基于ARM的草坪土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

趙思涵，楊 鍇

（北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和人們生態(tài)意識的加強，草坪已成為現(xiàn)代人類生活環(huán)境的重要組成部分，并對環(huán)境起著美化、保護和改善等良好作用[1]。草坪植被同其它植物一樣，在生長過程中受到諸多因素的影響,如人為管理、草坪品種、溫度、光照、土壤、水分、施肥等，這些因素都會影響草坪的生長質(zhì)量與景觀效果。土壤水分是土壤的重要物理參數(shù)，它對草坪植被的生長、存活具有重要的意義。對土壤水分及其變化的監(jiān)測是生態(tài)、農(nóng)業(yè)和水土保持等研究中的一項基礎(chǔ)工作。

本文研究了基于ARM的草坪土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)，可以監(jiān)測草坪土壤含水量，實現(xiàn)了對水分傳感器收集的數(shù)據(jù)進行接收、匯集、預(yù)處理、存儲的功能，并且可以將測得的實時數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控端以便統(tǒng)計及分析其變化趨勢。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

草坪土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)的核心是ARM9處理器，與ARM9處理器連接的模塊有土壤水分傳感器、GPRS模塊、電源模塊、顯示模塊。所有模塊構(gòu)成一個完整的草坪土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)，土壤水分傳感器將模擬量傳給ARM9進行A/D轉(zhuǎn)換，然后在LCD上顯示含水量，同時用GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控端。整個系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)測草坪土壤含水量，并將測量數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控端，以便記錄和分析。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 草坪土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)處理器

草坪土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)要求處理器速度快，I/O端口資源豐富，因此采用以ARM9TDMI為內(nèi)核的S3C2410芯片作為監(jiān)測系統(tǒng)處理器。S3C2410是Samsung公司推出的16/32位RISC處理器。S3C2410采用32位微控制器，五級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，最高運行頻率為203MHz。S3C2410提供了以下的內(nèi)部設(shè)備：LCD控制器，8通道10位ADC和觸摸屏接口，支持NANDFlash系統(tǒng)引導(dǎo)4通道PWM定時器，I/O端口，RTC，USB主機，USB設(shè)備以及內(nèi)部PLL時鐘倍頻器等等。這使得它特別適于工業(yè)控制、監(jiān)測系統(tǒng)等方面的應(yīng)用，在接口電路與功能方面可以減少硬件電路的開銷，以降低產(chǎn)品的成本[2]。

2.2 土壤水分傳感器

采用FDS100土壤水分傳感器，該傳感器是基于介電理論并運用頻域測量技術(shù)研制開發(fā)的，能夠精確測量土壤和其它多孔介質(zhì)的體積含水量。可與溫室環(huán)境監(jiān)測、土壤墑情采集、自動灌溉控制等系統(tǒng)集成，實現(xiàn)水分的長期動態(tài)連續(xù)監(jiān)測。它具有響應(yīng)速度快，重復(fù)性好，環(huán)境適應(yīng)性強，防水防潮，傳輸距離遠，工作溫度范圍寬等特點。

2.3 電源模塊

本系統(tǒng)權(quán)衡低功耗、低成本、穩(wěn)定可靠等諸多因素，開發(fā)了圖2所示電源模塊以滿足系統(tǒng)不同部件的供電需求：電壓設(shè)計采用5 V可充電鋰電池輸入，經(jīng)電壓穩(wěn)壓，由電源芯片AME1117-3.3 V提供I/O端口需要的電壓3.3 V，在核心板上采用穩(wěn)壓塊MIC5207BM5提供CPU內(nèi)核電壓2.5 V或1.8 V。

2.4 顯示模塊

草坪土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)要求顯示時間日期，土壤含水量，百分比，因此選擇的液晶模塊是TS1620，它的顯示容量是兩行，每行十六個字符，并且有背光功能。它的顯示容量可以滿足系統(tǒng)的顯示要求。

2.5 GPRS模塊

本系統(tǒng)采用的GPRS模塊是西門子公司生產(chǎn)的MC35i。該模塊使用AT命令控制，本系統(tǒng)用到的AT指令有：AT+CMGS發(fā)送短信息；AT+CMGR＝讀短信息，其中index是消息在當(dāng)前存儲區(qū)中的序列號；AT+CMGD＝刪除短消息，刪除當(dāng)前存儲區(qū)中序列號為index的短消息。MC35i與ARM9處理器的連接框圖如圖3所示。

圖3 MC35i與處理器連接框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計利用了C語言模塊化編程的優(yōu)點，將控制任務(wù)進行分割，使整個控制任務(wù)分解成為一個一個的子任務(wù)程序，包括：數(shù)據(jù)采集程序，數(shù)據(jù)處理程序，顯示程序，GPRS程序。各個子程序組合形成整個監(jiān)測系統(tǒng)軟件。草坪土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

圖4 總體流程圖

3.1 數(shù)據(jù)采集程序

S3C2410內(nèi)部集成了采用近似比較算法（計數(shù)式）的8路10位ADC，內(nèi)部產(chǎn)生比較時鐘信號。處理器集成的ADC只使用到兩個寄存器，即ADC控制寄存器 （ADCCON）、ADC 數(shù)據(jù)寄存器（ADCDAT）。在數(shù)據(jù)采集程序中，先對S3C2410初始化，按位對ADC控制寄存器進行操作，選擇預(yù)分頻值、模擬信道，然后開始采集信號，進行A/D轉(zhuǎn)換和標(biāo)度變換（見圖5）。

圖5 數(shù)據(jù)采集流程圖

S3C2410時鐘頻率PCLK為50MHz，預(yù)分頻值PRESCALER=49；所有10位A/D轉(zhuǎn)換頻率為：50 MHz/（49+1）=1MHz，因此A/D轉(zhuǎn)換時間為1/（1M/5 cycles）＝5 us。

3.2 數(shù)據(jù)處理程序

在數(shù)據(jù)處理程序中，將ADC數(shù)據(jù)寄存器中的值求平均值，然后與設(shè)定值進行比較，求出土壤含水量，并保存數(shù)據(jù)以便將數(shù)據(jù)通過GPRS程序發(fā)送給監(jiān)控端，流程圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)處理流程圖

3.3 顯示程序設(shè)計

LCD數(shù)據(jù)端DB0～DB7分別接入S3C2410的GPD0～GPD7引腳，使能端EN接入GPD8引腳，復(fù)位端接入GPD9，寫入端RW接入GPD10。在顯示程序中，先定義S3C2410引腳，對LCD進行初始化，然后將LCD清屏，寫入數(shù)據(jù)并顯示，流程圖如圖7所示。

圖7 顯示程序流程圖

3.5 GPRS程序設(shè)計

GPRS模塊和S3C2410用串口連接，在GPRS程序中，先進行串口初始化，設(shè)定波特率，然后檢查串口通信是否正常，如果正常則讀監(jiān)控端所發(fā)的短信，并判斷短信內(nèi)容，如果短信內(nèi)容為要求發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)，則將土壤水分監(jiān)測數(shù)據(jù)以短信形式發(fā)送至監(jiān)控端，流程圖見圖8。

圖8 GPRS發(fā)短信流程圖

4 小 結(jié)

基于ARM的草坪土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)滿足了對小型草坪的土壤水分監(jiān)測要求，具有處理速度高、處理能力強、傳輸速度快和可擴展性好等優(yōu)點。ARM資源豐富，為系統(tǒng)與自動灌溉系統(tǒng)銜接提供了延伸接口，為節(jié)水灌溉奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

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