基于S3C2410的土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[圖]

摘要：設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn)適時(shí)適量灌溉，從而達(dá)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(jì)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?jǐn)?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(dāng)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(jià)值[2]。

基于S3C2410的土壤墑情采集監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)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(gè)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(xiàng)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(jìn)行控制；電磁控制閥門收到控制命令后，直接進(jìn)行灌溉控制。

后端數(shù)據(jù)處理與控制部分主要是由計(jì)算機(jī)和軟件系統(tǒng)組成，對接收的土壤信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，并作出灌溉決策。灌溉時(shí)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(zhǔn)確性，本系統(tǒng)選用AQUA-TEL-TDR土壤水分傳感器對土壤墑情進(jìn)行測量，該傳感器采用環(huán)氧樹脂材料設(shè)計(jì)，適用于測量各種類型土壤的含水量，采用桿式設(shè)計(jì)，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(zhǔn)確，可以直接輸出電信號。

2 嵌入式核心板設(shè)計(jì)

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(kuò)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(kuò)SDRAM/Flash模塊用于數(shù)據(jù)存儲，總線模塊負(fù)責(zé)對傳感器的信號采集和傳送，顯示部分由可觸摸LCD實(shí)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(jià)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(dú)立的16KB地址和16KB數(shù)據(jù)高速Cache組成。

S3C2410集成了一個(gè)具有日歷功能的RTC和具有PLL(MPLL和UPLL)的芯片時(shí)鐘發(fā)生器。MPLL產(chǎn)生主時(shí)鐘，能夠使處理器工作頻率最高達(dá)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(gè)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(gè)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(jià)比高。S3C2410有三種啟動方式，可以通過OM[1:0]管腳進(jìn)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(shí)現(xiàn)提供了高性價(jià)比解決方案。

2.3 SDRAM

SDRAM即同步動態(tài)隨機(jī)存取存儲器，它將CPU和RAM通過一個(gè)相同的時(shí)鐘鎖在一起，使得RAM和CPU能夠共享時(shí)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(jìn)行操作時(shí)同步所需的額外等待時(shí)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。