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基于S3C2410的土壤墑情監測系統設計
來源:電子技術應用2011年第7期
陳天華1, 唐海弢1, 鄭文剛2
1. 北京工商大學 計算機與信息工程學院, 北京100097; 2. 國家農業信息化工程技術研究中心, 北京100048
摘要: 設計了以ARM處理器為核心的土壤墑情采集監測系統,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,配以K9F1208U0C型Nand Flash、觸摸式液晶屏、GPRS模塊、CS8900A網卡芯片等組成硬件系統。開發了基于Qtopia圖形用戶界面的用戶應用程序,實現了土壤墑情信息的采集、存儲、無線傳輸和自動灌溉。
中圖分類號: S152.7
文獻標識碼: B
文章編號: 0258-7998(2011)07-089-04
Design of soil moisture monitoring system based on S3C2410
Chen Tianhua1, Tang Haitao1, Zheng Wen′gang2
1. College of Computer and Information Engineering, Beijing Technology and Business University,Beijing 100097, China; 2. National Engineering Research Center for Information Technology in Agricalture, Beijing 100048, China
Abstract: Designed the soil moisture monitoring portable acquisition system with the ARM processor. Using the AQUA-TEL-TDR soil moisture sensor to collect soil water content, select the S3C2410 processor as the hardware platform, coupled with K9F1208U0C-type Nand Flash, LCD touch screen, GPRS module, CS8900A LAN chips constitute a hardware system. Developed the user application software based on Qtopia graphical user interface,to achieve the soil moisture information collection, storage, wireless transmission and automatic irrigation.
Key words : soil; soil moisture; signal detection; embedded system


    水在農業生產中作用和重要性不言而喻,土壤墑情是政府決策部門實現節水的重要依據,是農牧業抗旱和合理配置水資源的重要依據。農業是我國用水大戶,用水量約占整個水資源利用總量的80%。將信息技術應用于農業,開展基于信息技術的土壤墑情監測控制可以有效解決農業節水問題,實現適時適量灌溉,從而達到節水、增產的目的[1]。因此,開展土壤墑情的自動監測對于我國農業和經濟發展具有重要意義。
1 監測系統總體結構
    土壤墑情指土壤的含水量及土壤濕度,即土壤的干濕程度,可用土壤中水的質量占烘干土重的百分數表示:土壤含水量=土壤中水質量/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的土壤墑情采集監測系統可以實現對墑情信息的自動、連續采集與監測。監測系統由前端數據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據;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,并將數據通過無線模塊發送到后臺服務器;控制器通過無線方式接收中央控制系統發布的灌溉控制命令,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。
    后端數據處理與控制部分主要是由計算機和軟件系統組成,對接收的土壤信息進行數據處理和分析,并作出灌溉決策。灌溉時間和灌溉量以土壤墑情數據和水量平衡方程為依據。為保證測量的準確性,本系統選用AQUA-TEL-TDR土壤水分傳感器對土壤墑情進行測量,該傳感器采用環氧樹脂材料設計,適用于測量各種類型土壤的含水量,采用桿式設計,感應部分48 cm,可長期埋于土壤中,功耗低、重量輕、便于攜帶、測量結果準確,可以直接輸出電信號。
2 嵌入式核心板設計
    本系統采用基于ARM處理器的嵌入式系統,主要由核心板與底層接口電路擴張板兩部分構成。系統硬件結構如圖2所示,系統以S3C2410嵌入式處理器為核心,外擴SDRAM/Flash模塊用于數據存儲,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,土壤墑情數據由GPRS模塊無線傳輸至后端服務器。

2.1 S3C2410處理器
    S3C2410是三星基于ARM920T內核的16/32位RISC嵌入式微處理器,主要面向手持設備等高性價比、低功耗的應用。ARM920T核由ARM9TDMI、存儲管理單元(MMU)和高速緩存三部分組成。其中MMU可以管理虛擬內存,高速緩存由獨立的16 KB地址和16 KB數據高速Cache組成。
    S3C2410 集成了一個具有日歷功能的RTC和具有PLL(MPLL和UPLL)的芯片時鐘發生器。MPLL 產生主時鐘,能夠使處理器工作頻率最高達到203 MHz[3]。S3C2410 將系統的存儲空間分為8 組(Bank),每組的大小是128 MB,共1 GB。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內存是Flash內存的一種,系統采用K9F1208U0C型64 M×8 bit的Nand Flash Memory。該芯片以每片16 MB的容量能存儲512 Mbit總量,額定電壓3.3 V,其內部采用非線性宏單元模式,為固態大容量內存的實現提供了高性價比解決方案。
2.3 SDRAM
    SDRAM即同步動態隨機存取存儲器,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,可加快數據的傳輸速度。本系統所采用的HY57V561620FTP-H由4組4 M×16 bit存儲單元組成。
    當處理器以Nand Flash模式啟動時,內置的Nand Flash控制器將訪問控制接口,將代碼自動加載到內部SRAM中運行[4]。SRAM中的引導程序將操作系統鏡像加載到SDRAM中,操作系統可在SDRAM運行。SDRAM放在系統存儲空間的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據線,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,實現存儲容量擴充。時鐘、片選、數據輸入/輸出掩碼控制等與S3C2410相應的接口相連。
2.4 CS8900A網卡
    本系統采用CS8900A網卡集成芯片,該芯片具有片內4 KB 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55 mA(5 V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存儲區的默認模式,簡單易用。要實現CS8900A與主機之間的數據通信,在電路設計時可根據具體情況靈活選擇數據傳輸模式。

 


3 擴展板設計
    底層板主要包括電源轉換電路、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
    設計在嵌入式系統中的電源系統具有重要作用[5]。S3C2410處理器、存儲器、觸摸屏和RS232的電平轉換模塊采用3.3 V供電,本系統選用具有優越性能的AMS1117-3.3轉換外部電源產生3.3 V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,并在輸出端加入發光二極管顯示工作狀態,輸入端前置總開關S1,控制整個系統關閉。

    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3.3 V時的波動不超過0.4 V。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轉換器,它的晶振頻率為500 kHz,效率高達90%,待機電流低至0 μA,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]。目前常用的電平轉換芯片有MAX232、MAX3232等。本系統選用MAX3223,其供電電壓為3.0 V~5.5 V。處理器提供的是TTL電平,需轉換為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網絡實現,GPRS移動數據業務由GSM網接入Internet,實現與中央灌溉控制器的連接,實現數據傳輸,用AT指令方式進行各種操作控制。GPRS業務提供的是點對點的PPP鏈路,因此GPRS 撥號上網的過程遵守PPP的網絡協議。系統對PPP協議支持是在配置內核時完成,撥號上網前,需先對無線模塊的頻率、狀態等進行初始化。
    GPRS采用基于分組傳輸模式的無線IP技術,支持IP協議和X.25協議,傳輸速率最高達117 kb/s。本系統選用西門子MC39i手機模塊,工作在900 MHz和1 800 MHz的GSM網絡[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光二級管,顯示通信狀態。
4 監測系統軟件設計
    本墑情監測系統軟件采用層次化結構設計,如圖7所示。所有軟件采用模塊化完成,其中應用程序層的設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。

    本墑情監測系統已應用于小湯山國家農業研究示范基地,基地安裝的自動灌溉控制系統中央服務器使用力控6.0組態軟件編寫的灌溉監控軟件。本系統可根據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,設置各項參數對土壤實施灌溉澆水。
    本墑情采集監測系統基于ARM嵌入式S3C2410處理器設計,實現了土壤墑情信息的自動采集、監測和灌溉,相對于傳統的烘干稱重法、中子水分儀法、時域反射儀法、負壓計法和遙感監測法等,本系統可實現對土壤墑情數據的自動持續監測和多點實時采集,并通過GPRS網絡實現了對監測數據和灌溉控制命令的無線傳輸,可實現節水灌溉,提升了農業信息化水平,為實現農業的科學發展奠定了基礎。
參考文獻
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