基于ARM嵌入式節(jié)水灌溉系統(tǒng)的研究

李佳林　劉永春

摘要：論文設(shè)計(jì)了一種基于ARM9控制的節(jié)水灌溉系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控土壤濕度狀況，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤的節(jié)水灌溉。系統(tǒng)以S3C2440為核心，采用AQUA-TEL-TDR傳感器的TDR原理，將輸出的電信號(hào)通過MAX1246轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；通過串口與PC機(jī)相連，PC機(jī)將計(jì)算出所需的灌溉量和時(shí)間并反饋給S3C2440，啟動(dòng)報(bào)警裝置和開始灌溉。

關(guān)鍵詞：節(jié)水灌溉；ARM9；S3C2440；AQUA-TEL-TDR；MAX1246；MAX3232

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）07-1565-03

1 概述

S3C2440的微處理器核心是由ARM公司生產(chǎn)的，其突出的特點(diǎn)是具有16/32位的ARM920T的RISC，宏單元和存儲(chǔ)單元都是0.13um的COMS標(biāo)準(zhǔn)，其功耗低，精致、簡(jiǎn)單和全靜態(tài)的特性，結(jié)合源代碼開放、高效、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、成本低的Linux操作系統(tǒng)[1]，可常用工業(yè)、農(nóng)業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。由于以AT89C52為核心控制的節(jié)水灌溉系統(tǒng)，不能實(shí)時(shí)、迅速地對(duì)土壤的濕度狀況做出反應(yīng)。所以，針對(duì)以上的問題，該文采用基于S3C2440為核心，在Linux平臺(tái)下，完成對(duì)該系統(tǒng)的開發(fā)和移植，最終完成自動(dòng)節(jié)水灌溉的目的。

2 節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的管理大多需要智能系統(tǒng)的管理，而本文選用ARM-Linux平臺(tái)下完成自動(dòng)節(jié)水灌溉的任務(wù)。首先選用穩(wěn)定性高、安裝操作簡(jiǎn)單的AQUA-TEL-TDR傳感器來(lái)檢測(cè)土壤的濕度[2]，而采集的土壤濕度數(shù)據(jù)通過MAX1246，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，得到的數(shù)字信號(hào)傳送給S3C2440開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行分析處理，并在LCD上顯示土壤的相對(duì)濕度；而S3C2440得到的土壤相對(duì)濕度通過串行通信的方式返回給PC機(jī)，PC根據(jù)土壤的濕度來(lái)判斷土壤是否需要灌溉， PC將會(huì)計(jì)算出所需灌水量和灌溉時(shí)間，并在PC的界面上顯示[3]，同時(shí)PC將會(huì)把計(jì)算出所需灌水量和灌溉時(shí)間反饋給S3C2440，S3C2440根據(jù)PC所傳送的相關(guān)信息，啟動(dòng)報(bào)警裝置，同時(shí)發(fā)出灌溉信號(hào)，通過電磁閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉。如果PC根據(jù)采集的土壤相對(duì)濕度判斷出無(wú)需灌水，則PC機(jī)界面將會(huì)顯示灌水量和灌溉時(shí)間為0。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

本文數(shù)據(jù)采集模塊選用主要MAX1246芯片[4]，該芯片主要是具有可編程12位的串行輸出A/D裝換，并且同SPI接口與核心處理器S3C2440相接，由于該芯片具有25V的內(nèi)部參考電壓，可通過緩沖放大器可以調(diào)整采集時(shí)所需的參考電壓，并且該芯片采集速度快，轉(zhuǎn)換精度高的特點(diǎn)，可達(dá)到最佳采集數(shù)據(jù)的效果，同時(shí)MAX1246的內(nèi)部具有采樣保持的電路，這樣便可以對(duì)瞬間變化量進(jìn)行捕捉到。而根據(jù)AQUA-TEL-TDR傳感器輸出的電信號(hào)，MAX1246將會(huì)把該電信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后將轉(zhuǎn)化的數(shù)字信號(hào)傳送給S3C2440進(jìn)行分析處理。

首先將MAX1246的時(shí)鐘信號(hào)與S3C2440的時(shí)鐘信號(hào)CLKOUT0串行連接，同時(shí)S3C2440發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)CLKOUT1作為S3C2440所接收的時(shí)鐘信號(hào)CLKOUT0，MAX1246的數(shù)據(jù)輸出端DOUT與S3C2440的輸入端RXD0相接，而S3C2440的輸出端TXD0與MAX1246的數(shù)據(jù)輸入端DIN相接，同時(shí)需要將MAX1246的串行選通端SSTRB接至S3C2440的nCTS0端，MAX1246的片選信號(hào)端接至S3C2440的nGCS0。

3.2 LCD顯示系統(tǒng)電路

選用 FYD12864作為液晶顯示模塊，其成本低，具有靈活的接口方式和簡(jiǎn)單方便的操作指令，并且內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)，二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊。顯示電路如圖3所示，首先設(shè)置S3C2440的引腳XTIpll， OM2， XTOpll為101，使得S3C2440工作于外部晶振PLL*1的模式下。FYD12864的PSB引腳連接+5v，是LCD工作于4位或8位的并口模式，A，K引腳分別接+5v和GND，從而啟動(dòng)LCD背光。然后將S3C2440的P0-7口與FYD12864的數(shù)據(jù)端口進(jìn)行連接，3條地址線分別控制FYD12864的RS，R/W以及復(fù)位RESET引腳。圖3 為L(zhǎng)CD顯示系統(tǒng)電路：

3.3 超限報(bào)警電路

超限報(bào)警電路是根據(jù)S3C2440核心處理器控制的蜂鳴器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于蜂鳴器的產(chǎn)生是電流通過電磁線圈，使其產(chǎn)生磁場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)膜發(fā)聲，因此需要一定的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。S3C2440的GPB0端來(lái)控制蜂鳴器，由于該端口輸出為8mA，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，因此需要用三極管放大電流來(lái)驅(qū)動(dòng)三極管，這里選用PNP的三極管，而蜂鳴器報(bào)警的時(shí)間長(zhǎng)短則根據(jù)延時(shí)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.4 S3C2440與PC機(jī)串行通信接口

要保證PC機(jī)與S3C2440正常通信，就必須處理好RS-232的串行電路，這里選用9針的DB9接口。本次設(shè)計(jì)主要選用MAX3232來(lái)完成系統(tǒng)所需的電平轉(zhuǎn)換，由于采用采用TTL邏輯，需要加上電平轉(zhuǎn)換的接口，所以，本系統(tǒng)采用的是-15v～-3v和3v～15v來(lái)完成，這樣不僅能提高它的抗干擾能力，也能增加它的傳輸距離。為此，只需在MAX3232上增加幾個(gè)電容即可。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于S3C2440與PC機(jī)相接必須要符合串口通信協(xié)議，以此來(lái)完成彼此的雙向傳輸，其中需要對(duì)MAX3232串口轉(zhuǎn)換芯片MCBSP的各個(gè)寄存器進(jìn)行初始化。本次軟件設(shè)計(jì)主要采用源代碼開放、實(shí)時(shí)、高效、穩(wěn)定、成本低等優(yōu)點(diǎn)的Linux操作系統(tǒng)，首先建立交叉編譯環(huán)境用于編譯其源代碼，代碼編寫采用C語(yǔ)言，以便其可讀性和可移植性，而內(nèi)核的移植采用2.6.30.2版本，燒寫完根文件系統(tǒng)，編譯成功后，即可在TQ2440開發(fā)板上運(yùn)行其bin文件，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖6和圖7分別為中斷程序和主程序流程圖：

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以嵌入式ARM-Linux的節(jié)水灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)節(jié)水，自動(dòng)灌溉的目的。該系統(tǒng)不僅能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地檢測(cè)出土壤的相對(duì)濕度以及濕度變化的情況，而且也能夠根據(jù)土壤的相對(duì)濕度，計(jì)算出所需的灌水量和灌溉時(shí)間，當(dāng)檢測(cè)值大于PC所給定的預(yù)定值是，則S3C2440會(huì)立刻啟動(dòng)報(bào)警器；同時(shí)打開電磁閥進(jìn)行灌溉。也可以通過修改PC的預(yù)定值來(lái)改變灌水量和灌溉時(shí)間，具有很高的靈活性。

6 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)選用的AQUA-TEL-TDR傳感器不但可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，而且可以采集的數(shù)據(jù)精確度高，結(jié)合主頻高達(dá)400MHz的S3C2440核心處理器和功能強(qiáng)大的Linux操作系統(tǒng)，不但能提高系統(tǒng)的處理運(yùn)行速度，而且也穩(wěn)定高效實(shí)時(shí)地反映土壤的相對(duì)濕度，通過PC所計(jì)算得灌水量和灌溉時(shí)間反饋給S3C2440，能夠及時(shí)地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉，達(dá)到高產(chǎn)節(jié)水的目的[5]，從而避免了水資源的浪費(fèi)情況。

參考文獻(xiàn)：

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