基于S3C2410的土壤墒情监测系统设计[图]

摘要：设计了以ARM处理器为核心的土壤墒情采集监测系统，采用AQUA-TEL-TDR土壤水分传感器对土壤含水量进行采集，选取S3C2410处理器作为硬件平台基础，配以K9F1208U0C型Nand Flash、触摸式液晶屏、GPRS模块、CS8900A网卡芯片等组成硬件系统。开发了基于Qtopia图形用户界面的用户应用程序，实现了土壤墒情信息的采集、存储、无线传输和自动灌溉。

水在农业生产中作用和重要性不言而喻，土壤墒情是政府决策部门实现节水的重要依据，是农牧业抗旱和合理配置水资源的重要依据。农业是我国用水大户，用水量约占整个水资源利用总量的80%。将信息技术应用于农业，开展基于信息技术的土壤墒情监测控制可以有效解决农业节水问题，实现适时适量灌溉，从而达到节水、增产的目的[1]。因此，开展土壤墒情的自动监测对于我国农业和经济发展具有重要意义。

1 监测系统总体结构

土壤墒情指土壤的含水量及土壤湿度，即土壤的干湿程度，可用土壤中水的质量占烘干土重的百分数表示：土壤含水量=土壤中水质量/烘干土重×100%。也可以是土壤含水量相当于田间持水量的百分比，或相对于饱和水量的百分比等相对含水量表示。根据土壤的相对湿度、土壤含水程度对于灌溉具有重要参考价值[2]。

基于S3C2410的土壤墒情采集监测系统可以实现对墒情信息的自动、连续采集与监测。监测系统由前端数据采集和后端灌溉控制两个主要部分组成，如图1所示。

前端采集部分主要包括传感器、采集器、控制器和电磁控制阀门等。传感器用于采集土壤的水分、温度以及空气湿度等数据；采集器用于接收土壤传感器或其他传感器收集到的各项信息，并将数据通过无线模块发送到后台服务器；控制器通过无线方式接收中央控制系统发布的灌溉控制命令，对水泵进行控制；电磁控制阀门收到控制命令后，直接进行灌溉控制。

后端数据处理与控制部分主要是由计算机和软件系统组成，对接收的土壤信息进行数据处理和分析，并作出灌溉决策。灌溉时间和灌溉量以土壤墒情数据和水量平衡方程为依据。为保证测量的准确性，本系统选用AQUA-TEL-TDR土壤水分传感器对土壤墒情进行测量，该传感器采用环氧树脂材料设计，适用于测量各种类型土壤的含水量，采用杆式设计，感应部分48cm，可长期埋于土壤中，功耗低、重量轻、便于携带、测量结果准确，可以直接输出电信号。

2 嵌入式核心板设计

本系统采用基于ARM处理器的嵌入式系统，主要由核心板与底层接口电路扩张板两部分构成。系统硬件结构如图2所示，系统以S3C2410嵌入式处理器为核心，外扩SDRAM/Flash模块用于数据存储，总线模块负责对传感器的信号采集和传送，显示部分由可触摸LCD实现，土壤墒情数据由GPRS模块无线传输至后端服务器。

2.1 S3C2410处理器

S3C2410是三星基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器，主要面向手持设备等高性价比、低功耗的应用。ARM920T核由ARM9TDMI、存储管理单元(MMU)和高速缓存三部分组成。其中MMU可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的16KB地址和16KB数据高速Cache组成。

S3C2410集成了一个具有日历功能的RTC和具有PLL(MPLL和UPLL)的芯片时钟发生器。MPLL产生主时钟，能够使处理器工作频率最高达到203MHz[3]。S3C2410将系统的存储空间分为8组(Bank)，每组的大小是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，这两个组可编程且大小相同。Bank7的起始地址是Bank6的结束地址，S3C2410采用nGCS[7:0]8个通用片选信号选择这些组。S3C2410支持从Nand Flash启动，系统采用Nand Flash与SDRAM组合，性价比高。S3C2410有三种启动方式，可以通过OM[1:0]管脚进行选择。

2.2 Nand Flash

Nand Flash内存是Flash内存的一种，系统采用K9F1208U0C型64M×8bit的Nand Flash Memory。该芯片以每片16MB的容量能存储512Mbit总量，额定电压3.3V，其内部采用非线性宏单元模式，为固态大容量内存的实现提供了高性价比解决方案。

2.3 SDRAM

SDRAM即同步动态随机存取存储器，它将CPU和RAM通过一个相同的时钟锁在一起，使得RAM和CPU能够共享时钟周期，从而解决了CPU和RAM之间的速度匹配问题，避免了在系统总线对异步DRAM进行操作时同步所需的额外等待时间，可加快数据的传输速度。本系统所采用的HY57V561620FTP-H由4组4M×16bit存储单元组成。