摘要：設(shè)計了以ARM處理器為核心的土壤墑情采集監(jiān)測系統(tǒng)，采用AQUA-TEL-TDR土壤水分傳感器對土壤含水量進行采集，選取S3C2410處理器作為硬件平臺基礎(chǔ)，配以K9F1208U0C型Nand Flash、觸摸式液晶屏、GPRS模塊、CS8900A網(wǎng)卡芯片等組成硬件系統(tǒng)。開發(fā)了基于Qtopia圖形用戶界面的用戶應(yīng)用程序，實現(xiàn)了土壤墑情信息的采集、存儲、無線傳輸和自動灌溉。
水在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作用和重要性不言而喻，土壤墑情是政府決策部門實現(xiàn)節(jié)水的重要依據(jù)，是農(nóng)牧業(yè)抗旱和合理配置水資源的重要依據(jù)。農(nóng)業(yè)是我國用水大戶，用水量約占整個水資源利用總量的80%。將信息技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，開展基于信息技術(shù)的土壤墑情監(jiān)測控制可以有效解決農(nóng)業(yè)節(jié)水問題，實現(xiàn)適時適量灌溉，從而達到節(jié)水、增產(chǎn)的目的[1]。因此，開展土壤墑情的自動監(jiān)測對于我國農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。
1 監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
土壤墑情指土壤的含水量及土壤濕度，即土壤的干濕程度，可用土壤中水的質(zhì)量占烘干土重的百分數(shù)表示：土壤含水量=土壤中水質(zhì)量/烘干土重×100%。也可以是土壤含水量相當于田間持水量的百分比，或相對于飽和水量的百分比等相對含水量表示。根據(jù)土壤的相對濕度、土壤含水程度對于灌溉具有重要參考價值[2]。
基于S3C2410的土壤墑情采集監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)對墑情信息的自動、連續(xù)采集與監(jiān)測。監(jiān)測系統(tǒng)由前端數(shù)據(jù)采集和后端灌溉控制兩個主要部分組成，如圖1所示。
前端采集部分主要包括傳感器、采集器、控制器和電磁控制閥門等。傳感器用于采集土壤的水分、溫度以及空氣濕度等數(shù)據(jù)；采集器用于接收土壤傳感器或其他傳感器收集到的各項信息，并將數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送到后臺服務(wù)器；控制器通過無線方式接收中央控制系統(tǒng)發(fā)布的灌溉控制命令，對水泵進行控制；電磁控制閥門收到控制命令后，直接進行灌溉控制。
后端數(shù)據(jù)處理與控制部分主要是由計算機和軟件系統(tǒng)組成，對接收的土壤信息進行數(shù)據(jù)處理和分析，并作出灌溉決策。灌溉時間和灌溉量以土壤墑情數(shù)據(jù)和水量平衡方程為依據(jù)。為保證測量的準確性，本系統(tǒng)選用AQUA-TEL-TDR土壤水分傳感器對土壤墑情進行測量，該傳感器采用環(huán)氧樹脂材料設(shè)計，適用于測量各種類型土壤的含水量，采用桿式設(shè)計，感應(yīng)部分48cm，可長期埋于土壤中，功耗低、重量輕、便于攜帶、測量結(jié)果準確，可以直接輸出電信號。
2 嵌入式核心板設(shè)計
本系統(tǒng)采用基于ARM處理器的嵌入式系統(tǒng)，主要由核心板與底層接口電路擴張板兩部分構(gòu)成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)以S3C2410嵌入式處理器為核心，外擴SDRAM/Flash模塊用于數(shù)據(jù)存儲，總線模塊負責對傳感器的信號采集和傳送，顯示部分由可觸摸LCD實現(xiàn)，土壤墑情數(shù)據(jù)由GPRS模塊無線傳輸至后端服務(wù)器。
2.1 S3C2410處理器
S3C2410是三星基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器，主要面向手持設(shè)備等高性價比、低功耗的應(yīng)用。ARM920T核由ARM9TDMI、存儲管理單元(MMU)和高速緩存三部分組成。其中MMU可以管理虛擬內(nèi)存，高速緩存由獨立的16KB地址和16KB數(shù)據(jù)高速Cache組成。
S3C2410集成了一個具有日歷功能的RTC和具有PLL(MPLL和UPLL)的芯片時鐘發(fā)生器。MPLL產(chǎn)生主時鐘，能夠使處理器工作頻率最高達到203MHz[3]。S3C2410將系統(tǒng)的存儲空間分為8組(Bank)，每組的大小是128MB，共1GB。Bank0到Bank5的起始地址是固定的，用于ROM或SRAM。Bank6和Bank7用于ROM、SRAM或SDRAM，這兩個組可編程且大小相同。Bank7的起始地址是Bank6的結(jié)束地址，S3C2410采用nGCS[7:0]8個通用片選信號選擇這些組。S3C2410支持從Nand Flash啟動，系統(tǒng)采用Nand Flash與SDRAM組合，性價比高。S3C2410有三種啟動方式，可以通過OM[1:0]管腳進行選擇。
2.2 Nand Flash
Nand Flash內(nèi)存是Flash內(nèi)存的一種，系統(tǒng)采用K9F1208U0C型64M×8bit的Nand Flash Memory。該芯片以每片16MB的容量能存儲512Mbit總量，額定電壓3.3V，其內(nèi)部采用非線性宏單元模式，為固態(tài)大容量內(nèi)存的實現(xiàn)提供了高性價比解決方案。
2.3 SDRAM
SDRAM即同步動態(tài)隨機存取存儲器，它將CPU和RAM通過一個相同的時鐘鎖在一起，使得RAM和CPU能夠共享時鐘周期，從而解決了CPU和RAM之間的速度匹配問題，避免了在系統(tǒng)總線對異步DRAM進行操作時同步所需的額外等待時間，可加快數(shù)據(jù)的傳輸速度。本系統(tǒng)所采用的HY57V561620FTP-H由4組4M×16bit存儲單元組成。
當處理器以Nand Flash模式啟動時，內(nèi)置的Nand Flash控制器將訪問控制接口，將代碼自動加載到內(nèi)部SRAM中運行[4]。SRAM中的引導程序?qū)⒉僮飨到y(tǒng)鏡像加載到SDRAM中，操作系統(tǒng)可在SDRAM運行。SDRAM放在系統(tǒng)存儲空間的Bank6，片選信號需與處理器的nGCS6相連，處理器的DATA0～DATA15管腳連接第一片的數(shù)據(jù)線，DATA16～DATA31管腳連接第二片，地址線ADDR24、ADDR25和ADDR26組成SDRAM的Bank選擇信號，實現(xiàn)存儲容量擴充。時鐘、片選、數(shù)據(jù)輸入/輸出掩碼控制等與S3C2410相應(yīng)的接口相連。
2.4 CS8900A網(wǎng)卡
本系統(tǒng)采用CS8900A網(wǎng)卡集成芯片，該芯片具有片內(nèi)4KB RAM，適用于I/O操作模式、存儲器操作模式和DMA操作模式，最大電流消耗為55mA(5V電源)，全雙工操作。CS8900A支持的傳輸模式有I/O、Memory和DMA三種模式，其中I/O模式是訪問CS8900A存儲區(qū)的默認模式，簡單易用。要實現(xiàn)CS8900A與主機之間的數(shù)據(jù)通信，在電路設(shè)計時可根據(jù)具體情況靈活選擇數(shù)據(jù)傳輸模式。
3 擴展板設(shè)計
底層板主要包括電源轉(zhuǎn)換電路、串口通信電路、GPRS接口電路、液晶屏接口電路、復位電路等，為核心板提供良好的擴展功能。
3.1 電源電路
設(shè)計在嵌入式系統(tǒng)中的電源系統(tǒng)具有重要作用[5]。S3C2410處理器、存儲器、觸摸屏和RS232的電平轉(zhuǎn)換模塊采用3.3V供電，本系統(tǒng)選用具有優(yōu)越性能的AMS1117-3.3轉(zhuǎn)換外部電源產(chǎn)生3.3V電壓，如圖3所示。為提高抗干擾能力，可在電路中增加濾波電容，并在輸出端加入發(fā)光二極管顯示工作狀態(tài)，輸入端前置總開關(guān)S1，控制整個系統(tǒng)關(guān)閉。
無線通信模塊MC39i正常工作電流變化較大，其工作電壓要求在3.3V時的波動不超過0.4V。因此，電源電路采用R1224N102E高性能芯片，如圖4所示。R1224N102E是RICOH提供的一個PWM/WFM轉(zhuǎn)換器，它的晶振頻率為500kHz，效率高達90%，待機電流低至0μA，CEM9435A是一個PMOS晶體管，它有多個S級和D級，可提供較大的電流輸出能力。
3.2 串口電路
串口是計算機和儀器儀表常用的通信協(xié)議，RS-232是PC及其兼容機上的串行接口標準[6]。目前常用的電平轉(zhuǎn)換芯片有MAX232、MAX3232等。本系統(tǒng)選用MAX3223，其供電電壓為3.0V~5.5V。處理器提供的是TTL電平，需轉(zhuǎn)換為RS232電平再與外部連接，電路連接如圖5所示。
3.3 GPRS模塊
無線通信采用GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，GPRS移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)由GSM網(wǎng)接入Internet，實現(xiàn)與中央灌溉控制器的連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，用AT指令方式進行各種操作控制。GPRS業(yè)務(wù)提供的是點對點的PPP鏈路，因此GPRS 撥號上網(wǎng)的過程遵守PPP的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。系統(tǒng)對PPP協(xié)議支持是在配置內(nèi)核時完成，撥號上網(wǎng)前，需先對無線模塊的頻率、狀態(tài)等進行初始化。
GPRS采用基于分組傳輸模式的無線IP技術(shù)，支持IP協(xié)議和X.25協(xié)議，傳輸速率最高達117kb/s。本系統(tǒng)選用西門子MC39i手機模塊，工作在900MHz和1800MHz的GSM網(wǎng)絡(luò)[7]，支持GPRS的多時隙class10和GPRS coding schemes CS-1、CS-2、CS-3、CS-4。MC39i支持TTL電平，S3C2410處理器提供的串口也為TTL電平。MC39i接口電路如圖6所示，無線模塊通過TXD0管腳和RXD0管腳分別與S3C2410的13和12引腳連接，GPRS模塊與CPU串口通信，模塊的SIM卡接口與SIM卡卡槽按對應(yīng)的接口連接。MC39i提供了一個指示燈接口，在外接CMOS管集電極上加一個發(fā)光二級管，顯示通信狀態(tài)。
4 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計
本墑情監(jiān)測系統(tǒng)軟件采用層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖7所示。所有軟件采用模塊化完成，其中應(yīng)用程序?qū)拥脑O(shè)計按照功能可分為兩大主要模塊：墑情信息采集模塊和灌溉控制模塊。各模塊之間相互獨立，提高了軟件可靠性和效率。
本墑情監(jiān)測系統(tǒng)已應(yīng)用于小湯山國家農(nóng)業(yè)研究示范基地，基地安裝的自動灌溉控制系統(tǒng)中央服務(wù)器使用力控6.0組態(tài)軟件編寫的灌溉監(jiān)控軟件。本系統(tǒng)可根據(jù)所采集的墑情信息決定是否需要灌溉，如需灌溉可進入灌溉控制界面，設(shè)置各項參數(shù)對土壤實施灌溉澆水。
本墑情采集監(jiān)測系統(tǒng)基于ARM嵌入式S3C2410處理器設(shè)計，實現(xiàn)了土壤墑情信息的自動采集、監(jiān)測和灌溉，相對于傳統(tǒng)的烘干稱重法、中子水分儀法、時域反射儀法、負壓計法和遙感監(jiān)測法等，本系統(tǒng)可實現(xiàn)對土壤墑情數(shù)據(jù)的自動持續(xù)監(jiān)測和多點實時采集，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了對監(jiān)測數(shù)據(jù)和灌溉控制命令的無線傳輸，可實現(xiàn)節(jié)水灌溉，提升了農(nóng)業(yè)信息化水平，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的科學發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
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