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(jì)的發(fā)展和人們生態(tài)意識的加強(qiáng),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(hù)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)了對水分傳感器收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、匯集、預(yù)處理、存儲的功能,并且可以將測得的實(shí)時數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控端以便統(tǒng)計(jì)及分析其變化趨勢。
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(jìn)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
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(yùn)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(jī),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]。
采用FDS100土壤水分傳感器,該傳感器是基于介電理論并運(yùn)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??膳c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(shí)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(qiáng),防水防潮,傳輸距離遠(yuǎn),工作溫度范圍寬等特點(diǎn)。
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(jì)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。
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。
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=
圖3 MC35i與處理器連接框圖
軟件設(shè)計(jì)利用了C語言模塊化編程的優(yōu)點(diǎn),將控制任務(wù)進(jìn)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
S3C2410內(nèi)部集成了采用近似比較算法(計(jì)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(jìn)行操作,選擇預(yù)分頻值、模擬信道,然后開始采集信號,進(jìn)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。
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(jìn)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
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(jìn)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
GPRS模塊和S3C2410用串口連接,在GPRS程序中,先進(jìn)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
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(qiáng)、傳輸速度快和可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。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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