基于超聲多層時差的灌區水量測控控制系統設計

雷橋江 王登鑫 張育斌 喬麗萍

（寧波財經學院 數字技術與工程學院，浙江 寧波 315175）

1 前言

農業生產在我國占有十分重要的地位,而農業用水中以灌溉用水為主,但灌溉效率低和灌溉水浪費問題普遍存在。因此,無論是林業還是農業,從水資源缺乏和節省能源的角度出發,節水灌溉都是目前研究、開發的熱點。發展和推廣節水灌溉設備對緩解我國水資源危機具有重要的作用。

針對我國對建設灌溉用水系統存在基礎信息缺乏、使用的技術不先進；使用的數據傳輸技術有限、穩定性低；沒有形成系統的思維，硬件投入大，輕視軟件系統的建設；整個系統的綜合集成能力差等問題。因此，在我國灌區水情監測中引入先進技術，運用遠程信息傳播手段，開發通用灌溉用水計量管理軟件，開發適宜灌區環境的水量監測設備，建立信息化的灌區水情監測管理系統很有必要。本文充分實現水體的流速測量，提高實驗數據的精確性，通過數據的監控和管理，實現對數據的采集。

2 設計特點

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

2.一體化全防水設計，嵌入式安裝，無阻流，無水頭損失，安裝維護簡單方便，可用于槽堰式或其他方式明渠流量計的標定設備，利于推廣應用。

3 控制及數據處理單元

1.采用STM32F103C8T6 處理芯片，是一款基于ARMC ortex-M3 內核（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，其程序存儲器FLASH 容量是64KB，RAM 容量是20KB，2 個12bit，ADC 總合計12 路通道，37 個通用I/O 口，4 個16bit 定時器，其工作電壓的范圍為2V～3.6V，環境的工作溫度為-40°C～85°C，系統時鐘最高可到72MHz[2]。其內部集成里很多的功能模塊，電路結構也簡單了很多，同時大大的縮小的外形的尺寸降低了成本。

2.與51 單片機相比，STM32F103C8T6 處理芯片的地址空間可通過外擴之后可以高達4GB，在一般的情況下不需要外擴這么多儲存地址單元，只要外擴1GB 即可夠用了。此外51 單片機的ROM 儲存只有在2K—64K 之間，RAM 也僅僅128B—1K；而STM32F103C8T6 的ROM 的儲存有高達20K—1MB，RAM 有8K-256K,外設：傳統的51 單片機只有三個定時器與一個串口通訊，但是在STM32F103C8T6 的身上卻是擁有著DA、AD、TINER、WWDG、IWDG、CRC、MDA、IIC、SPI、USART 等外設功能[3]。在開發的操作軟件上，在早期的51 單片機上是采用了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點，選擇STM32F103C8T6 是最佳的選擇。

4 驅動控制電路圖設計

采用3 輸出3 輸入的電路原理圖開頭的IR2104 是半橋驅動器，也就是開關芯片，開關的間隔150-580 納秒，也是非常的迅速的[4]。其中的MOS 采用了IR7843,這是N 通道的增強型MOS 管，其中的對應角分別是DGS,主要的工作原理也應當是首先當VGS 的電壓大于VDS 時，D-S 之間的載流子會不斷減少，當其載流子界面產生負的界面會導致IDS 導通，從而VGS 的電壓大小可以控制通過MOS 管的IDS 的大小。兩個電容起到濾波的作用，采用半橋驅動的方法可達到電路穩定且抗干擾強，輸出的效率高等優點。

5 通訊模塊的選取

選用的是基于合宙Air724 系列高性價比的Cat14GDTU通訊模塊。該模塊支持移動、電信、聯通全網通4G；同時支持USB、3.3VTTL 電平串口(UART)、RS485 的通訊方式，該模塊可支持二次開發，可以在基于騰訊云、阿里云、華為云等諸多的服務器通過MQTT 通訊協議上做二次開發，且二次開發的成本低，開發的起來容易。在體積上尺寸合適，方便使用標準的AT 命令固件、DTU 透傳固件和Lua 二次開發，支持TCP/UDP/HTTP、NTP/HTTPS/PING/MQTT 等協議，更方便的集成到自己的設備控制系統中（控制結構圖1 如所示）。

圖1 4GDTU 通訊原理圖

獲取時差代碼：

6 總結

本設計以實時在線檢測渠道水位流量信息為目標，設計基于多層超聲波和時差法的渠道測量方案，設計基于太陽能的無線傳輸設備和數據采集器，實現遠程傳輸，借助太陽能供電可節約能源，設備和系統可提高了斷面平均流速的準確度和水量的準確性，提高灌區有效系數監測精度，解決了目前灌區水流量監測精度低和安裝易破壞的問題，為科學、精確的確定灌溉用水決策提供了基礎。