欧幸福 陈文凤 杨元凯 易铭

摘 要：本文旨在通过阐述偏远灌区水利灌溉技术的重要性，以寻找解决偏远灌区的水利灌溉问题为目的，在灌区现有闸门控制技术的基础上进行了水利闸门远程智能控制技术研究，基于单片机技术和GSM远程通信技术设计了灌区闸门远程联控系统的设计，实现闸门控制站“无人值班”（少人值守）的目标，对其他类似工程的技术研究具有一定借鉴作用。

关键词：Atmega16；GSM无线通信；闸门控制

基金项目：佛山市科技创新专项资金项目（2014AG10015）

水利闸门是水利灌区工程中最为重要的基础工程，闸门调节在抗洪排涝、水利灌溉过程具有重要的意义，闸门控制效果对能源、水利工程安全、水资源的利用效率、节约用水和保护工农业生产等方面发挥着巨大的经济价值。目前国内灌区的水质、水流量自动采集和监控技术基本成熟，形成了完备的数据采集和监控系统，但是在根据有关数据进行闸门远程智能方面成熟的案例不多。随着无线通信和微控制器技术的深入研究和广泛应用，为灌区闸门的智能远程控制提供一些借鉴作用。本文基于单片微控制技术和GSM无线通信技术设计了偏远灌区闸门远程控制系统，实现对闸门的自动远程监控，对于偏远地区的灌区闸门、闸位联控具有极高的应用价值。

1 系统总体设计

本系统采用单片机作为主控制器，其外围电路包括：RS232电平转换电路、USB接口电路、LCD液晶显示模块、GSM无线模块以及电源模块等。远程用户通过GSM无线通信模块发送控制闸门电机动作的命令数据，实现对闸门的远程控制；主控制分别对水位、闸位信息进行实时采集，分析采集获取的水位、闸位数据，根据数据结果实现对闸门的自动控制；同时，将采样获取的水位、闸位数据通过RS232串行接口发送到中央控制室的数据服务器；为了方便用户管理和维护闸门控制系统和现场操作闸门，系统设置液晶显示模块和按键模块，水位、闸位信息可以通过LCD液晶显示屏进行现场显示；水闸门管理维护人员可在中央控制室PC机的监控终端软件上通过向控制系统发送闸位数据和控制命令等，PC机通过RS232串口将数据传输到闸门控制系统上，并控制闸门进行相应动作。系统结构如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 主控模块硬件电路设计

本系统采用性能优异、价格适中的AVR系列Atmega16单片机作为主控制器。该型单片机是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器，以低功耗、高速度特性被广泛用于电子行业的各领域。Atmega16单片机具有高效的指令集和快速的指令执行时间，ATmega16的数据运算速度高达16MIPS/MHz，可以有效缓解系统在功耗和运算速度之间的矛盾，完全满足本系统的功能需求。

系统主控制器包括ATmega16单片机、晶振电路和复位电路等。系统主控制器电路如图2所示。

2.2 GSM模块电路设计

GSM模块主要是用来建立无线信道，接收和发出短消息，单片机系统用来控制GSM模块，并且对收到的短消息信息进行解析并执行。本文设计的无线通信模块采用Siemens公司的TC35通信模块，该模块包括GSM基带处理器、GSM射频模块、存储器、电源模块（ASIC）、ZIF连接器和天线接口等六个部分。该模块具有40个功能引脚，可分为电源、数据输入/输出、SIM 卡、音频接口和控制等五类。 在实际应用时：（1）该模块供电须为3V-5V直流电压，模块启动时需要在IGT引脚输入一个下降沿时间大于1ms、持续时间大于100 ms的低电平信号，模块启动后该引脚需要置高电平。（2）模块中的CCIN引脚用识别SIM卡支架中是否插有SIM卡。当检测到已插入SIM卡，且该引脚置为高电平时，系统可进入正常工作状态。（3）模块中的SYNC引脚有两种工作模式，一种是设置信号发射状态时的功率增长情况，另一种是设置TC35模块的工作状态。

GSM模块电路如图所示。

2.3 GSM模块与单片机通信设计

本文中单片机与GSM模块的连接采用9针RS232串行异步通信接口进行数据收发。由于单片机通信输入输出接口的信号为TTL电平格式，即单片机和GSM模块不能直接通信，可采用TI公司的MAX232芯片实现电平转换和串口通信功能。MAX232芯片具有良好的电源管理机制：当串口在30秒时间内没有数据输入的情况时，即接收和发送引脚没有检测到有效信号，MAX232芯片设置为节能工作模式。MAX232芯片如果检测到接收或发送引脚有信号输入，该芯片自动被激活，转入正常工作状态。该芯片的以上特性，满足了TC35作为移动终端的接收和发送电路连接要求。

3 TC35通信實现

系统主控器单片机通过RS232串行接口向TC35模块发送AT命令，实现对TC35短信模块的控制和通信。本文主要采用基于AT指令的Text模式实现TC35模块的收发短信功能。

（1）发送英文纯文本格式短信：

AT+CMGF=1：设置为Text模式。

AT+CSMP=17，167，0，0：设置Text模式参数。最后一个参数为设置数据编码类型，0表示设置为默认字符集（GSM）。

AT+CSCS=GSM：设置字符集为GSM字符集。

AT+CMGS：输入目标对象电话号码。

>“短信息内容”。其中表示结束符号。

（2）接英文纯文本格式短信

AT+CMGF=1：设置为Text模式。

AT+CSCS=GSM：设置字符集为GSM字符集。

AT+CMGL=ALL：显示所有短信息

+CMGL：显示所有短信息详情，其中“数字”表示记录号，“REC READ”表示已读，“REC UNREAD”表示未读，“+8618908550745”表示发送方号码，“02/05/19，22：17：31+00”表示接收时间。

AT+CMGL=UNREAD：显示所有未读短信息，未读短信显示后即变为已读短信。

4 软件实现过程

闸门管理员通过手机按照AT命令格式编辑控制命令短信息发送到闸门远程控制系统，由系统的GSM通讯模块接收短信控制命令，并校验、解析提取控制命令，并通过RS232串行通信接口将解析后的控制命令传送至单片机主控器，单片机主控器对传送的短信数据进行分析，判断是否有预设合法用户发送的短信，并提取短信中有效控制命令，根据命令码控制闸门控制器的相关动作。最后将前一时刻的水位、闸位和控制结果信息再通过RS232串行接口传输至GSM短信通讯模块，由GSM短信通讯模块将结果信息以纯文本格式的短信息方式发送系统管理员用户的手机终端，完成一次闸门远程控制过程。单片机再次回到等待命令的状态。具体实现过程如图所示。

5 结束语

本文设计基于Atmega16单片机的灌区闸门远程控制系统，充分利用TC35短信通信芯片实现灌区闸门的远程数据发送、故障报警和远程控制等功能，具有低成本、低功耗、高可靠性和高效性等特点，可广泛应用到偏远库区、中小河道、灌区、供水渠的闸门现地控制和无线远程控制等领域，有效改善偏远灌区闸门、闸位联控的手段，缩短闸门控制和信息处理所需的时间，实现闸门控制站“无人值班”（少人值守）的目标，提高灌区管理的技术水平，具有较好的市场推广和应用价值。