闸门远程控制系统及其远程控制方法.pdf

本发明提供一种闸门远程控制系统及其远程控制方法，包括远端上位机、闸门电机控制模块以及电源模块，所述控制系统采集闸位传感器和水位传感器的数据并进行处理，以设置的时间间隔将数据加上时间标签后存储，日期和时间由时钟芯片提供。系统按选择类型和设定的参数工作。本发明既实现了闸门遥测遥控要求，保证闸门控制的时效性、安全性和可靠性，适应各种恶劣的现场环境，同时也可以在现场进行人工控制或自动控制。本发明提高了滩涂围塘养殖工程现代化管理水平，减低人工成本提高工作效率。

1.  一种闸门远程控制系统，其特征在于，包括远端上位机(100)、用于控制闸门 电机的控制模块(200)以及电源模块(300)；
所述控制模块与为其提供工作电源的电源模块交互式电连接，所述控制模块与 远端上位机通讯连接，所述控制模块的输出端连接有用于显示闸门数据的显示触摸 屏(400)；
所述控制模块(200)包括控制器(210)和ZIGBEE通讯模块(220)，所述控制器分别 与闸位传感器(230)和水位传感器(240)交互式电连接，控制器将检测到的闸位和水位 信息通过RS-232总线接口(250)传输给ZIGBEE通讯模块，所述ZIGBEE通讯模块 与远端上位机联网通讯；所述控制器交互式连接有用于提供实时时钟和定时中断的 时钟芯片(260)以及用于存储闸门数据的存储器(270)。

2.  根据权利要求1所述的闸门远程控制系统，其特征在于，所述电源模块(300) 包括蓄电池(310)和太阳能充电板(320)，该太阳能充电板通过充电控制电路板(330) 为蓄电池供电，该蓄电池与所述控制器交互式电连接。

3.  根据权利要求1所述的闸门远程控制系统，其特征在于，所述控制器(210)通 过RS-485总线接口(280)与闸门电机(290)电连接。

4.  基于权利要求1所述闸门远程控制系统的闸门远程控制方法，其特征在于， 包括如下步骤：
1)控制器检测太阳能充电板的输出电压，比较蓄电池与太阳能充电板的输出电 压，若蓄电池电压小于太阳能充电板的输出电压，则太阳能充电板通过充电控制电 路板给蓄电池充电，若蓄电池电压大于等于太阳能充电板的输出电压，则转入浮充 状态，并执行步骤2；
2)控制器采集闸位传感器和水位传感器的数据信号并处理，读取时钟芯片的日 期和时间，把数据加上时间标签后，以设置的时间间隔把处理后的闸位和水位数据 存储到存储器中，并与设定的参数进行比较，选择工作类型，当闸位和水位均在上 下限范围以内，可以选择远程控制方式，执行步骤3)，当闸位和水位在上下限以内， 且时间等于设定时间，选择自动控制方式，执行步骤4)，当闸位和水位超过上下限 时，选择手动控制方式，执行步骤5)；
3)将比较结果通过RS-232总线接口发送至ZIGBEE通讯模块，ZIGBEE通讯 模块再将数据发送至远端上位机，判断载荷和偏载数据是否超过设定值，若未超过 设定值，则根据闸位和水位值选择对应的动作指令(闸门上升指令、闸门下降指令、 停止指令)，指令由ZIGBEE通讯模块回传至控制器中，再由控制器执行相应的动作， 若超过设定值，则执行步骤5)；
4)自动控制的具体方法为：根据库区水位、设定水位以及闸门变化的情况，在 设定时间点，自动控制闸门启闭给库区补水、排水或保水。
5)所有的动作由本地按钮控制，如上升按钮、下降按钮、停止按钮等。各传感 器信号输入闸门控制系统并显示出来，当闸门位置到达上限位或下限位时，将发出 声音报警。操作的类型、时间及上下终止位置信息将被保存下来，同时其他如荷重、 偏载、水位、水温、流速等信息也将被保存下来。

5.  根据权利要求4所述的闸门远程控制方法，其特征在于，步骤4)中，所述自 动控制包括开闸进水、开闸泄水、关闸保水和闸门停止四个动作，各动作的触发条 件逻辑表达式如下：
41)开闸进水：当时间等于开闸进水设定时间时，满足逻辑表达式：
Y₁＝A₁*B*C*D
其中Y₁为开闸进水状态，当Y₁＝1时，控制器发送闸门上升指令，用于启动闸门 电机上升动作，Y₁＝0时，无输出；A₁、B、C、D分别对应水位、闸门电机载荷 值、闸门电机偏载值和闸位的变化情况，当水位小于设定开闸进水水位时A₁＝1，大 于等于时A₁＝0，当载荷值位于载荷上下限位内时B＝1，之外时B＝0，当偏载值小 于等于偏载设定值时C＝1，大于时C＝0，当闸位等于闸门下限位时D＝1，上限位 时D＝0；
42)开闸泄水：当时间等于开闸泄水设定时间时，满足逻辑表达式：
Y 2 = A 2 ‾ * B * C * D ]]>
其中Y₂为开闸泄水状态，当Y₂＝1时，控制器发送闸门上升指令，用于启动闸门 电机上升动作，Y₂＝0时，无输出；当水位小于设定开闸泄水水位时A₂＝1，大于等 于时A₂＝0；
43)关闸保水：当水位等于关闸保水水位时，满足逻辑表达式：
Y 3 = B * C * D ‾ ]]>
其中Y₃为关闸保水状态，当Y₃＝1时，控制器发送闸门下降指令，用于启动闸门 电机下降动作，Y₃＝0时，无输出；
44)闸门停止：满足逻辑表达式：
Y₄＝B*C*D
其中Y₄为闸门停止状态，当Y₄＝1时，控制器发送闸门停止指令，用于停止闸门 电机动作，Y₄＝0时，无输出。

闸门远程控制系统及其远程控制方法
技术领域
本发明涉及自动化技术领域，尤其涉及一种用于海产品滩涂围塘养殖闸口测控 的闸门远程控制系统及其远程控制方法。
背景技术
海产品滩涂围塘养殖是现代渔业的重要生产方式之一，对国家的经济建设以及 社会和谐发展起着重要的作用。在国民经济高速发展的形势下，滩涂围塘养殖设备 自动化控制行业也得到了高速的发展，只有积极应用科学技术来开发新产品，提高 滩涂围塘养殖设备的自动化控制水平，才能够更好满足社会需求。由于滩涂围塘养 殖面积往往较大，闸门离控制室路程较远，特别是偏远的地区，管理人员无法第一 时间获得闸门现场数据以及水位信息，不能做到实时监控预警，人工管理成本高， 生产效率低。
发明内容
本发明提供一种闸门位移和水位检测的数据采集并进行遥测遥控的闸门远程控 制系统及其远程控制方法，以适应远程无人值守条件下的闸门现场环境，本发明既 可以远端进行监视控制，也可以在现场进行人工或者按设定条件进行自动控制，以 适应各种现场环境，减低人工压力。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种闸门远程控制系统，包括远端上位机、用于控制闸门电机的控制模块以及 电源模块；
所述控制模块与为其提供工作电源的电源模块交互式电连接，所述控制模块与 远端上位机通讯连接，所述控制模块的输出端连接有用于显示闸门数据的显示触摸 屏；
所述控制模块包括控制器和ZIGBEE通讯模块，所述控制器分别与闸位传感器 和水位传感器交互式电连接，控制器将检测到的闸位和水位信息通过RS-232总线接 口传输给ZIGBEE通讯模块，所述ZIGBEE通讯模块与远端上位机联网通讯；所述 控制器交互式连接有用于提供实时时钟和定时中断的时钟芯片以及用于存储闸门数 据的存储器。
进一步地，所述电源模块包括蓄电池和太阳能充电板，该太阳能充电板通过充电 控制电路板为蓄电池供电，蓄电池与所述控制器交互式电连接。
所述控制器通过RS-485总线接口与闸门电机电连接。
基于上述权利要求，所述闸门远程控制系统的闸门远程控制方法，包括如下步骤：
1)控制器检测太阳能充电板的输出电压，比较蓄电池与太阳能充电板的输出电 压，若蓄电池电压小于太阳能充电板的输出电压，则太阳能充电板通过充电控制电 路板给蓄电池充电，若蓄电池电压大于等于太阳能充电板的输出电压，则转入浮充 状态，并执行步骤2；
2)控制器采集闸位传感器和水位传感器的数据信号并处理，读取时钟芯片的日 期和时间，把数据加上时间标签后，以设置的时间间隔把处理后的闸位和水位数据 存储到存储器中，并与设定的参数进行比较。当闸位和水位均在上下限范围以内， 可以选择远程控制方式，执行步骤3)，当闸位和水位在上下限以内，且时间等于设 定时间，选择自动控制方式，执行步骤4)，当闸位和水位超过上下限时，选择手动 控制方式，执行步骤5)；
3)将比较结果通过RS-232总线接口发送至ZIGBEE通讯模块，ZIGBEE通讯 模块再将数据发送至远端上位机，判断载荷和偏载数据是否超过设定值，若未超过 设定值，则根据闸位和水位值选择对应的动作指令(闸门上升指令、闸门下降指令、 停止指令)，指令由ZIGBEE通讯模块回传至控制器中，再由控制器执行相应的动作， 若超过设定值，则执行步骤5)；
4)自动控制的具体方法是，根据库区水位、设定水位以及闸门变化的情况，在 设定时间点，自动控制闸门启闭给库区补水、排水或保水。
所述自动控制包括开闸进水、开闸泄水、关闸保水和闸门停止四个动作，各动 作的触发条件逻辑表达式如下：
41)开闸进水：当时间等于开闸进水设定时间时，满足逻辑表达式：
Y₁＝A₁*B*C*D
其中Y₁为开闸进水状态，当Y₁＝1时，控制器发送闸门上升指令，用于启动闸门 电机上升动作，Y₁＝0时，无输出；A₁、B、C、D分别对应水位、闸门电机载荷 值、闸门电机偏载值和闸位的变化情况，当水位小于设定开闸进水水位时A₁＝1，大 于等于时A₁＝0，当载荷值位于载荷上下限位内时B＝1，之外时B＝0，当偏载值小 于等于偏载设定值时C＝1，大于时C＝0，当闸位等于闸门下限位时D＝1，上限位 时D＝0；
42)开闸泄水：当时间等于开闸泄水设定时间时，满足逻辑表达式：
Y 2 = A 2 ‾ * B * C * D ]]>
其中Y₂为开闸泄水状态，当Y₂＝1时，控制器发送闸门上升指令，用于启动闸门 电机上升动作，Y₂＝0时，无输出；当水位小于设定开闸泄水水位时A₂＝1，大于等 于时A₂＝0；
43)关闸保水：当水位等于关闸保水水位时，满足逻辑表达式：
Y 3 = B * C * D ‾ ]]>
其中Y₃为关闸保水状态，当Y₃＝1时，控制器发送闸门下降指令，用于启动闸门 电机下降动作，Y₃＝0时，无输出；
44)闸门停止：满足逻辑表达式：
Y₄＝B*C*D
其中Y₄为闸门停止状态，当Y₄＝1时，控制器发送闸门停止指令，用于停止闸门 电机动作，Y₄＝0时，无输出。
5)所有的动作由本地按钮控制，如上升按钮、下降按钮、停止按钮等，各个传 感器信号，输入闸门控制系统并显示出来，当闸门位置到达上限位或下限位时，将 发出声音报警。操作的类型、时间及上下终止位置信息将被保存下来，同时其他信 息如荷重、偏载、水位、水温、流速等信息也保存下来。
由以上技术方案可知，本发明采取远程遥测的方法来取得实时的闸门水位数据， 可在闸门启闭机等的自动化控制设备中使用，用于定时跟踪和检测闸门状态信息， 生成水位、水温、闸位、流速等控制信号，确认设备状态，只有实时的掌握闸口区 域的水情，才能及时的进行分析处理，有效的控制闸门启闭，减轻人工干预，提高 水情控制的准确性，避免水位等不恰当带来的损失，实现闸门遥测遥控要求，保证 闸门控制的时效性、安全性和可靠性，并适应各种恶劣的现场环境。本发明既可以 远端进行监视控制，又可以闸口现场进行人工或自动控制，提高了滩涂围塘养殖工 程现代化管理水平，减低人工成本提高工作效率。
附图说明
图1为本发明闸门远程控制系统的结构原理框图。
图中：100--远端上位机  200--控制模块
210--控制器            220--ZIGBEE通讯模块
230--闸位传感器        240--水位传感器
250—RS-232总线接口    260—时钟芯片
270—存储器            280--RS-485总线接口
290--闸门电机          201—按键
300--电源模块          310--蓄电池
320--太阳能充电板      330--充电控制电路板
400--显示触摸屏。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。
本发明闸门远程控制系统，包括位于控制室的远端上位机、用于连接控制闸门 电机的控制模块以及提供工作电源的电源模块。
其中控制模块与为其提供工作电源的电源模块交互式电连接，所述控制模块与 远端上位机无线通讯连接，所述控制模块的输出端连接有用于显示闸门数据的显示 触摸屏。
所述控制模块主要包括控制器和ZIGBEE通讯模块，该控制器由单片机和外围 处理电路构成，控制器分别与闸位传感器和水位传感器交互式电连接，为了检测到 更多现场信息，控制器还可以与水温传感器和荷重传感器交互式电连接，用于采集 处理水温和荷重数据。控制器将检测到的闸位、水位、水温、荷重信息通过RS-232 总线接口传输给ZIGBEE通讯模块，所述ZIGBEE通讯模块与远端上位机进行通讯。 所述控制器还交互式连接有提供实时时钟和定时中断的时钟芯片，以及存储闸门控 制数据的存储器。所述ZIGBEE通讯模块的供电是由控制器直接供电。
所述控制模块设有RS-485总线接口，该RS-485总线接口可用来连接RS-485总 线协议的设备(如闸门电机和增氧棒)，控制设备运行并采集相应的数据。RS-485 总线接口也可预留作为控制板扩展之用，可以通过级联的方式将诸多控制板级联在 一起。
所述控制器的输入端设有设置其参数的按键，用于设置诸如闸位上限位、闸位 下限位，水位上限位、水位下限位，水位基准值等参数，该按键也可用作手动操作 闸门。
所述电源模块包括蓄电池和太阳能充电板，该太阳能充电板通过充电控制电路 板为蓄电池供电，该蓄电池与所述控制器交互式电连接。这是由于闸门控制系统主 要应用在比较偏远的地方，该系统的通讯供电主要依靠蓄电池供电，但蓄电池供电 时间有限，所以需要利用太阳能充电板发电对蓄电池进行充电。但在野外不可预知 性因素较多，诸如太阳阳光的大小、蓄电池充电过量等，所以还需在太阳能充电板 与蓄电池之间加入了一个充电控制电路板，该充电控制电路板能智能控制太阳能充 电板给蓄电池供电，这样不仅保证了蓄电池能一直给闸门远程控制系统供电，也能 延长蓄电池的使用寿命。
所述显示触摸屏提供人机操作界面，用来显示闸门控制状态及测量数据，当水 位、水温和闸位等发生变化时候，显示屏上面的数据就会跟踪变化，显示当前实时 测得的数据。若需要更改闸门远程控制系统的设定状态时，则显示闸门的工作参数， 如设定基准值、当前值、数据变化率等。
远端上位机可根据实际需要远程发送命令给控制模块，由其驱动闸位传感器、 水位传感器、荷重传感器等进行现场实时检测，执行开闸、关闸的动作。闸位传感 器、水位传感器、水温传感器和荷重传感器为该系统的最下端设备，各传感器会将 数据通过信号线传输至控制器外围处理电路，外围处理电路将采集到的数据经适当 变换后发送至单片机，单片机对数据进行处理，并与设定的参数进行比较，选择工 作类型，根据工作类型将比较结果通过RS-232总线接口发送至ZIGBEE通讯模块， ZIGBEE通讯模块再将数据发送至远端上位机中进行数据分析，同时也将输入的数 据存储到控制模块的存储器中。远端上位机根据分析结果做出决策，形成动作指令， 由ZIGBEE通讯模块回传至控制器中，再由控制器执行相应的动作。这样远端上位机 就可以获取检测现场的闸位、水位的数据值以及其变化量，管理人员可根据实际情 况来采取相应的防范措施或预警措施。闸门远程控制系统根据上下限位的设定值， 在现场独立判断是否执行必要的保护动作，使闸门远程控制系统，在无人值守的情 况下安全运转，实现自动控制。
本发明闸门远程控制系统的控制方法，包括如下步骤：
1)控制器控制蓄电池充电
首先启动设备，设置控制模块参数，控制模块与显示触摸屏开始工作，同时控 制器检测蓄电池电压值控制其充电。控制器控制蓄电池充电的具体方法为：控制器 检测太阳能充电板的输出电压，比较蓄电池与太阳能充电板的输出电压，若蓄电池 电压小于太阳能充电板的输出电压，则太阳能充电板通过充电控制电路板给蓄电池 充电，若蓄电池电压大于等于太阳能充电板的输出电压，则转入浮充状态。控制器 用发光二极管指示充电电路的工作状态。为防止过充，当电池电压高于13.8V或电 池温度过高时，则停止充电。
太阳能充电板通过充电控制电路板给蓄电池供电，蓄电池的12V直流电输入控 制器，单片机的处理器使用保存的工作参数对各子系统初始化，并点亮显示屏，或 通过按键重新设置工作参数。单片机检测蓄电池电压值控制其充电，即在白天且电 池电压不足时，开启充电控制电路板的充电电路，由太阳能电池板给蓄电池充电， 电池充电指示灯点亮，当检测到蓄电池充满时自动关闭充电控制电路板的充电电路， 充电指示灯熄灭，浮充指示灯点亮。
控制模块参数设置具体为：控制器参数包括闸门限位、偏载限位、载荷限位、 温度限位、流速限位；ZIGBEE通讯模块的工作参数包括网络类型、网络ID、节点 类型、节点地址、无线频点等网络参数，各个参数应与远端上位机无线收发模块的 参数要对应。
2)控制器采集闸位传感器和水位传感器的数据信号并处理，读取时钟芯片的日 期和时间，把数据加上时间标签后，以设置的时间间隔把处理后的闸位和水位数据 存储到存储器中，并与设定的参数进行比较，选择工作类型，当闸位和水位均在上 下限范围以内，可以选择远程控制方式，执行步骤3)，当闸位和水位在上下限以内， 且时间等于设定时间，选择自动控制方式，执行步骤4)，当闸位和水位超过上下限 时，选择手动控制方式，执行步骤5)；
3)将比较结果通过RS-232总线接口发送至ZIGBEE通讯模块，ZIGBEE通讯 模块再将数据发送至远端上位机，判断载荷和偏载数据是否超过设定值，若未超过 设定值，则根据闸位和水位值选择对应的动作指令(闸门上升指令、闸门下降指令、 停止指令)，指令由ZIGBEE通讯模块回传至控制器中，再由控制器执行相应的动作， 若超过设定值，则执行步骤5)。
远端上位机获取闸门的状态、水位数据值以及其变化值，用户根据水位的实际 需要，比如在汛期要适当降低水位，在旱季需要适当提高水位，采取相应的防范措 施或预警措施，主控制室发送命令给控制机，通过闸门电机控制闸门动作。
闸门的启停指令是由远端上位机通过ZIGBEE设备发出，所有的工作条件(如 上下限位)也都由远端上位机设定，闸门现场的工作状态，工作参数也是由ZIGBEE 设备实时回传给主控制室，所有的操作类型(如上升、下降、停止)、操作时间(年 月日时分秒)，起停位置，以及其他的闸门现场数据都将被回传并记录。
4)自动控制的具体方法是，根据库区水位、设定水位以及闸门变化的情况，在 设定时间点，自动控制闸门启闭给库区补水、排水或保水。
自动控制包括开闸进水、开闸泄水、关闸保水和闸门停止四个动作，首先需要 设定各动作的触发条件，逻辑表达式如下：
41)开闸进水：当时间等于开闸进水设定时间时，满足逻辑表达式：
Y₁＝A₁*B*C*D
其中Y₁为开闸进水状态，当Y₁＝1时，控制器发送闸门上升指令，用于启动闸门 电机上升动作，Y₁＝0时，无输出；A₁、B、C、D分别对应水位、闸门电机载荷 值、闸门电机偏载值和闸位的变化情况，当水位小于设定开闸进水水位时A₁＝1，大 于等于时A₁＝0，当载荷值位于载荷上下限位内时B＝1，之外时B＝0，当偏载值小 于等于偏载设定值时C＝1，大于时C＝0，当闸位等于闸门下限位时D＝1，上限位 时D＝0。
42)开闸泄水：当时间等于开闸泄水设定时间时，满足逻辑表达式：
Y 2 = A 2 ‾ * B * C * D ]]>
其中Y₂为开闸泄水状态，当Y₂＝1时，控制器发送闸门上升指令，用于启动闸门 电机上升动作，Y₂＝0时，无输出；当水位小于设定开闸泄水水位时A₂＝1，大于等 于时A₂＝0；
43)关闸保水：当水位等于关闸保水水位时，满足逻辑表达式：
Y 3 = B * C * D ‾ ]]>
其中Y₃为关闸保水状态，当Y₃＝1时，控制器发送闸门下降指令，用于启动闸门 电机下降动作，Y₃＝0时，无输出；
44)闸门停止：满足逻辑表达式：
Y₄＝B*C*D
其中Y₄为闸门停止状态，当Y₄＝1时，控制器发送闸门停止指令，用于停止闸门 电机动作，Y₄＝0时，无输出。
自动控制触发条件可以现场手工设定，也可通过远程方式由主控制室设定。所 有的操作都将被记录并通过ZIGBEE设备传输至远端上位机。开闸进水和开闸泄水 的设定时间是根据潮汐变化来设定的，潮汐变化的时间点比较稳定。
5)所有的动作由本地按钮控制，如上升按钮、下降按钮、停止按钮等，各个传 感器信号，输入闸门控制系统并显示出来，当闸门位置到达上限位或下限位时，将 发出声音报警。操作的类型、时间及上下终止位置信息将被记录下来，同时其他信 息如荷重、偏载、水位、水温、流速等信息也将被记录下来。
本发明提高了滩涂围塘养殖工程的现代化管理水平，提高了滩涂围塘养殖系统 设备的安全性和可靠性，使得滩涂围塘养殖自动化设备的使用更加方便。本发明提 供快捷方便的信息，适应偏远条件的现场环境，既可以使用上位机进行监视控制， 又可以在现场进行人工或自动控制，降低人工成本，提高了工作效率。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的 范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明 的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围 内。