分体式太阳能智能电动阀门

一、成果概述

Overview

1.1成果总体框架

本成果采用"开阀器—阀控器—阀体—太阳能供电系统"四模块分体式架构，自下而上形成"执行—控制—通信—应用"四个层次。开阀器（可调流阀门电动执行器）通过快拆式连接件直接加装在现有 D90 标准球阀上，以 STM32 微控制器、AS5600 磁编码器和 5000:1 精密减速机构实现 0°～90° 开度闭环调节；阀控器（多路控制太阳能阀门控制器）作为能源中心与逻辑枢纽，经 RS485 总线对 1～4 路开阀器独立寻址，集成 MPPT 光伏充电与电池主动均衡；通信链路以 4G Cat.1 为主、LoRa 为辅，基于 OneNET 物模型和 MQTT 协议与云端水肥一体化自动控制系统交互，并在断网时依据本地应急策略自主关阀。

图 1　分体式太阳能智能电动阀门技术框架（依据验收总结报告第二章 3.1—3.4 节绘制）

图 2　分体式太阳能智能电动阀门设计、实物及现场安装图

1.2成果简介

二、成果技术体系构成

Technical Architecture

本成果不是单一的电动阀门，而是由高精度执行器、多路太阳能控制器、能源管理、通信协议与边缘群控逻辑共同构成的田间轮灌自动控制装备体系。早期第一代阀门控制系统采用隔膜阀和 LoRa 通信，实际应用中暴露出隔膜阀易堵塞、LoRa 通信受限、整体维护困难等问题；课题组在后续研发中转向基于球阀流道的分体式架构，并对行程监测、驱动电路、控制核心和通信方式持续迭代，形成了现行第三代产品。

2.1分体式模块化机械架构

执行器外壳与标准球阀之间采用快拆式连接结构，实现物理解耦，可针对磨损或故障部件单独更换升级，避免单一部件损坏导致整机报废；外部磁吸复位设计使运维人员无需打开外壳即可用磁铁完成主控板复位，减少频繁拆装导致的密封失效风险。

2.2开阀器：可调流阀门电动执行器

2.3阀控器：多路控制太阳能阀门控制器

2.4太阳能能源管理系统

能源管理系统集"充电—均衡—稳压"于一体：TP5100 充电管理芯片将光伏电能充入双节串联（2S）8.4 V 锂电池组；ETA3000 电感式主动均衡芯片通过电感储能在两节电池间转移能量，保持电芯电压一致、延长循环寿命；MIC29302 大电流低压差稳压器为通信模组提供 4 V 电源，ME6206 为 MCU 与逻辑电路提供 3.3 V。分压电阻网络接入 ADC，实时采集太阳能板电压、电池组总电压和单节电芯电压，执行过充、过放保护；光照不足或欠压时自动切断非必要外设，光照充足时进入最大效率充电模式。

2.5通信协议、物模型与边缘群控

课题组针对 Air724UG 与 Air780EPM 模组特性开发了适配低带宽、高并发场景的混合应用层协议：数据以紧凑二进制与自定义 Modbus-RTU 指令集传输，4G 链路层采用 MQTT 协议；心跳包间隔随信号质量和电池电量动态调整；针对弱网引入断点续传与指令 ACK 重发。第三代控制器集成本地异常处理逻辑，通信中断时依据本地存储的应急策略自主判断是否关阀，避免失联漫灌；结合行程监测数据增加阀门卡滞识别。基于 OneNET 物模型标准，将设备能力抽象为属性、事件和服务三类：

三、解决的关键瓶颈技术

Bottlenecks Resolved

本成果针对新疆大田轮灌自动化改造中长期存在的四类瓶颈开展攻关。以下每一方向均标注对应的佐证材料来源。

3.1瓶颈一：一体式电动阀门难以适配长短管轮灌、损坏即整机报废

问题实质。传统一体式电动阀门将执行机构、控制单元与阀体集成为一体，只能控制单一出水口，无法对"一出二""一出四"的长短管轮灌进行自动控制改造；新疆水质泥沙、盐碱含量高，隔膜阀易堵塞，任一部件损坏都需整机更换，维护成本高。

技术路线。提出"开阀器—阀控器—阀体—供电系统"分离式架构，执行器以快拆式连接件加装于现有标准手动球阀；一个阀控器经 RS485 总线对 1～4 个开阀器独立寻址，三通式和五通式半球阀阀体分别适配支管轮灌和长短管轮灌。

突破意义。实现现有手动球阀的低成本电动化改造和部件级维护，据课题组前期运维情况估算维护成本降低 90% 以上；为长短管轮灌提供了可行的自动化改造方案，支撑了华兴农场 5495 亩智能出水桩改造。

佐证。验收总结报告第二章 3.1.1 节、第 1.1 节"取得成果"；实用新型专利"一种灌溉用阀门电动执行器"（ZL 2023 2 2863469.5）；外观设计专利"球阀与电动执行器连接件"（ZL 2023 3 0725093.4）、"太阳能电动半球阀"（ZL 2024 3 0464627.7）。

3.2瓶颈二：阀门只能开 / 关，开度调节精度低、易卡滞

问题实质。同一轮灌组内不同出水口压力差异大，"开 / 关式"阀门无法调水调压，造成近端过供、远端欠供；电机堵转、阀门过行程会损坏设备。

技术路线。行程监测由霍尔开关阵列分级检测升级为"AS5600 磁编码器 + H 桥驱动 + STM32 智能控制"闭环方案，通过 I2C 读取电机主轴绝对角度实现 0°～90° 闭环调节；驱动电路集成电流采样，实时识别堵转、过载并触发停机保护；5000:1 精密减速机构在低功耗下输出满足球阀驱动的扭矩。

突破意义。调节精度达 0.5°，实测突发断电重启后能自动恢复至断电前设定开度、开度步进精度控制在 5% 以内，为轮灌组内压力均衡调控（见成果 3）提供了可执行的"阀门开度"控制变量。

佐证。验收总结报告第二章 3.1.2 节、3.4.3 节；实用新型专利"一种磁力减速电机结构"（ZL 2023 2 3253867.1）；论文《大田灌溉阀门控制系统设计与实验》（《现代电子技术》，2024 年 4 月）；孙华键硕士学位论文《大田轮灌设备及自动化控制系统研究》。

3.3瓶颈三：野外无市电、作物遮光，设备续航短

问题实质。新疆棉田地域广阔，田间普遍无市电；棉花生长中后期冠层遮挡光伏板，加之昼夜温差大、连续阴雨，设备易因亏电停运导致灌溉失控。

技术路线。构建以"高效光伏自供电"为基础、"全链路低功耗设计"为核心的能源方案：MPPT 充电、ETA3000 主动均衡、MIC29302/ME6206 分区多级稳压；蜂窝模组 PSM + eDRX 与深度休眠实现毫安级待机；0.3～1.0 m 可调式太阳能立杆随作物高度升降。

突破意义。实测光伏板峰值输出 6.4 W（设计 6 W），锂电池电压 7.4～8.4 V 区间电机运行平稳，无光照条件下可维持 30 天以上运行，满足野外长期无人值守。

佐证。验收总结报告第二章 3.2 节、3.4.3 节；实用新型专利"一种太阳能阀门控制器"（ZL 2024 2 0583509.2）、"太阳能农田监测装置"（ZL 2024 2 0523513.X）；外观设计专利"太阳能阀门控制器"（ZL 2024 3 0043537.0）；检测报告 2513500868（电源适应能力检测项）。

3.4瓶颈四：田间通信不稳定，失联可能造成漫灌

问题实质。LoRa 窄带局域网在灌区规模扩大、地形复杂时中继部署困难、丢包率上升；作物遮挡导致信号波动，关键控制指令丢失或设备失联时阀门无法关闭，会造成漫灌和水资源浪费。

技术路线。通信架构由 LoRa 升级为"4G Cat.1 为主、LoRa 为辅"双链路，4G 受限时自动切换 LoRa；应用层采用二进制 + 自定义 Modbus-RTU 指令集，链路层采用 MQTT，配合自适应心跳、断点续传和 ACK 重发；控制器内置边缘应急策略，断网时自主判断关阀。

突破意义。远程开阀端到端平均时延 1.6 s，单阀控器 4 路开阀器并发控制互不干扰，形成适应数百亩至上千亩跨区作业、具备边缘自愈能力的群控体系。

佐证。验收总结报告第二章 3.3 节、3.4.3 节，表 15 物模型定义。

四、取得的重大科技成果

Major Achievements

4.1研制了分体式太阳能智能电动阀门并通过第三方检测

检测报告"其他说明"载明：产品支持选配 0.3～1.0 m 太阳能杆，可根据作物高度调节，满足高秆作物环境下供电稳定。验收总结报告附件 2.2 仅收录了该报告 6 页中的前 3 页，附表 1 各检测项的明细结果未收录。

4.2完成了样机关键技术指标的全链路测试

课题组构建了包含后台管理层、网络传输层及前端感知执行层的全链路测试环境，对电源适应能力、通信链路稳定性、控制逻辑可靠性和接口扩展能力进行了测试验证，结果如下（课题组自测数据）：

4.3实现了规模化应用

验收总结报告称本产品"相关产品合同金额合计 970 余万元"，课题层面"形成合同金额合计 978 万元""新增产值 978.205 万元、新增利税 127.17 万元"。附件 9 收录的相关购买合同包括新疆大成高科信息技术有限公司灌溉控制阀组件购买合同（2024 年 6 月）、中国电信塔城分公司 2026 年乌苏市农业大数据服务系统建设设备及相关服务采购合同（2026 年 3 月）和新疆慧尔智联智能制造有限公司设备采购合同（2025 年 12 月）。

4.4建成了电动阀门组装生产线

2025 年，课题组在乌鲁木齐市米东区化工园租赁厂房 500 余平方米，建成电动阀门及水肥一体机生产线 2 条，实现装备组装与批量生产，具备规模化生产与供货能力（见第七章）。

4.5实现了专利技术转化

2026 年 8 月，新疆农业大学与新疆禹飞塑业有限公司签订专利转化合同，将分体式太阳能智能电动阀门相关 8 项专利打包转让，转化方式为专利全权转让，实施领域为"太阳能智能电动阀门"产品的研发、生产、销售、推广及后续迭代升级，转化总费用 100 万元（固定包干价，合同生效后 5 个工作日内一次性支付）。新疆禹飞塑业有限公司负责产品市场化推广，课题组团队继续提供技术支持和后续升级。科技项目成果信息表登记技术转让合同 1 项、成交额 100 万元，技术成熟度为"产业化生产阶段"。

五、技术经济指标与国际国内同类技术/产品的比较

Benchmarking

5.1产品技术特征比较

5.2主要技术经济指标

六、知识产权、技术标准、市场准入与权益归属

IP, Standards & Ownership

验收总结报告"取得成果"一节列明本成果获授权专利 7 项（实用新型 4 项、外观设计 3 项）；相关成果发表中文核心期刊论文 1 篇、完成硕士学位论文 1 篇；8 项专利已打包转让。

6.1专利情况

• 一种灌溉用阀门电动执行器：优化灌溉阀门电动执行器结构设计，提升阀门控制精度、运行稳定性与响应效率，降低灌溉系统运维成本，对应开阀器。
• 一种太阳能阀门控制器：以太阳能自持供电实现灌溉阀门智能化远程控制，解决野外无市电场景下阀门控制设备的供电与运维难题，对应阀控器。
• 一种磁力减速电机结构：优化磁力减速电机结构，降低传动损耗，提升稳定性、传动效率与使用寿命，对应执行器动力单元。
• 太阳能农田监测装置：依托太阳能自持供电实现农田环境长效监测，与阀控器的压力、墒情采集功能相关。
• 三项外观设计：分别保护执行器与球阀的连接件、阀控器外观（紧凑长方体、正面设操作按键与状态指示灯）和光伏供电模块 + 电动执行机构 + 半球阀阀体一体化的整机外观。

6.2论文与学位论文

6.3技术标准情况

项目执行情况统计表载明研制和完成技术标准均为 0 项。本成果目前尚未形成企业标准或行业标准；第三方检测以委托方提供的《太阳能智能电动阀门委托测试需求及产品技术说明》为判定依据。

6.4新产品市场准入情况

样机已取得国家物联网智能安防及交通产品质量检验检测中心（浙江）出具的检测报告（2513500868）。佐证材料中未见产品认证、节水灌溉设备推广目录或生产许可等市场准入文件。

6.5知识产权与成果权益归属

• 转化方式：专利全权转让（权属变更），转让后受让方新疆禹飞塑业有限公司成为专利权人，课题组继续提供技术支持和后续升级；
• 实施领域与地域："太阳能智能电动阀门"产品的研发、生产、销售、推广及后续迭代升级，地域为中华人民共和国境内及境外；
• 技术范围：专利证书记载的全部技术方案、技术图纸、工艺参数、操作手册、试验数据、技术配方及配套辅助技术资料；
• 费用：100 万元固定包干价，收款账户为新疆农业大学。

合同所列 8 项专利与验收总结报告列明的 7 项授权专利并不完全一致，合同文本中当事人身份表述也存在问题，详见 9.5 节。

七、试验基地、中试线、生产线建设情况

Facilities & Demonstration Sites

7.1电动阀门组装生产线

课题组在乌鲁木齐市米东区化工园租赁厂房 500 余平方米，建成电动阀门及水肥一体机生产线 2 条，实现从"研发—示范—生产—销售"的完整产业链闭环。

7.2应用示范基地

7.3测试环境

第三方检测在新疆农业大学老满城校区及七格实验室进行；课题组全链路测试环境由后台管理层、网络传输层与前端感知执行层构成，后台为昌吉华兴农场指挥控制系统。

八、人才队伍建设情况

Talent Development

8.1研发队伍

课题由新疆农业大学牵头，联合乌鲁木齐润物兴农信息技术有限公司、乌鲁木齐气象卫星地面站、新疆昌吉国家农业高新技术产业示范区等单位组织实施。本成果对应的研发任务"可调流阀门电动执行器研制"和"多路控制太阳能阀门控制器研制"，分别配置了机械结构设计、执行机构研发、控制系统开发、田间测试，以及控制器硬件开发、低功耗设计、太阳能供电、田间通信与应用测试等方面的人员。

8.2研究生培养

8.3技术骨干与农户培训（课题层面）

课题共培养大田水肥一体化精准控制技术骨干 6 人、高层次农业信息化人才 4 人，培训农户 100 余人次。附件 7 收录的培训包括："农场数字化及智能化关键技术研究"培训会（昌吉市，2025-12-23）、阜康市水肥一体化自动控制技术培训（2025-12-09）、十三师柳树泉六连节水灌溉技术培训（2026-08-06，兵团卫视进行了报道），培训内容涵盖电动阀门安装、运维与轮灌自动控制操作。

九、成果综合评价与结论

Assessment & Conclusion

9.1成果创新性评价

第一，结构层面的分体解耦与改造友好。以"开阀器—阀控器—阀体—供电系统"分体式架构替代一体式电动阀门，开阀器以快拆方式加装于现有手动球阀，一个阀控器控制 1～4 路，破解了长短管轮灌无法自动化改造的难题，并使维护从整机更换转为部件更换。

第二，控制层面的高精度闭环与安全保护。以 AS5600 磁编码器 + H 桥驱动 + 电流采样构建开度闭环，调节精度 0.5°，具备防堵转、过载保护和断电开度记忆，使电动阀门从"开关执行器"升级为可参与压力均衡调控的"调流执行器"。

第三，能源与通信层面的野外自持与边缘自愈。光伏自供电、主动均衡与毫安级待机实现无市电长期运行；"4G 为主、LoRa 为辅"双链路、自适应心跳、ACK 重发与断网自主关阀，提升了无人值守下的可靠性。

9.2成果水平定位

• 产品质量：样机经国家物联网智能安防及交通产品质量检验检测中心（浙江）检测，所检项目均符合要求；关键性能指标（时延 1.6 s、光伏 6.4 W）优于任务书或设计要求。
• 产业化程度：已建成组装生产线并批量供货，三地配套 8100 余套，技术成熟度达产业化生产阶段。
• 知识产权：形成实用新型 + 外观设计的专利组合，并以全权转让方式实现 100 万元转化。

9.3成果转化与推广前景

新疆高标准农田建设、高效节水和玉米、棉花单产提升项目对田间轮灌自动化有持续需求；本产品以"加装改造"降低了存量手动球阀的自动化门槛，已形成政府项目配套、租赁、企业受让推广等多种推广路径。专利受让企业负责市场化推广、课题组提供技术升级的分工，为产品在南疆、东疆和兵团团场的扩大应用创造了条件。

9.4验收结论建议

本成果目标明确、结构与控制技术突破实在、第三方检测通过、规模化应用和专利转让均已实现。建议认定本成果达到课题考核指标 3"研制多路控制太阳能阀门控制器一套"的约束性指标，并超额完成。

9.5需补充完善的事项（如实列出）

1. 转让合同所列专利与验收报告不一致：合同所列 8 项中，"一种大田水肥一体化智能控制网关"（2021 年申请）、"太阳能控制箱"（2020 年申请）、"球阀电动执行器外壳"（2022 年申请）未出现在验收总结报告专利清单中，且申请日早于课题实施期（2022-12-20 起）；第 7 项"太阳能阀门控制器"与第 4 项专利号同为 ZL202420583509.2；第 8 项"太阳能电动半球阀"合同列为实用新型，而报告列为外观设计（ZL 2024 3 0464627.7）。建议核对专利证书后修订合同附表或报告口径。
2. 转让合同当事人表述矛盾：合同首部标注甲方为新疆禹飞塑业有限公司（技术买方）、乙方为新疆农业大学（技术卖方），但正文称"甲方合法拥有某项专利技术的全部知识产权""乙方……有意受让"，并约定"乙方全额支付转化费用至甲方指定账户"，而甲方指定账户为新疆农业大学账户。建议补签更正说明。
3. 专利授权时间口径不一："一种灌溉用阀门电动执行器"报告正文列 2023 年 12 月、附件清单与合同列 2024-05-14；"一种太阳能阀门控制器"正文列 2024 年 3 月，而附件清单与合同授权日为 2024-11-26。
4. 样机参数描述不一致：执行器主控芯片在表 16 中为 STM32F103，正文 3.1.2 节为 STM32G030；减速机构在表 16 中为"行星齿轮组"，正文为"精密齿轮传动机构"；阀控器主控在表 17 中为 STM32L476，正文 3.2.1 节称第三代以 Air780EPM 模组为核心；物模型正文称"13 项核心标识符"，表 15 实列 14 项；光伏组件表 17 为 30 W，测试部分为峰值 6.4 W（设计 6 W）。建议按定型产品统一技术参数。
5. 第三方检测材料不完整：附件仅收录检测报告 2513500868 的前 3 页（共 6 页），检测项明细与续航能力结果未能核验；报告附件清单所列"检测时间 2025 年 8 月"与报告实际检测日期（2025-09-26 至 10-28）不符。0.5° 精度、1.6 s 时延、30 天续航等单项指标为课题组自测。
6. 应用规模与金额口径："相关产品合同金额合计 970 余万元"与课题层面"978 万元"、直接效益部分阜康 537 万元 + 阿拉尔 331 万元（含水肥一体机）= 868 万元之间口径不一；"全疆销售 6000 余套"与三地配套合计 8100 余套不一致。建议附合同清单统一统计。
7. 学生姓名：研究生清单附件 6 写作"孙华健"，正文表格写作"孙华键"，建议统一。

附录：佐证材料清单

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