基于云-边-端协同与模糊算法的测控一体化闸门灌溉系统设计与应用

本文设计了一种基于STM32嵌入式微处理器和云-边-端协同架构（CEEA）的测控一体化闸门灌溉系统，集成物联网（IoT）传感技术、模糊逻辑（FL）控制算法，实现闸门开度精准调控与流量稳定控制，显著提升农业灌溉水资源利用效率，为现代节水农业技术发展提供新装备支持。

　　

Highlights

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  提出并设计了一种基于云-边-端协同架构（CEEA）与模糊逻辑（FL）控制的测控一体化闸门灌溉系统。
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  系统采用STM32嵌入式微处理器，集成传感器、LoRa通信与光伏供电模块，支持本地与远程控制。
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  闸门结构采用平板滑动设计，步进电机直驱螺纹副，结构简单、寿命长、维护成本低。
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  通过模糊控制算法实现流量动态调节，响应快、稳定性高，适应非线性和不确定性灌溉环境。

System overall program design

为解决我国灌溉渠道基础设施老化、管理方式落后导致的水资源利用率低问题，本研究开发了一套基于STM32的测控一体化闸门控制系统。系统依托云-边-端协同架构（CEEA），融合农业物联网（IoT）技术（如传感器、嵌入式系统、无线通信）与模糊逻辑（FL）控制算法。闸门本体采用可靠、稳定且可调的平板滑动结构，启闭机构通过步进电机直接驱动螺纹副实现闸板升降。控制系统涵盖主控单元、光伏供电、数据采集、无线通信、电机驱动等核心模块。云平台支持Web与移动终端远程监控与人机交互（HMI），实现便捷操作与数据可视化。闸门调控基于主控制器的边缘计算能力，结合目标流量与实时监测流量，通过FL控制实现开度与流量的精准稳定调节。

Experimental site and program

闸门安装于江苏省盐城市射阳县临海农场，选取水稻拔节期进行性能验证，模拟实际灌溉条件开展综合测试。在渠道一侧划定两个试验田块，每个田块长5 m、宽2 m，面积10 m2。试验内容包括闸门开度精度与响应时间验证、本地与远程控制误差对比、流量-开度与流量-闸后水位关系分析，以及自动流量控制性能测试。

Discussion

当前系统仅在稻田中央部署单一LoRa水位传感器，虽能反映中央区域水位，但因地形、渗漏、进出口位置等因素，单点数据难以全面代表全田水位分布。未来应在关键位置（如进水口、排水口、低洼处）增设传感器，构建多节点监测网络，提升水位监测代表性。此外，系统在极端天气（如强风、暴雨）下的稳定性仍需加强，建议增加防水、防尘与电磁屏蔽设计。

Conclusions

本研究设计并开发了一套基于云-边-端协同与模糊逻辑（FL）控制的测控一体化闸门灌溉系统，通过Simulink仿真表明系统可精准控制闸门开度，响应快速稳定，适应流量与水位的动态变化，保障灌溉水量精准调控与节水效益。模糊控制无需精确模型，鲁棒性强，尤其适用于中小型农业灌排工程，为现代农业节水技术发展提供了新装备支持。