基于ARM的草坪土壤水分监测系统设计

2011-01-26赵思涵

湖南农业科学 2011年1期

赵思涵，杨锴

（北京林业大学工学院，北京 100083）

随着我国经济的发展和人们生态意识的加强，草坪已成为现代人类生活环境的重要组成部分，并对环境起着美化、保护和改善等良好作用[1]。草坪植被同其它植物一样，在生长过程中受到诸多因素的影响,如人为管理、草坪品种、温度、光照、土壤、水分、施肥等，这些因素都会影响草坪的生长质量与景观效果。土壤水分是土壤的重要物理参数，它对草坪植被的生长、存活具有重要的意义。对土壤水分及其变化的监测是生态、农业和水土保持等研究中的一项基础工作。

本文研究了基于ARM的草坪土壤水分监测系统，可以监测草坪土壤含水量，实现了对水分传感器收集的数据进行接收、汇集、预处理、存储的功能，并且可以将测得的实时数据发送到监控端以便统计及分析其变化趋势。

1 系统总体设计方案

草坪土壤水分监测系统的核心是ARM9处理器，与ARM9处理器连接的模块有土壤水分传感器、GPRS模块、电源模块、显示模块。所有模块构成一个完整的草坪土壤水分监测系统，土壤水分传感器将模拟量传给ARM9进行A/D转换，然后在LCD上显示含水量，同时用GPRS将数据发送给监控端。整个系统的主要功能是监测草坪土壤含水量，并将测量数据发送给监控端，以便记录和分析。系统的硬件结构图如图1所示。

图1 系统硬件结构图

2 系统硬件设计

2.1 草坪土壤水分监测系统处理器

草坪土壤水分监测系统要求处理器速度快，I/O端口资源丰富，因此采用以ARM9TDMI为内核的S3C2410芯片作为监测系统处理器。S3C2410是Samsung公司推出的16/32位RISC处理器。S3C2410采用32位微控制器，五级流水线和哈佛结构，最高运行频率为203MHz。S3C2410提供了以下的内部设备：LCD控制器，8通道10位ADC和触摸屏接口，支持NANDFlash系统引导4通道PWM定时器，I/O端口，RTC，USB主机，USB设备以及内部PLL时钟倍频器等等。这使得它特别适于工业控制、监测系统等方面的应用，在接口电路与功能方面可以减少硬件电路的开销，以降低产品的成本[2]。

2.2 土壤水分传感器

采用FDS100土壤水分传感器，该传感器是基于介电理论并运用频域测量技术研制开发的，能够精确测量土壤和其它多孔介质的体积含水量。可与温室环境监测、土壤墒情采集、自动灌溉控制等系统集成，实现水分的长期动态连续监测。它具有响应速度快，重复性好，环境适应性强，防水防潮，传输距离远，工作温度范围宽等特点。

2.3 电源模块

本系统权衡低功耗、低成本、稳定可靠等诸多因素，开发了图2所示电源模块以满足系统不同部件的供电需求：电压设计采用5 V可充电锂电池输入，经电压稳压，由电源芯片AME1117-3.3 V提供I/O端口需要的电压3.3 V，在核心板上采用稳压块MIC5207BM5提供CPU内核电压2.5 V或1.8 V。

2.4 显示模块

草坪土壤水分监测系统要求显示时间日期，土壤含水量，百分比，因此选择的液晶模块是TS1620，它的显示容量是两行，每行十六个字符，并且有背光功能。它的显示容量可以满足系统的显示要求。

2.5 GPRS模块

本系统采用的GPRS模块是西门子公司生产的MC35i。该模块使用AT命令控制，本系统用到的AT指令有：AT+CMGS发送短信息；AT+CMGR＝读短信息，其中index是消息在当前存储区中的序列号；AT+CMGD＝删除短消息，删除当前存储区中序列号为index的短消息。MC35i与ARM9处理器的连接框图如图3所示。

图3 MC35i与处理器连接框图

3 系统软件设计

软件设计利用了C语言模块化编程的优点，将控制任务进行分割，使整个控制任务分解成为一个一个的子任务程序，包括：数据采集程序，数据处理程序，显示程序，GPRS程序。各个子程序组合形成整个监测系统软件。草坪土壤水分监测系统软件流程图如图4所示。

图4 总体流程图

3.1 数据采集程序

S3C2410内部集成了采用近似比较算法（计数式）的8路10位ADC，内部产生比较时钟信号。处理器集成的ADC只使用到两个寄存器，即ADC控制寄存器（ADCCON）、ADC 数据寄存器（ADCDAT）。在数据采集程序中，先对S3C2410初始化，按位对ADC控制寄存器进行操作，选择预分频值、模拟信道，然后开始采集信号，进行A/D转换和标度变换（见图5）。