基于ARM的草坪土壤水分監測系統設計

趙思涵，楊 鍇

（北京林業大學工學院，北京 100083）

隨著我國經濟的發展和人們生態意識的加強，草坪已成為現代人類生活環境的重要組成部分，并對環境起著美化、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量與景觀效果。土壤水分是土壤的重要物理參數，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測是生態、農業和水土保持等研究中的一項基礎工作。

本文研究了基于ARM的草坪土壤水分監測系統，可以監測草坪土壤含水量，實現了對水分傳感器收集的數據進行接收、匯集、預處理、存儲的功能，并且可以將測得的實時數據發送到監控端以便統計及分析其變化趨勢。

1 系統總體設計方案

草坪土壤水分監測系統的核心是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。所有模塊構成一個完整的草坪土壤水分監測系統，土壤水分傳感器將模擬量傳給ARM9進行A/D轉換，然后在LCD上顯示含水量，同時用GPRS將數據發送給監控端。整個系統的主要功能是監測草坪土壤含水量，并將測量數據發送給監控端，以便記錄和分析。系統的硬件結構圖如圖1所示。

圖1 系統硬件結構圖

2 系統硬件設計

2.1 草坪土壤水分監測系統處理器

草坪土壤水分監測系統要求處理器速度快，I/O端口資源豐富，因此采用以ARM9TDMI為內核的S3C2410芯片作為監測系統處理器。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構，最高運行頻率為203MHz。S3C2410提供了以下的內部設備：LCD控制器，8通道10位ADC和觸摸屏接口，支持NANDFlash系統引導4通道PWM定時器，I/O端口，RTC，USB主機，USB設備以及內部PLL時鐘倍頻器等等。這使得它特別適于工業控制、監測系統等方面的應用，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研制開發的，能夠精確測量土壤和其它多孔介質的體積含水量。可與溫室環境監測、土壤墑情采集、自動灌溉控制等系統集成，實現水分的長期動態連續監測。它具有響應速度快，重復性好，環境適應性強，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

本系統權衡低功耗、低成本、穩定可靠等諸多因素，開發了圖2所示電源模塊以滿足系統不同部件的供電需求：電壓設計采用5 V可充電鋰電池輸入，經電壓穩壓，由電源芯片AME1117-3.3 V提供I/O端口需要的電壓3.3 V，在核心板上采用穩壓塊MIC5207BM5提供CPU內核電壓2.5 V或1.8 V。

2.4 顯示模塊

草坪土壤水分監測系統要求顯示時間日期，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的顯示要求。

2.5 GPRS模塊

本系統采用的GPRS模塊是西門子公司生產的MC35i。該模塊使用AT命令控制，本系統用到的AT指令有：AT+CMGS發送短信息；AT+CMGR＝讀短信息，其中index是消息在當前存儲區中的序列號；AT+CMGD＝刪除短消息，刪除當前存儲區中序列號為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 系統軟件設計

軟件設計利用了C語言模塊化編程的優點，將控制任務進行分割，使整個控制任務分解成為一個一個的子任務程序，包括：數據采集程序，數據處理程序，顯示程序，GPRS程序。各個子程序組合形成整個監測系統軟件。草坪土壤水分監測系統軟件流程圖如圖4所示。

圖4 總體流程圖

3.1 數據采集程序

S3C2410內部集成了采用近似比較算法（計數式）的8路10位ADC，內部產生比較時鐘信號。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 數據寄存器（ADCDAT）。在數據采集程序中，先對S3C2410初始化，按位對ADC控制寄存器進行操作，選擇預分頻值、模擬信道，然后開始采集信號，進行A/D轉換和標度變換（見圖5）。

圖5 數據采集流程圖

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

3.2 數據處理程序

在數據處理程序中，將ADC數據寄存器中的值求平均值，然后與設定值進行比較，求出土壤含水量，并保存數據以便將數據通過GPRS程序發送給監控端，流程圖如圖6所示。

圖6 數據處理流程圖

3.3 顯示程序設計

LCD數據端DB0～DB7分別接入S3C2410的GPD0～GPD7引腳，使能端EN接入GPD8引腳，復位端接入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，寫入數據并顯示，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，設定波特率，然后檢查串口通信是否正常，如果正常則讀監控端所發的短信，并判斷短信內容，如果短信內容為要求發送監測數據，則將土壤水分監測數據以短信形式發送至監控端，流程圖見圖8。

圖8 GPRS發短信流程圖

4 小 結

基于ARM的草坪土壤水分監測系統滿足了對小型草坪的土壤水分監測要求，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點。ARM資源豐富，為系統與自動灌溉系統銜接提供了延伸接口，為節水灌溉奠定了一定的技術基礎。

[1]韓烈保，楊 碚，鄧菊芬.草坪草種及其品種[M].北京：中國林業出版社，1996,11-12.

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