CN213024019U - 一种基于Arduino的水闸自动化控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及水利水电工程技术领域，公开了一种基于Arduino的水闸自动化控制系统，包括水情监测模块、闸门电机控制电路、微处理器控制模块、数据传输模块与电源模块，水情监测模块用于监测闸门上下游水位，监测闸门开启程度，监测河道流速，其通过数据传输模块与微处理器控制模块连接，将实时监测的水情信息传输至微处理器控制模块，微处理器控制模块与闸门电机控制电路电路连接，用于发送控制指令进行控制闸门电机M1的开闭。与现有技术相比，本实用新型对水情信息进行监控，节省人力成本，以较低的控制设备投资完成蓄水闸现场以及远程自动化控制，实现无人化的高效率管理。

Description

一种基于Arduino的水闸自动化控制系统

技术领域

本实用新型涉及水利水电工程技术领域，特别涉及一种基于Arduino的水闸自动化控制系统。

背景技术

目前，平原地区蓄水闸数量众多，空间布局分散，主要依赖人工进行手动操作控制，容易造成蓄水闸调控不及时，控制效率不高，且耗费较高的人工管理成本，有较大的自动化控制需求。可编程逻辑控制器（PLC）在工业级别的自动化控制中被广泛应用，具有稳定可靠、抗干扰能力强、可扩展性强的优点，但是PLC控制器设备价格昂贵，不适用于总体项目投资较低的平原农村地区蓄水闸的自动化控制。

Arduino是一个开放源代码的计算机控制平台，包括硬件(各种型号的Arduino板)和软件(Arduino IDE)），具有灵活便捷，易于学习的特点。Arduino提供与PLC媲美的丰富的控制功能，而设备成本却仅为PLC的十分之一。平原农村地区蓄水闸控制方式简单，总体投资水平有限，在解决抗干扰等问题的情况下，运用基于Arduino的自动化控制系统对于此类蓄水闸进行远程自动化控制更具实用性。

实用新型内容

实用新型目的：针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种基于Arduino的水闸自动化控制系统，对于蓄水闸上下游水位、闸门起闭状态、闸门开度、河道流量等水情信息进行监控，节省人力成本，以较低的控制设备投资完成蓄水闸现场以及远程自动化控制，实现无人化的高效率管理。

技术方案：本实用新型提供了一种基于Arduino的水闸自动化控制系统，包括水情监测模块、闸门电机控制电路、微处理器控制模块、数据传输模块与电源模块；

所述闸门电机控制电路包括闸门电机M1、热继电器FR1、交流接触器KM1与交流接触器KM2，所述交流接触器KM1与交流接触器KM2并联后与所述热继电器FR1连接，所述热继电器FR1与所述闸门电机M1连接；

所述水情监测模块用于监测闸门上下游水位，监测闸门开启程度，监测河道流速，其通过所述数据传输模块与所述微处理器控制模块连接，将实时监测的水情信息传输至所述微处理器控制模块，所述微处理器控制模块与所述闸门电机控制电路电路连接，用于发送控制指令进行控制所述闸门电机M1的开闭；

所述电源模块与所述水情监测模块、闸门电机控制电路、数据传输模块电连接，为水情监测模块、闸门电机控制电路、数据传输模块供电。

进一步地，还包括远程控制平台，所述微处理器控制模块通过所述数据传输模块与所述远程控制平台连接，接收并执行控制指令，且向远程控制平台反馈控制信息。

进一步地，所述水情监测模块包括超声波测距模块、开度编码器、流量计；所述超声波测距模块能够监测闸门上下游水位，所述开度编码器安装于闸门上，监测闸门起闭状态，所述流量计安装于河道一侧，用于监测河道流速；所述超声波测距模块、开度编码器、流量计均所述微处理器控制模块信号连接。

进一步地，所述微处理器控制模块包括Arduino UNO控制器、继电器、显示屏以及报警器，所述Arduino UNO控制器与所述继电器、显示屏、报警器均电路连接，所述ArduinoUNO控制器通过串口与数据传输模块连接从而实现与远程控制平台的通信。

进一步地，所述数据传输模块选用SIM900A GSM/GPRS无线通信模块，所述ArduinoUNO控制器D0/RX端口与所述SIM900A GSM/GPRS无线通信模块SIM_TX端口连接，所述Arduino UNO控制器D1/TX端口与所述SIM900A GSM/GPRS无线通信模块SIM_RX端口连接，从而实现与远程控制平台的通信。

进一步地，所述电源模块采用380V三相交流电，为所述闸门电机控制电路供电，且配备220VAC/5VDC电源转换器为所述Arduino UNO控制器供电，且配备220VAC/12VDC电源转换器为所述SIM900A GSM/GPRS无线通信模块供电。

有益效果：

本实用新型运用Arduino UNO控制器处理水情监测模块获取的蓄水闸闸门启闭状态、闸门开度、闸门上下游水位、河道流量等水情信息，依据“闸门开度—流量”模型实现对蓄水闸的精确化、即时性控制；节省控制系统设备和人工运维管理成本，降低总体投资水平。

附图说明

图1为本实用新型电路连接结构示意图；

图2为本实用新型闸门电机控制电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细的介绍。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型涉及水闸水力机械系统，属于水利水电工程技术领域、水环境治理工程、城镇供排水及农田灌溉工程技术领域。

本实用新型公开了一种基于Arduino的水闸自动化控制系统，主要包括水情监测模块、闸门电机控制电路、微处理器控制模块、数据传输模块、远程控制平台与电源模块。

水情监测模块用于监测闸门起闭状态，监测闸门上下游水位，监测闸门开启程度，监测河道流速，其过数据传输模块与微处理器控制模块连接，将实时监测的水情息传输至微处理器控制模块，微处理器控制模块与闸门电机控制电路电路连接，用于发送控制指令进行控制电机M1的开闭。

电源模块与所述水情监测模块、闸门电机控制电路、数据传输模块电连接，为水情监测模块、闸门电机控制电路、数据传输模块供电。

该自动化控制系统还包括远程控制平台，微处理器控制模块通过数据传输模块与远程控制平台连接，接收并执行控制指令，且向远程控制平台反馈控制信息，比如远程控制平台可以是APP或者是PC客户端，通过APP或者PC客户端可以发送控制指令或者接受水情监测模块的检测信息，比如闸门起闭状态，闸门上下游水位，闸门开启程度以及河道流速等。

水情监测模块主要包括超声波测距模块、开度编码器、流量计，超声波测距模块能够监测闸门上下游水位，闸门开度编码器安装于闸门上，监测闸门起闭状态，流量计安装于河道一侧，用于监测河道流速；超声波测距模块、开度编码器、流量计均与微处理器控制模块信号连接。

本实施方式中，超声波测距模块选用US-025超声波测距模块测量上下游水位，开度编码器选用ZWY-4系列闸门开度编码器，其与微处理器控制模块信号连接，将闸门的开闭状态传输给微处理器控制模块进行数据处理。流量计选用DX-LSX-1超声波流量计，通过MAX485模块接入微处理器控制模块，详细接线方式参见附图1。

微处理器控制模块包括Arduino UNO控制器、电磁继电器、显示屏以及报警器，Arduino UNO控制器与电磁继电器、显示屏、报警器均电路连接，Arduino UNO控制器通过串口与数据传输模块连接从而实现与远程控制平台的通信。本实施方式中，显示器选用LCD1602。报警器选用有源蜂鸣器以及LED警示灯，其均与Arduino UNO控制器连接，ArduinoUNO控制器用于控制显示屏显示当前的水情监测情况，Arduino UNO控制器控制报警器进行报警显示，当当前的水情监测信息超过各水情的阈值时，比如闸门上下游水位超过一定的水位、河道流速过大等情况，控制有源蜂鸣器响以及LED警示灯亮。

数据传输模块选用SIM900A GSM/GPRS无线通信模块，将SIM900A GSM/GPRS无线通信模块的SIM_RX端口与Arduino UNO控制器的D1/TX端口连接，SIM900A GSM/GPRS无线通信模块的SIM_TX端口与Arduino UNO控制器的D0/RX端口连接，Arduino UNO控制器通过串口向SIM900A模块发送AT指令实现通信功能。详细电路连接参见附图1。

本实施方式中，电源模块采用380V三相交流电，为闸门电机控制电路供电，且配备220VAC/5VDC电源转换器为Arduino UNO控制器供电，且配备220VAC/12VDC电源转换器为SIM900A GSM/GPRS无线通信模块供电。

闸门电机控制电路包括闸门电机M1、刀开关QS、熔断器FU1、热继电器FR1、交流接触器KM1与交流接触器KM2，热继电器FR1与闸门电机M1连接。刀开关QS连接熔断器FU1，随后熔断器FU1连接交流接触器KM1与交流接触器KM2连接，交流接触器KM1与交流接触器KM2并联后与热继电器FR1连接，参见附图2。三相电经过刀开关QS，再经过交流接触器KM1或交流接触器KM2的主触点，再接到三相电机闸门电机M1。闸门电机控制电路中还包括一对限位开关SQ1、SQ2。

辅助电路中，220V交流电经熔断器FU2、热继电器FR1常闭触点连接至按钮SB0；SB0为辅助控制电路总停按钮；SB1为闸门现场手动开启按钮；SB2为远程控制按钮，由远程控制模块的继电器常开主触点接入，Arduino UNO接受并处理控制指令通过电磁继电器实现对闸门电机M1的远程控制。SB1、SB2与交流接触器KM1常开触点三者并联与交流接触器KM1线圈配合实现电气自锁；SB1、SB2与交流接触器KM1并联后串联限位开关SQ1与交流接触器KM2常辅助常闭触点，实现交流接触器KM1、交流接触器KM2线圈互锁，确保闸门电机正转时，交流接触器KM2线圈不会得电使得常闭触点导通造成的控制冲突，在闸门完全开启后限位开关动作使得交流接触器KM1自锁断开。闸门关闭控制电路与闸门开启电路相似，不再赘述。

微处理器控制模块的电磁继电器可实现弱电控制信号与强电信号的隔离，防止强电电路电压波动对于微处理器控制模块的干扰。

本实用新型工作原理如下：

当向微处理器控制模块发送控制指令后，指令通过串口传输到Arduino UNO控制器，Arduino UNO控制器将获取到的控制信息进行处理判定并且执行。如果接受到的是有效开闸控制信息，Arduino UNO控制器会通过数字输出端口控制电磁继电器常开触点闭合，从而使得闸门电机控制电路中SB2按钮按下，交流接触器KM1线圈导通并通过常开触点保持自锁，闸门电机保持正转，闸门完全开启，限位开关动作，使得交流接触器KM1断开自锁，电机停止运转，完成一次远程开启闸门全过程。开度编码器、流量计、超声波测距模块向远程控制平台实时反馈闸门起闭状态与开启程度，保证对闸门状态的远程监控。现场控制时按下SB1闸门开启按钮，与远程闸门启动过程与远程控制一致，不再赘述。闸门远程关闭及现场关闭过程与闸门开启过程类似，不再赘述。

上述实施方式只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于Arduino的水闸自动化控制系统，其特征在于，包括水情监测模块、闸门电机控制电路、微处理器控制模块、数据传输模块与电源模块；

所述闸门电机控制电路包括闸门电机M1、热继电器FR1、交流接触器KM1与交流接触器KM2，所述交流接触器KM1与交流接触器KM2并联后与所述热继电器FR1连接，所述热继电器FR1与所述闸门电机M1连接；

所述水情监测模块用于监测闸门起闭状态，监测闸门上下游水位，监测闸门开启程度，监测河道流速，其通过所述数据传输模块与所述微处理器控制模块连接，将实时监测的水情信息传输至所述微处理器控制模块，所述微处理器控制模块与所述闸门电机控制电路电路连接，用于发送控制指令进行控制所述闸门电机M1的开闭；

所述电源模块与所述水情监测模块、闸门电机控制电路、数据传输模块电连接，为水情监测模块、闸门电机控制电路、数据传输模块供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于Arduino的水闸自动化控制系统，其特征在于，还包括远程控制平台，所述微处理器控制模块通过所述数据传输模块与所述远程控制平台连接，接收并执行控制指令，且向远程控制平台反馈控制信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于Arduino的水闸自动化控制系统，其特征在于，所述水情监测模块包括超声波测距模块、开度编码器、流量计；所述超声波测距模块能够监测闸门上下游水位，所述开度编码器安装于闸门上，监测闸门起闭状态，所述流量计安装于河道一侧，用于监测河道流速；所述超声波测距模块、开度编码器、流量计均所述微处理器控制模块信号连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于Arduino的水闸自动化控制系统，其特征在于，所述微处理器控制模块包括Arduino UNO控制器、电磁继电器、显示屏以及报警器，所述ArduinoUNO控制器与所述电磁继电器、显示屏、报警器均电路连接，且所述Arduino UNO控制器通过串口与所述数据传输模块连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于Arduino的水闸自动化控制系统，其特征在于，所述数据传输模块选用SIM900A GSM/GPRS无线通信模块，所述Arduino UNO控制器的D0/RX端口与所述SIM900A GSM/GPRS无线通信模块的SIM_TX端口连接，所述Arduino UNO控制器的D1/TX端口与所述SIM900A GSM/GPRS无线通信模块的SIM_RX端口连接，从而实现与远程控制平台的通信。

6.根据权利要求5所述的一种基于Arduino的水闸自动化控制系统，其特征在于，所述电源模块采用380V三相交流电，为所述闸门电机控制电路供电，且配备220VAC/5VDC电源转换器为所述Arduino UNO控制器供电，且配备220VAC/12VDC电源转换器为所述SIM900AGSM/GPRS无线通信模块供电。

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