基于超聲多層時(shí)差的灌區(qū)水量測控控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷橋江 王登鑫 張育斌 喬麗萍

（寧波財(cái)經(jīng)學(xué)院 數(shù)字技術(shù)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315175）

1 前言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在我國占有十分重要的地位,而農(nóng)業(yè)用水中以灌溉用水為主,但灌溉效率低和灌溉水浪費(fèi)問題普遍存在。因此,無論是林業(yè)還是農(nóng)業(yè),從水資源缺乏和節(jié)省能源的角度出發(fā),節(jié)水灌溉都是目前研究、開發(fā)的熱點(diǎn)。發(fā)展和推廣節(jié)水灌溉設(shè)備對緩解我國水資源危機(jī)具有重要的作用。

針對我國對建設(shè)灌溉用水系統(tǒng)存在基礎(chǔ)信息缺乏、使用的技術(shù)不先進(jìn)；使用的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)有限、穩(wěn)定性低；沒有形成系統(tǒng)的思維，硬件投入大，輕視軟件系統(tǒng)的建設(shè)；整個(gè)系統(tǒng)的綜合集成能力差等問題。因此，在我國灌區(qū)水情監(jiān)測中引入先進(jìn)技術(shù)，運(yùn)用遠(yuǎn)程信息傳播手段，開發(fā)通用灌溉用水計(jì)量管理軟件，開發(fā)適宜灌區(qū)環(huán)境的水量監(jiān)測設(shè)備，建立信息化的灌區(qū)水情監(jiān)測管理系統(tǒng)很有必要。本文充分實(shí)現(xiàn)水體的流速測量，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性，通過數(shù)據(jù)的監(jiān)控和管理，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集。

2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.對渠道進(jìn)行多層聲道測速，測量精度高，可測量正、反兩個(gè)方向的流量和流速[1]；同時(shí)時(shí)差法測流，不受水體流態(tài)、渦流、回流等影響，適應(yīng)各種渠道，適應(yīng)各種流速條件。

2.一體化全防水設(shè)計(jì)，嵌入式安裝，無阻流，無水頭損失，安裝維護(hù)簡單方便，可用于槽堰式或其他方式明渠流量計(jì)的標(biāo)定設(shè)備，利于推廣應(yīng)用。

3 控制及數(shù)據(jù)處理單元

1.采用STM32F103C8T6 處理芯片，是一款基于ARMC ortex-M3 內(nèi)核（ARM 公司在ARM11 以后改用Cortex 命名，并分成A、R 和M 三類，M 系列有M0、M0+、M3、M4、M7）的32 位的微控制器，其程序存儲(chǔ)器FLASH 容量是64KB，RAM 容量是20KB，2 個(gè)12bit，ADC 總合計(jì)12 路通道，37 個(gè)通用I/O 口，4 個(gè)16bit 定時(shí)器，其工作電壓的范圍為2V～3.6V，環(huán)境的工作溫度為-40°C～85°C，系統(tǒng)時(shí)鐘最高可到72MHz[2]。其內(nèi)部集成里很多的功能模塊，電路結(jié)構(gòu)也簡單了很多，同時(shí)大大的縮小的外形的尺寸降低了成本。

2.與51 單片機(jī)相比，STM32F103C8T6 處理芯片的地址空間可通過外擴(kuò)之后可以高達(dá)4GB，在一般的情況下不需要外擴(kuò)這么多儲(chǔ)存地址單元，只要外擴(kuò)1GB 即可夠用了。此外51 單片機(jī)的ROM 儲(chǔ)存只有在2K—64K 之間，RAM 也僅僅128B—1K；而STM32F103C8T6 的ROM 的儲(chǔ)存有高達(dá)20K—1MB，RAM 有8K-256K,外設(shè)：傳統(tǒng)的51 單片機(jī)只有三個(gè)定時(shí)器與一個(gè)串口通訊，但是在STM32F103C8T6 的身上卻是擁有著DA、AD、TINER、WWDG、IWDG、CRC、MDA、IIC、SPI、USART 等外設(shè)功能[3]。在開發(fā)的操作軟件上，在早期的51 單片機(jī)上是采用了UV2 軟件，而STM32 使用的則是UV4 或UV5,甚至是更高的版本UV 軟件來編寫代碼程序。由此綜合了以上的優(yōu)點(diǎn)，選擇STM32F103C8T6 是最佳的選擇。

4 驅(qū)動(dòng)控制電路圖設(shè)計(jì)

采用3 輸出3 輸入的電路原理圖開頭的IR2104 是半橋驅(qū)動(dòng)器，也就是開關(guān)芯片，開關(guān)的間隔150-580 納秒，也是非常的迅速的[4]。其中的MOS 采用了IR7843,這是N 通道的增強(qiáng)型MOS 管，其中的對應(yīng)角分別是DGS,主要的工作原理也應(yīng)當(dāng)是首先當(dāng)VGS 的電壓大于VDS 時(shí)，D-S 之間的載流子會(huì)不斷減少，當(dāng)其載流子界面產(chǎn)生負(fù)的界面會(huì)導(dǎo)致IDS 導(dǎo)通，從而VGS 的電壓大小可以控制通過MOS 管的IDS 的大小。兩個(gè)電容起到濾波的作用，采用半橋驅(qū)動(dòng)的方法可達(dá)到電路穩(wěn)定且抗干擾強(qiáng)，輸出的效率高等優(yōu)點(diǎn)。

5 通訊模塊的選取

選用的是基于合宙Air724 系列高性價(jià)比的Cat14GDTU通訊模塊。該模塊支持移動(dòng)、電信、聯(lián)通全網(wǎng)通4G；同時(shí)支持USB、3.3VTTL 電平串口(UART)、RS485 的通訊方式，該模塊可支持二次開發(fā)，可以在基于騰訊云、阿里云、華為云等諸多的服務(wù)器通過MQTT 通訊協(xié)議上做二次開發(fā)，且二次開發(fā)的成本低，開發(fā)的起來容易。在體積上尺寸合適，方便使用標(biāo)準(zhǔn)的AT 命令固件、DTU 透傳固件和Lua 二次開發(fā)，支持TCP/UDP/HTTP、NTP/HTTPS/PING/MQTT 等協(xié)議，更方便的集成到自己的設(shè)備控制系統(tǒng)中（控制結(jié)構(gòu)圖1 如所示）。

圖1 4GDTU 通訊原理圖

獲取時(shí)差代碼：

6 總結(jié)

本設(shè)計(jì)以實(shí)時(shí)在線檢測渠道水位流量信息為目標(biāo)，設(shè)計(jì)基于多層超聲波和時(shí)差法的渠道測量方案，設(shè)計(jì)基于太陽能的無線傳輸設(shè)備和數(shù)據(jù)采集器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸，借助太陽能供電可節(jié)約能源，設(shè)備和系統(tǒng)可提高了斷面平均流速的準(zhǔn)確度和水量的準(zhǔn)確性，提高灌區(qū)有效系數(shù)監(jiān)測精度，解決了目前灌區(qū)水流量監(jiān)測精度低和安裝易破壞的問題，為科學(xué)、精確的確定灌溉用水決策提供了基礎(chǔ)。