基于物聯網和云架構的渠灌閘門智能控制系統

包志炎 王學斌 張海波 鄭高安 馬登昌 王 萱

(1.浙江工業大學計算機科學與技術學院， 杭州 310014； 2.浙江水利水電學院計算機應用技術研究所， 杭州 310018；3.浙江省特種設備檢驗研究院國家電梯產品質量監督檢驗中心， 杭州 310020)

基于物聯網和云架構的渠灌閘門智能控制系統

包志炎1,2王學斌3張海波2鄭高安2馬登昌2王 萱2

(1.浙江工業大學計算機科學與技術學院， 杭州 310014； 2.浙江水利水電學院計算機應用技術研究所， 杭州 310018；3.浙江省特種設備檢驗研究院國家電梯產品質量監督檢驗中心， 杭州 310020)

為了實現農田明渠灌溉的精準化控制，設計了一種基于物聯網和云架構的渠灌閘門遠程智能控制系統，系統由一體化旋轉式閘門、本地控制軟件、遠程終端訪問系統和云端中間件組成。閘門采用旋轉式閥芯結構設計，降低閘門啟閉時的驅動能耗；基于ARM開發了嵌入式控制系統，實現水閘運行的本地控制和狀態數據采集；集成了無線通訊模塊和光伏電源系統，解決傳統水閘野外安裝布線繁瑣和供電困難問題；通過在阿里云服務器建立數據中心，部署中間件，實現水閘遠程數據傳送與控制指令傳達；建立了基于水位、流量雙反饋的閘門開度云控模型，實現水閘群智能運行；根據旋轉式閘門啟閉階段角速度變化規律，提出了水閘運行異常報警方法；開發了B/S版和APP版的遠程終端訪問系統，實現了灌區數據大屏、閘群遠程控制和智能調度，適用于農田灌溉中小型渠道輸水、配水的精準化控制。

明渠灌溉； 一體化閘門； 遠程無線監控； 智能控制； 云架構； 物聯網

引言

水是農業的命脈，節水灌溉在提高農業用水效率、農民增產增收及生態環境建設等方面發揮著重要作用。渠灌因設施成本低，管理方便，仍然是目前運用最廣泛的灌溉方式之一。世界灌溉技術發展的總趨勢是節水、節能、多目標利用以及智能控制，渠灌技術日益走向精準化和可控化[1]。國外學者對渠道自動化輸水與配水研究較早[2-6]，美國、澳大利亞、日本、以色列等國家紛紛采用計算機技術調控渠系輸水與配水，實現灌區水資源的合理配置，其中澳大利亞食盆(Foodbowl)灌區引進Rubicon公司的“全渠道控制系統”，安裝了近2萬臺一體化閘門，干渠的輸水效率從70%增加至85%，減少水流失約39%[1，7]。水利部曾引進該產品，分別在安徽淠史杭、寧夏青銅峽、甘肅昌馬等灌區開展試點，運行效果良好，但引進成本昂貴。我國大部分灌區采用單閘門的離散手動操作和開環控制，測流計量和灌溉方式粗放，農業用水流失比較嚴重。為此，國內學者也進行了相關研究[8-12]。本文面向中小型灌溉渠道，從系統的觀點出發，充分利用新一代信息技術在系統研發、部署、運行、使用等方面的優勢，將傳統的機電一體化技術與物聯網、云、移動互聯等技術相結合，開發一種基于阿里云的渠灌閘門智能控制系統，以期實現渠灌輸水的精準化和可控化，提高農業用水效率。

1 系統技術架構

物聯網和云計算都是新一代信息技術的典型代表。物聯網系統通常包括感知、傳輸和應用3個層次，基本特征是全面感知、可靠傳送和智能處理[13]。近年來農業傳感儀器和感知技術得到了迅速發展和廣泛應用[14-15]。云服務不但可以擁有便捷的云端數據存儲、大量的開放軟件服務和強大的云計算支撐，而且具有移動互聯、實時在線、安全穩定和用戶終端設備配置要求低等優點，向用戶提供自由、方便和靈活的服務，極大地改變了傳統數據中心的運行模式，大大降低了用戶運維成本，這種新的服務模式在互聯網+時代引起了業界又一次重大的產業變革[16-18]。

本系統采用阿里云服務器，實施物聯網技術架構，分為感知層、傳輸層、支撐層和應用層，如圖1所示。基本思路是各類傳感設備按照預先設置頻率采集數據，嵌入式控制模塊負責將感知信息進行有效處理，并經無線通訊發送至阿里云。在云端建立灌區數據中心，開發中間件，利用云計算資源，實現數據匯集、整理、存儲和呈現。用戶只需使用較低的終端配置設備即可實現閘門的實時監測、遠程控制和智能調度等功能。

圖1 系統架構圖Fig.1 System architecture diagram

感知層集成了水位傳感器、閘門開度儀、電機控制器、光伏控制器和攝像頭(部分重要水閘站點)等，通過數據采集和計算即可實現對上下游水位、閘門啟閉狀態、閘門開度、閘門運行速度、過閘流量、現場圖像、電壓電流以及電池狀況等信息的匯聚。系統在阿里云服務器擁有固定IP地址。在傳輸層，嵌入式模塊通過GPRS模塊向指定IP地址發送狀態數據或接受控制指令。在支撐層，阿里云服務器為系統提供云服務器、云數據庫、云存儲和云安全等服務，滿足系統在云端建立灌區數據中心、部署中間件等需要；在應用層，根據不同應用需求，分別研發面向PC的B/S版和面向移動終端的APP版應用系統。用戶在任何時間、任何地點，均可通過計算機或手機訪問云服務器，實時查看水閘運行狀態數據，遠程控制閘門的開啟、關閉、開度以及運行時間等，制定并執行灌溉方案。

2 硬件設計

2.1 機械結構設計

旋轉式閘門的機械結構如圖2所示，它主要由支架、底座、閥芯、定位銷、電動機以及傳動機構等組成。水閘工作時，電動機驅動傳動機構，傳動機構通過齒輪驅使閥芯轉動。當閥芯與底板垂直時，閥芯與底座構成單向密閉空間，隔斷水流；當電動機繼續轉動時，閥芯與底板形成的開度連續增大，實現閘門流量的精確控制。在底座兩側設置定位裝置，當閘門運行至預設開度停止時，通過定位銷鎖住閥芯，以防止水流對閥芯的長期沖擊而影響其使用壽命。采用旋轉式閥芯結構設計，使閘門驅動力與水流的推力同向，利用水流沖力助推閘門的開閉，降低了閘門啟閉時驅動能耗，為實現水閘低功耗運行創造了條件。

圖2 旋轉式閘門機械結構Fig.2 Mechanical structure of rotary sluice1.支架 2.底座 3.閥芯 4.定位銷 5.電動機 6.傳動機構

文獻[9]利用明渠測流理論[19]對矩形平板閘門的測流方法進行了深入探討，提出了具體的計算方法，并通過實驗驗證了其有效性。針對本文提出的旋轉式閘門，當閘前水位低于閥芯半徑時，符合該測流方法的適用條件，同時需將部分參數作等效轉換。

圖3 旋轉式閘門流量計算分析圖Fig.3 Calculation chart of rotary sluice

圖3給出了旋轉式閘門流量計算分析圖。因在明渠灌溉中，水流速度較小，實際應用中可忽略動水位，用H代替H0。經過分析可知，當閘門閥芯旋轉θ角時，閘門的實際有效開度為

(1)

式中R——水閘旋轉半徑

θ——水閘旋轉角度

當有效開度和水位之比he/H≤0.65時，屬于閘孔出流狀態。此時，根據ht不同取值，又可以分為自由出流和淹沒出流兩種情形。

在自由出流時流量為

(2)

式中u0——孔流流量系數b——閘門寬度

在淹沒出流時流量為

(3)

式中φ——孔流流速系數

ε——垂向收縮系數

h——淹沒有效水深

當有效開度和水位之比he/Hgt;0.65，屬于堰流狀態，此時流量為

(4)

式中σ——堰流淹沒系數

m0——堰流流量系數ha——堰上水頭

國內外學者就不同閘門結構及流態下的各計算系數取值對測流精度的影響展開了研究[9,20-21]，式(2)～(4)中涉及的各計算系數均可通過特定公式或查表得到[9]。

2.2 光伏供電模塊

水閘裝置中耗電部件主要包括各類傳感器、控制器、電動機和控制板。在滿足水閘系統供電要求的基礎上，選用功率較低的太陽能電池板和容量較低的蓄電池，以降低產品尺寸及成本。光伏電源系統采用兩組12 V、12 A·h的鉛酸蓄電池，兩組10 W的太陽能板，長、寬、高尺寸分別為340、170、18 mm，為水閘提供24 V和5 V兩種等級的輸出電壓。單個閘門開啟或關閉時最大功耗45 W,水閘靜止時功耗小于5 W，光伏電源能基本保持水閘連續15 d陰天情況下的正常使用。通過光伏控制器可以實現對負載工作模式、停充電壓、欠壓恢復電壓和欠壓保護電壓等參數設定，并進行實時電量監測。

2.3 嵌入式控制模塊

遠程實時監測和控制是智能水閘的顯著特點，這部分功能主要由嵌入式控制模塊完成。它負責與水位傳感器、開度儀、攝像頭、光伏控制器、電動機控制器以及GPRS模塊保持數據交換，如圖4所示。控制板選用STM32系列MCU，采用成熟的工業級芯片STM32F103ZET6，其內核為32位ARM Cortex-M3，主頻72 MHz，功耗低，尺寸小，價格便宜；水位和開度傳感器均采用成熟的MODBUS產品。電動機控制采用多功能直流電動機控制器，具有多種調速模式，支持剎車、轉速控制及斜坡起動等。攝像頭可按需集成，滿足重要水閘站點的實時圖像傳送需要。經二次開發，嵌入式控制模塊能通過液晶屏、發光二極管等媒介在本地顯示閘門開度、水位、流量、故障報警等信息，同時完成與云端服務器間的數據遠程傳送。

圖4 嵌入式控制模塊運行原理圖Fig.4 Runtime interactions of embedded controller

2.4 水閘安裝部署

將傳感器、嵌入式控制模塊、無線通訊模塊、太陽能電源與機械本體結構進行一體化集成，其中嵌入式控制模塊、無線通訊模塊和太陽能電池統一裝入小型控制盒，電動機封裝在水渠外側并高于閥芯；閥芯和底座之間做好專門的防漏處理。一體化設計的水閘產品可以在出廠前便完成大部分調試，施工時采取整體吊裝,降低了戶外安裝調試工作量。因采用太陽能電源和GPRS/3G/4G無線通信，降低了布線成本，有助于解決傳統水閘野外布線繁瑣、供電困難等問題。在閘門產品化時，預先生產常見尺寸的系列產品；根據灌區渠系實際情況，可以按需選擇并組合安裝水閘，如圖5所示。

圖5 水閘群部署圖Fig.5 Deployment diagram of sluice group

3 軟件設計

3.1 系統構成

系統軟件設計包括本地控制端、遠程終端以及云端等3個層次的程序設計。本地控制端軟件基于μC/OS-II操作系統研發，主要完成傳感器數據采集與顯示、水閘手動開啟與關閉、運行模式設置以及與云端保持數據通訊；遠程終端訪問系統包括Web網站和移動APP，為用戶提供用戶權限管理、灌區數據大屏、水閘遠程監測與控制、智能調度與異常報警等功能，實現人機交互；數據大屏通過數據可視化技術全方位、多角度呈現當前灌區所有渠系和水閘相關實時數據的動態變化；云端中間件為遠程控制終端和水閘終端之間搭建橋梁，水閘運行狀態數據經嵌入式模式發送至云端存儲并處理，供遠程控制終端訪問；用戶通過遠程控制終端經云端向水閘發送控制指令。此外，云端中間件還為系統提供數據可視化、渠系配水等模型與算法的支撐。系統軟件主要功能模塊如圖6所示。

圖6 系統軟件構成框圖Fig.6 Software composition block diagram

3.2 數據通訊

通過設置定時中斷完成水閘運行狀態數據的采集。在閘門靜止時，每1 000 ms一次輪詢各類傳感器；在閘門運行時，輪詢周期縮短至100 ms，以提高數據實時性。在獲得傳感器應答后,分別進行數據的CRC校驗、時序校驗和合理性校驗，以提高數據可靠性。如數據錯誤則返回錯誤代碼。

采用Socket通訊程序，將采集到的水閘運行狀態數據發送至云端并接受處理，如圖7所示。在云端服務器初始化Socket后，與端口建立綁定，進行監聽并阻塞，等待水閘端連接。灌區中所有水閘端均可以向云端發送建立連接請求。在與云端建立連接后，水閘端按照預定編碼向云端發送數據請求，此時僅發送有更新的數據，以降低運行功耗；云端接收數據并按預定格式解碼。若解碼成功，將更新云端數據，更新操作日志，然后把回應數據反饋給水閘端。雙方使用send()和receive()完成數據的全雙工發送。

圖7 水閘狀態數據發送與接受Fig.7 Transmission and reception of sluice running data

用戶通過訪問終端委托云端中間件向水閘發送控制指令，嵌入式模塊接受并執行指令。水閘在執行啟動和關閉指令時，電動機均采用變速方式，提高啟閉過程的平穩性，如啟動時采用5 s爬坡啟動，中間勻速運行，停止時采用3 s減速停車。采用高分辨率絕對式編碼器獲得閘門實時開度。在水閘即將達到預設開度前，根據閘門運行速度，提前發出停車指令，減少閘門運動慣性帶來的定位誤差。

3.3 智能調度

智能調度是指用戶按照所在灌區不同區域不同時間不同農作物的灌溉需求，制定灌溉方案，讓系統在渠系配水優化模型的作用下，自動決定需要開啟或關閉的水閘及其運行模式、開啟時間、開啟時長、開度等參數設置，通過遠程遙控，自主完成灌溉任務，同時將運行結果數據反饋至用戶端供輔助決策。

渠灌系統由很多渠道串聯而成，每段渠道被水閘分割。某個水閘開度變化時，將引起閘門前后水位和流量的變化。將實時監測獲取的閘后水位、流量與目標值的偏離量作為控制水閘開度的反饋輸入，建立基于水位、流量雙反饋的閘門開度云控模型，并在此基礎上開發云端中間件。通過云端軟件包對水閘群的聯動控制，完成自動調水。假定下游用戶要在Ci段渠道取水，在穩定輸水工況下，自動調水流程(圖8)如下：

(1)用戶向云端提出訂水請求，并告知需水量ΔWi。

(2)云端接受訂水請求，并遠程控制相關上游水閘G0～Gi開閘放水。

(3)實時監測水閘Gi閘后水位Li、過閘流量Qi和累計水量，并發送至云端。

(4)云端中間件程序根據Li和Qi計算偏離量，進而求得此時Gi的閘門開度增量Δgi，并通過遠程控制，驅動閘門自動調節;以此類推，讓所有閘門G0～Gi-1自動完成調節。調節過程中防止各段渠道C0～Ci溢水。

(5)當調水量達到訂水量時，調水結束；否則重復步驟(3)、(4)。

圖8 水閘群控運行圖Fig.8 Working diagram of sluice group control

3.4 異常報警

圖9 水閘開啟時角速度變化曲線Fig.9 Angular velocity varying graph of sluice at opening stage

當水閘供電不足或者水閘未按指定指令執行時系統將自動報警。前者通過對光伏控制器實時監測電量來實現，后者根據旋轉式閘門開啟或關閉時的角速度變化規律作出判斷。水閘運行角速度ω為瞬時角度θ的變化率，θ可以通過開度儀實時監測獲取。根據選用的開度儀和傳動機構性能，預設合理上限角速度ωmax和下限角速度ωmin。在正常開啟時，ω值是一個逐步增速、勻速開啟(大于ωmin且小于ωmax)和逐步減速的過程，如圖9中的f0所示；如果值較長時間小于ωmin或趨于零，如f1，需要檢查水閘是否被異物堵塞；如果值較長時間大于ωmax，如f2，需要檢查傳感器或傳動機構是否發生故障。

4 試驗

2017年8月，在浙江水利水電學院搭建模擬灌區，安裝了5扇試驗水閘，使用了阿里云服務器、云數據庫和云安全等服務，對本系統進行了為期15 d運行測試。試驗期間，使用不同配置的用戶終端設備在不同信號強弱下對本系統的遠程控制響應時間、閘門開度控制精度、水位控制精度以及傳感器節點數據丟包率進行了測試，測試原始數據如圖10所示。測試結果表明APP遠程控制響應時間最長為0.5 s，最大的開度控制誤差1.2 mm，動態水位控制誤差為6.5 mm，網絡丟包率接近為零。此外，本系統采用了文獻[9]的閘門測流方法，在自由出流和淹沒出流2種狀態下的最大誤差分別為4.55%和8.29%。系統在測試期運行安全穩定，云端數據管理便捷，響應速度快，運維成本低，并不需要配置專門的服務器、用戶終端設備和其他支撐環境。渠道水閘遠程控制APP、本地控制軟件及旋轉式閘門如圖11～13所示。

圖10 系統測試結果Fig.10 Results of system running test

圖11 渠道水閘智能控制APPFig.11 Intelligent control APP of canal irrigation sluice

圖12 本地控制軟件Fig.12 Local control software

圖13 旋轉式閘門Fig.13 Rotary sluice

5 結論

(1)以無線公共網絡作為傳輸媒介，在物聯網和云技術架構上進行了系統開發，利用云中間件實現了水閘終端與云端的雙向通訊，并使用移動APP作為用戶訪問終端，探索了利用新一代信息技術實現渠道水閘遠程監測與控制的可行性。

(2)旋轉式閘門的結構設計和電動機啟停的變速控制方式，降低了水閘開啟和關閉階段的驅動能耗，提高了水閘控制的可靠性。

(3)試驗結果表明，開發的基于物聯網和云架構的渠道水閘智能控制系統，運行安全可靠，響應速度快，控制精度高，運維成本低，可適用于農田灌溉中小型渠道的輸水、配水的精準化控制。

1 鞠茂森.關于灌溉現代化的思考[J].水利發展研究，2013(3):10-15．

JU Maosen.Thinking of irrigation modernization[J].Water Resources Development Research, 2013(3):10-15. (in Chinese)

2 李曉俐.以色列灌溉技術對中國節水農業的啟示[J].寧夏農林科技, 2014,55(3):56-57.

LI Xiaoli.Israeli enlightenment to China’s water-saving agricultural irrigation technology[J].Ningxia Journal of Agriculture and Forestry Science and Technology,2014,55(3):56-57.(in Chinese)

3 ALMINAGORTA O, MERKLEY G P. Transitional flow between orifice and non-orifice regimes at a rectangular sluice gate [J].Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2009, 135(3):382-387.

4 BABU B M, MISHRA P K, SATYANARAYA N A T.Performance of baffle-sluice modules with changed module dimensions [J].Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 1996, 122(5):310-313.

5 LIN C H, YEN J F, TSAI C T.Influence of sluice gate contraction coefficient on distinguishing condition [J].Journal of Irrigation and Drainage Engineering,2002, 128(4):249-252.

6 GUO Huanlou,KANG Weili.Research on control system for sluice gate flow based on fuzzy neural network PID[J]．Applied Mechanics and Materials, 2012, 199(2):1779-1782.

7 金宏智，嚴海軍，錢一超.國外節水灌溉工程技術發展分析[J].農業機械學報，2010，41(9): 59-63．

JIN Hongzhi，YAN Haijun，QIAN Yichao.Overseas development of water saving irrigation engineering technology[J]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2010，41(9): 59-63. (in Chinese)

8 曾微波,王履華,吳長彬,等.基于虛擬現實與物聯網技術的水閘智能調度系統研究[J].水利水電技術,2013,44(11):120-123.

ZENG Weibo，WANG Lühua，WU Changbin，et al.Study on virtual reality and internet of things based sluice intelligent operation system[J].Water Resources and Hydropower Engineering,2013,44(11):120-123.(in Chinese)

9 張從鵬,羅學科,李玏一,等.面向灌區調水工程的遠程自動計量閘門研究[J/OL].農業機械學報,2014,45(8):172-177,275.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20140827amp;flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2014.08.027.

ZHANG Congpeng,LUO Xueke,LI Leyi，et al.Development of remote automatic metering sluice oriented to irrigation water diversion project [J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(8):172-177,275. (in Chinese)

10 沈明霞，叢靜華，張祥甫,等．基于ARM和DSP的農田信息實時采集終端設計[J].農業機械學報，2010，41(6):147-152．

SHEN Mingxia，CONG Jinghua，ZHANG Xiangfu，et al．Design and implementation of terminal for agricultural data real-time acquisition based on ARM and DSP[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2010，41(6):147-152.(in Chinese)

11 劉柯楠,吳普特,朱德蘭,等.太陽能渠道式噴灌機自主導航研究[J/OL].農業機械學報,2016,47(9):141-146. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160921amp;flag=1.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.021.

LIU Kenan,WU Pute,ZHU Delan，et al．Autonomous navigation of solar energy canal feed sprinkler irrigation machine[J/OL]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2016,47(9):141-146.(in Chinese)

12 李臣明,趙麗華,吳學文,等.基于水位、流量預測信息的水閘群調節方法[J].灌溉排水學報,2015,34(3):70-74.

LI Chenming,ZHAO Lihua,WU Xuewen，et al．Adjust methods of floodgates based on flow forecast information[J].Journal of Irrigation and Drainage,2015,34(3):70-74. (in Chinese)

13 孫其博,劉杰,黎羴，等.物聯網:概念、架構與關鍵技術研究綜述[J].北京郵電大學學報,2010,33(3):1-9．

SUN Qibo，LIU Jie，LI Shan，et al．Internet of things: summarize on concepts，architecture and key technology problem[J].Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications, 2010, 33(3):1-9. (in Chinese)

14 何勇，聶鵬程，劉飛．農業物聯網與傳感儀器研究進展[J/OL]．農業機械學報，2013，44(10): 216-226．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20131035amp;flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2013.10.035.

HE Yong，NIE Pengcheng，LIU Fei．Advancement and trend of internet of things in agriculture and sensing instrument[J/OL]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2013， 44(10): 216-226.(in Chinese)

15 CAMMALLERI C, ANDERSON M C, GAO F, et al.Mapping daily evapotranspiration at field scales over rain fed and irrigated agricultural areas using remote sensing data fusion [J].Agricultural and Forest Meteorology,2014(186):1-11.

16 RAHIMI M R，REN J，LIU C H，et al.Mobile cloud computing: a survey, state of art and future directions[J].Mobile Networks and Applications，2014,19(2):133-143.

17 崔勇,宋健,繆蔥蔥，等.移動云計算研究進展與趨勢[J].計算機學報,2017,40(2):273-295.

CUI Yong，SONG Jian，MIAO Congcong，et al．Mobile cloud computing research progress and trend [J].Chinese Journal of Computers, 2017, 40(2):273-295.(in Chinese)

18 李瑞軒,董新華,辜希武,等.移動云服務的數據安全與隱私保護綜述[J].通信學報,2013,34(12):158-166.

LI Ruixuan, DONG Xinhua, GU Xiwu，et al． Overview of the data security and privacy-preserving of mobile cloud services [J]. Journal on Communications, 2013, 34(12):158-166.(in Chinese)

19 張志昌，肖宏斌，毛兆民.明渠測流的理論與方法[M].西安：陜西人民出版社，2004.

20 AKOZ M S，KIRKGOZ M S，ONER A A.Experimental and numerical modeling of a sluice gate flow[J]．Journal of Hydraulic Research,2009,47(2):167-176．

21 HABIBZADEH A，VATANKHAH A R，RAJARATNA M N.Role of energy loss on discharge characteristics of sluice gates[J]．Journal of Hydraulic Engineering，2011,137(9): 1079-1084.

IntelligentControlSystemofCanalIrrigationSluiceBasedonInternetofThingsandCloudArchitecture

BAO Zhiyan1,2WANG Xuebin3ZHANG Haibo2ZHENG Gaoan2MA Dengchang2WANG Xuan2

(1.CollegeofComputerScienceandTechnology，ZhejiangUniversityofTechnology，Hangzhou310014，China2.InstituteofComputerApplicationTechnology,ZhejiangUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Hangzhou310018，China3.NationalElevatorProductQualitySupervisionandInspectionCenter，ZhejiangProvincialSpecialEquipmentInspectionandResearchInstitute，Hangzhou310020，China)

The development of canal irrigation technology was briefly reviewed. In order to realize the precise control of irrigation canal water delivery in farmland, a remote intelligent control system of canal irrigation sluice was designed based on the Internet of things (IOT) and cloud architecture. The system was consisted of integrated rotary sluice, local control software, remote terminal access system and cloud middleware. Rotating structure was used to spool of the sluice in order to reduce the driving power consumption when opening and closing gates. An embedded local control system based on ARM was established to implement local control and data acquisition. Wireless communication module and photovoltaic power supply system were integrated to solve the problems of complicated wiring and difficult power supply in the field. Remote data transfer and control instruction delivery were implemented through database and cloud middleware in Ali cloud server. A cloud control model of gate opening based on double feedback of water level and flow was established to achieve intelligent operation of sluice groups. According to the rotating angular velocity variation of sluice at opening and closing stage, an abnormal warning method of sluice operation was put forward. Remote terminal access system, including B/S version and APP version was developed for users to monitor operation state data of the sluice group, remotely control any sluice, and carry out reasonable dispatch of water resources in the irrigation area. Experimental results showed that the remote intelligent control system had the characteristics of safe and reliable operation, fast response, high control accuracy and low maintenance cost. The intelligent control system of canal irrigation sluice could satisfy the precise control for water conveyance and distribution in the small and medium-sized irrigation canals.

canal irrigation; integrated sluice; remote wireless monitoring; intelligent control; cloud architecture; Internet of things

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.027

TV663; TP393

A

1000-1298(2017)11-0222-07

2017-08-27

2017-09-17

國家自然科學青年基金項目(41601461)、浙江省科技廳公益技術應用研究計劃項目(2016C32093)、浙江省水利廳重點科技項目(RB1314)、浙江省博士后優先項目(201693)和浙江省重大科技專項計劃項目(2014C01048)

包志炎(1982—)，男，博士后，浙江水利水電學院副教授，主要從事智慧水利和制造業信息化研究，E-mail： baozhy0571@163.com

王學斌(1969—)，男，高級工程師，主要從事特種設備檢驗技術研究，E-mail： hzr18888@163.com