基于S3C2410的土壤墒情监测系统设计

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。

当处理器以Nand Flash模式启动时，内置的Nand Flash控制器将访问控制接口，将代码自动加载到内部SRAM中运行[4]。SRAM中的引导程序将操作系统镜像加载到SDRAM中，操作系统可在SDRAM运行。SDRAM放在系统存储空间的Bank6，片选信号需与处理器的nGCS6相连，处理器的DATA0～DATA15管脚连接第一片的数据线，DATA16～DATA31管脚连接第二片，地址线ADDR24、ADDR25和ADDR26组成SDRAM的Bank选择信号，实现存储容量扩充。时钟、片选、数据输入/输出掩码控制等与S3C2410相应的接口相连。

2.4 CS8900A网卡

本系统采用CS8900A网卡集成芯片，该芯片具有片内4KB RAM，适用于I/O操作模式、存储器操作模式和DMA操作模式，最大电流消耗为55mA(5V电源)，全双工操作。CS8900A支持的传输模式有I/O、Memory和DMA三种模式，其中I/O模式是访问CS8900A存储区的默认模式，简单易用。要实现CS8900A与主机之间的数据通信，在电路设计时可根据具体情况灵活选择数据传输模式。

3 扩展板设计

底层板主要包括电源转换电路、串口通信电路、GPRS接口电路、液晶屏接口电路、复位电路等，为核心板提供良好的扩展功能。

3.1 电源电路

设计在嵌入式系统中的电源系统具有重要作用[5]。S3C2410处理器、存储器、触摸屏和RS232的电平转换模块采用3.3V供电，本系统选用具有优越性能的AMS1117-3.3转换外部电源产生3.3V电压，如图3所示。为提高抗干扰能力，可在电路中增加滤波电容，并在输出端加入发光二极管显示工作状态，输入端前置总开关S1，控制整个系统关闭。

无线通信模块MC39i正常工作电流变化较大，其工作电压要求在3.3V时的波动不超过0.4V。因此，电源电路采用R1224N102E高性能芯片，如图4所示。R1224N102E是RICOH提供的一个PWM/WFM转换器，它的晶振频率为500kHz，效率高达90%，待机电流低至0μA，CEM9435A是一个PMOS晶体管，它有多个S级和D级，可提供较大的电流输出能力。

3.2 串口电路

串口是计算机和仪器仪表常用的通信协议，RS-232是PC及其兼容机上的串行接口标准[6]。目前常用的电平转换芯片有MAX232、MAX3232等。本系统选用MAX3223，其供电电压为3.0V~5.5V。处理器提供的是TTL电平，需转换为RS232电平再与外部连接，电路连接如图5所示。

3.3 GPRS模块

无线通信采用GPRS网络实现，GPRS移动数据业务由GSM网接入Internet，实现与中央灌溉控制器的连接，实现数据传输，用AT指令方式进行各种操作控制。GPRS业务提供的是点对点的PPP链路，因此GPRS 拨号上网的过程遵守PPP的网络协议。系统对PPP协议支持是在配置内核时完成，拨号上网前，需先对无线模块的频率、状态等进行初始化。

GPRS采用基于分组传输模式的无线IP技术，支持IP协议和X.25协议，传输速率最高达117kb/s。本系统选用西门子MC39i手机模块，工作在900MHz和1800MHz的GSM网络[7]，支持GPRS的多时隙class10和GPRS coding schemes CS-1、CS-2、CS-3、CS-4。MC39i支持TTL电平，S3C2410处理器提供的串口也为TTL电平。MC39i接口电路如图6所示，无线模块通过TXD0管脚和RXD0管脚分别与S3C2410的13和12引脚连接，GPRS模块与CPU串口通信，模块的SIM卡接口与SIM卡卡槽按对应的接口连接。MC39i提供了一个指示灯接口，在外接CMOS管集电极上加一个发光二级管，显示通信状态。

4 监测系统软件设计

本墒情监测系统软件采用层次化结构设计，如图7所示。所有软件采用模块化完成，其中应用程序层的设计按照功能可分为两大主要模块：墒情信息采集模块和灌溉控制模块。各模块之间相互独立，提高了软件可靠性和效率。

本墒情监测系统已应用于小汤山国家农业研究示范基地，基地安装的自动灌溉控制系统中央服务器使用力控6.0组态软件编写的灌溉监控软件。本系统可根据所采集的墒情信息决定是否需要灌溉，如需灌溉可进入灌溉控制界面，设置各项参数对土壤实施灌溉浇水。

本墒情采集监测系统基于ARM嵌入式S3C2410处理器设计，实现了土壤墒情信息的自动采集、监测和灌溉，相对于传统的烘干称重法、中子水分仪法、时域反射仪法、负压计法和遥感监测法等，本系统可实现对土壤墒情数据的自动持续监测和多点实时采集，并通过GPRS网络实现了对监测数据和灌溉控制命令的无线传输，可实现节水灌溉，提升了农业信息化水平，为实现农业的科学发展奠定了基础。

参考文献

[1] 胡顺军，田长彦，周宏飞.中子仪土壤墒情监测方法研究[J].干旱地区农业研究，2000，18(2)：70-75.
     [2] 蒋洪庚，夏自强，陈海芳.区域土壤墒情模型研究[J].河海大学学报，2000(05).
     [3] AHMOODMR，HUBBARDKG. An analysis of simulated  long term soil moisture data for three land uses undercontrasting hydroclimatic conditions in the no rthern great  plains[J].Hydrome techonology J，2004(5):160-179.
     [4] S3C2410X 32-Bit RISC Microprocessor USER'S MANUAL Revision 1.2[Z]. Samsung Electronics，2003.
     [5] 胡玲，汪青春.青海省农业区(浅山)土壤墒情监测系统研制[J].青海气象，2008(2).
     [6] 罗佳，孙运强. 51系列单片机与ARM处理器的比较[J]. 工业控制计算机，2007(5):64-66.
     [7] 陈金华，丁霞，杨太明.安徽省土壤墒情信息综合处理系统的开发与应用[J]. 气象与减灾，2006(3).
     [8] 何新林，郭生练，盛东，等.土壤墒情自动测报系统在绿洲农业区的应用[J].农业工程学报，2007(8).
     [9] MC39i Hardware Interface Description Version 01.02[Z]. Siemens Mobile，2003.