田二林,朱付保,張永霞,馬 賀

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 計算機與通信工程學(xué)院,鄭州 450002)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,人們的生活水平越來越高,對食材的要求也越來越高。因此,將農(nóng)作物種植和現(xiàn)代科技結(jié)合起來,通過研究作業(yè)土壤環(huán)境參數(shù),為農(nóng)戶提供作物病蟲害綜合治理解決方案,提高作物品質(zhì)和產(chǎn)量,就顯得尤為重要。這不僅可以提高農(nóng)民的收入,還可為消費者提供高品質(zhì)的蔬果產(chǎn)品。為此,采用DSP處理器,結(jié)合溫濕度和pH傳感器,檢測土壤環(huán)境參數(shù),為農(nóng)戶提供一定的種植依據(jù)。

1 農(nóng)田土壤信息采集器總體結(jié)構(gòu)

1.1 農(nóng)田土壤信息采集器架構(gòu)

傳統(tǒng)的農(nóng)田土壤信息采集器只是簡單地對土壤的溫濕度進行檢測,而忽略了作為生長過程中重要的pH值環(huán)境,因此本文對傳統(tǒng)的農(nóng)田土壤信息采集器進行了改進設(shè)計。改進后的農(nóng)田土壤信息采集器主要是利用溫濕度、pH傳感器對作物種植區(qū)的土壤進行檢測,由DSP搜集傳感器的數(shù)據(jù)并進行分析。傳感器與DSP之間的關(guān)系如圖1所示。

1.2 農(nóng)田土壤信息采集器模塊

農(nóng)田土壤信息采集器以美國TI(Texas Instruments)的TMS320C5545 DSP處理器為核心,結(jié)合外圍的信號處理、AD轉(zhuǎn)換和各種土壤參數(shù)采集傳感器,實現(xiàn)對種作物土壤的參數(shù)檢測和分析,并將數(shù)據(jù)發(fā)送給耗,后端系統(tǒng)。根據(jù)需求,系統(tǒng)應(yīng)該具備足夠低的功而TMS320C5545DSP處理器是一款超低功耗的處理器,1.05V電壓下總內(nèi)核工作功耗不足0.15mW/MHz,待機功耗不足0.15mW,大大延長了電池的使用壽命。農(nóng)田土壤信息采集器在工作過程中的具體要求如下:溫度檢測范圍-55°C～+150℃,精度±0.5℃;濕度檢測范圍±0.8%RH,精度±1%RH;pH檢測范圍4～9pH,測量精度±0.5pH,分辨率0.1pH。

圖1 傳感器與DSP之間的關(guān)系

2 農(nóng)田土壤信息采集器硬件設(shè)計

2.1 農(nóng)田土壤信息采集器硬件框架

農(nóng)田土壤信息采集器硬件框架如圖2所示。

整個系統(tǒng)由DSP TMS320C5545、供電電路、信號調(diào)理電路、AD采集電路、存儲器及傳感器電路等組成。

2.2 DSP處理器模塊

TMS320C5545數(shù)字信號處理器(DSP)包含1個高性能、低功耗的DSP處理器,可高效處理便攜式音頻、無線音頻設(shè)備、工業(yè)控制、無線電軟件定義、指紋生物識別和醫(yī)療應(yīng)用所需的任務(wù)。DSP包含以下主要組件,即C55x CPU、FFT硬件加速器、4個DMA控制器、電源管理模塊、雙存取RAM(DARAM)、只讀存儲器(ROM),特別適合工業(yè)控制和低功耗需求場景。DSP的功能框圖如圖3所示。

2.3 溫度傳感器模塊

為了使農(nóng)田土壤信息采集器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)盡量精簡,同時保證溫度傳感器的測量精度,采用NXP(恩智浦)KTY系列熱敏電阻。其阻值變化在80～150Ω之間。為了能夠測量該溫度傳感器的電阻值變化,采用如圖4所示的溫度傳感器檢測電路。

圖4 溫度傳感器檢測電路

圖4中,T1和T2為溫度傳感器鏈的兩個端點;VRES為參考電壓;T1和T2的電阻變化與R13、R14、R18組成電橋,在分壓原理下能夠得到電阻間的電壓值;然后經(jīng)過R12、R16和運算放大器LM358組成的增益為10倍的差分放大器進行放大;最后,經(jīng)過AD轉(zhuǎn)化能夠被TMS320C5545采集到。為了最大程度地降低溫度傳感器模塊的檢測誤差,模塊電路均采用0.1%的高精度電阻。

2.4 濕度傳感器模塊

系統(tǒng)采用HS1100濕度傳感器檢測土壤濕度。該傳感器采用固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu),具有高精度、高可靠性等特點,能夠滿足各種場合的濕度檢測。HS1100濕度傳感器工作電壓為+5V,根據(jù)檢測對象濕度可以輸出0～2.5V的電壓值。HS1100濕度傳感器原理如圖5所示。

圖5 HS1100濕度傳感器原理

圖5中,使用LM358組建一個放大倍數(shù)為1的差分放大電路。電容C27和C28主要作用是濾波,用來消除溫度傳感器的高頻噪聲。該檢測模塊采用0.1%的高精度電阻,以減少因電阻不平衡導(dǎo)致放大器帶來的誤差。前端調(diào)理電路處理過的AD1信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后,送到TMS320C5545進行分析處理。

2.5 pH傳感器模塊

系統(tǒng)采用美國Sensorex S290C pH傳感器檢測土壤pH值。該傳感器采用環(huán)氧樹脂、有機硅、pH玻璃和鉛玻璃等材料制造,pH測量范圍為0～14,可適用的環(huán)境溫度為0～70℃,響應(yīng)速度在1s內(nèi)能達到90%。pH傳感器檢測電路如圖6所示。

3 農(nóng)田土壤信息采集器軟件設(shè)計

3.1 農(nóng)田土壤信息采集器主控流程

農(nóng)田土壤信息采集器主控流程如圖7所示。具體流程操作為:首先,對DSP處理器進行初始化操作,實現(xiàn)系統(tǒng)時間、外部總線、各種接口設(shè)備的I/O地址、已經(jīng)與CPU通信的IRQ中斷信息的初始化;然后,DSP對各個傳感器模塊發(fā)送開始信號,判斷各個傳感器是否正常工作,并進行數(shù)據(jù)的采集及分析保存等。

圖6 pH傳感器檢測電路

圖7 農(nóng)田土壤信息采集器主控流程

3.2 農(nóng)田土壤信息采集器主控流程

農(nóng)田土壤信息采集器主控流程主要是對溫濕度、pH傳感器進行采集、分析和保存。軟件主控流程如下:首先進行系統(tǒng)初始化,然后進行溫濕度、pH模塊的初始化,最后利用線程池分別創(chuàng)建3個檢測模塊的線程。農(nóng)田土壤信息采集器主控流程主程序核心代碼如下所示:

main()

{

system_initial();//DSP initialization SPI_IOConfig(1);

//SPI1 initialization SPI_Init(1, 8, 2);

SPI752_Init(1, 115200);//Set SPI752_Init WDTInit();/* watchdog initialization */

Temperature_Sensor_ initial();//Temperature sensor initialization Humidity_Sensor_ initial();//Humidit initialization pH_Sensor_ initial();//PH initialization ProcessState::self()->startThreadPool();

IPCThreadState::self()->joinThreadPool();

return;

}

}

4 試驗與結(jié)果分析

為了驗證農(nóng)田土壤信息采集器的穩(wěn)定性和檢測精度,于2019年4月10號進行了測試試驗。地點為河南南陽某小麥種植基地,經(jīng)度112.52°E,緯度33.00°N,天晴,空氣略帶濕潤。在已經(jīng)設(shè)定好試驗方案的條件下進行實際試驗,試驗田選取一塊種植面積為0.2hm2的小麥田,試驗內(nèi)容包括土壤采集和土壤參數(shù)測試。為了對整塊土地進行比較清晰的了解,在試驗中有規(guī)劃地進行采樣點的選取。選取了5×8=40個測試點,每處有差一個小旗幟,方便進行土壤采集和測試試驗。土壤采集與測試點如圖8所示。

圖8 土壤采集與測試點

部分測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 土壤部分參數(shù)測試表

土壤采集與測試點選取得比較均勻,能夠充分說明整塊土壤的參數(shù)。為了對比,采用專用的測試儀器對采集到的土壤樣本進行了實際測試,對比結(jié)果相差不大。通過此次土壤采集和參數(shù)測試試驗,證明該農(nóng)田土壤信息采集器具備較高的精確度和穩(wěn)定性,符合設(shè)計要求。

5 結(jié)論

為了對傳統(tǒng)的農(nóng)田土壤信息采集器進行改進設(shè)計,結(jié)合DSP技術(shù)和傳感器技術(shù),利用溫濕度、pH傳感器實現(xiàn)了對農(nóng)作物土壤的溫濕度、酸堿度的檢測。為了驗證該農(nóng)田土壤信息采集器的穩(wěn)定性和檢測精度,進行了實際測試,試驗結(jié)果與專用測試儀器測試結(jié)果相差不大,說明其具備較強的精確度和穩(wěn)定性,符合設(shè)計要求。