定义协议对阀门进行远程控制；使用https：//api.heclouds.com/devices/1108256205/datastreams/命令，实现阀门开度的实时更新。微信小程序界面如图11所示。图11中包括唯一设备识别码，以及对应的4个阀门的开、关和调流控制及状态反馈。

4" 系统运行与功能测试

4.1" 系统测试流程

系统测试主要是通过OneNET平台或微信小程序输入控制指令，阀门控制器会解析相应的控制指令并对阀门执行器发出动作指令。

测试程序流程如图12所示。根据自定义协议下发阀门开、关或者调流的指令后，阀门控制器与Air724UG模块通信，STM32微处理器解析阀门动作指令，使用霍尔编码器采集的阀门角度信息，采用PID控制算法，通过脉宽调制（PWM）控制电机的速度，最终使电机稳定输出到预设的目标角度，以实现阀门的调流功能。

4.2" 阀门通信稳定性实验

为了测试Air724UG在田间的通信延时对电动阀门控制的影响，采用MQTT协议来传输阀门角度数据。

通过在“callback（）函数”中记录当前时间和上一次时间的差值，然后将差值通过串口输出。每隔100 ms，通过“publishangle（）函数”循环发送angle_1、angle_2、angle_3和angle_4的角度信息，重复1 000次。在田间布置了10台阀门样机进行网络延时实验，并通过Origin 2018软件对数据进行可视化分析，如图13所示。

5" 结" 论

本研究设计了一套大田灌溉阀门控制系统，实现了阀门开度的远程控制和10级调流功能，同时设计出阀门控制系统的硬件电路和软件程序，实现对阀门开度的稳定控制。通过OneNET平台搭建了大田灌溉阀门控制系统和微信小程序，实现阀门的远程控制与数据上传功能。通过网络通信延时实验，测得最低网络延时为81 ms，最高网络延时为628 ms，平均网络延时为224 ms，网络延时满足阀门角度的响应要求。

该系统可以根据作物的灌溉需求进行阀门开度的调节，并采用太阳能供电的方式，使得用户无需亲临现场就能够在整个灌溉过程中实现省时省力的操作，从而实现节水增效的目标。该系统为智能农业发展提供了一个实际可行的解决方案，并为其推广和广泛应用奠定了坚实的基础。

注：本文通讯作者为冯向萍、李永可。

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作者简介：孙华键（1994—），男，山东淄博人，硕士研究生，研究方向为智慧农业。

冯向萍（1973—），女，陕西凤翔人，副教授，研究方向为农业信息化技术。

李永可（1985—），男，河南许昌人，副教授，研究方向为农业信息化技术。