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基于ARM嵌入式節(jié)水灌溉系統(tǒng)的研究

2014-04-23 10:09李佳林劉永春
電腦知識(shí)與技術(shù) 2014年7期
關(guān)鍵詞:灌溉系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)PC機(jī)

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)來驅(qū)動(dòng)振動(dòng)膜發(fā)聲,因此需要一定的電流來驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。S3C2440的GPB0端來控制蜂鳴器,由于該端口輸出為8mA,無法直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器,因此需要用三極管放大電流來驅(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)定值來改變灌水量和灌溉時(shí)間,具有很高的靈活性。

6 結(jié)束語

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):

[1] 田澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005:10-20.

[2] 李佳林,劉永春.基于DSP控制的節(jié)水灌溉系統(tǒng)研究[J].電子設(shè)計(jì)工程,2013,21(4):107-109.

[3] 鄒龍龍.農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].吉林:吉林農(nóng)業(yè)大學(xué),2011.

[4] 張楊,陳家勝. ARM嵌入式儀器的A/D接口設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù),2007(10):18-20.

[5] 戴杉虎.單片機(jī)在節(jié)水灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機(jī)電工業(yè)技術(shù),2011,40(8):139-140.

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