水在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作用和重要性不言而喻,，土壤墑情是政府決策部門實(shí)現(xiàn)節(jié)水的重要依據(jù)，是農(nóng)牧業(yè)抗旱和合理配置水資源的重要依據(jù)。農(nóng)業(yè)是我國用水大戶,，用水量約占整個(gè)水資源利用總量的80%,。將信息技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，開展基于信息技術(shù)的土壤墑情監(jiān)測(cè)控制可以有效解決農(nóng)業(yè)節(jié)水問題,，實(shí)現(xiàn)適時(shí)適量灌溉,，從而達(dá)到節(jié)水、增產(chǎn)的目的[1],。因此,，開展土壤墑情的自動(dòng)監(jiān)測(cè)對(duì)于我國農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。
1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    土壤墑情指土壤的含水量及土壤濕度,，即土壤的干濕程度,，可用土壤中水的質(zhì)量占烘干土重的百分?jǐn)?shù)表示：土壤含水量=土壤中水質(zhì)量/烘干土重×100％。也可以是土壤含水量相當(dāng)于田間持水量的百分比,，或相對(duì)于飽和水量的百分比等相對(duì)含水量表示,。根據(jù)土壤的相對(duì)濕度、土壤含水程度對(duì)于灌溉具有重要參考價(jià)值[2],。
    基于S3C2410的土壤墑情采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)墑情信息的自動(dòng),、連續(xù)采集與監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由前端數(shù)據(jù)采集和后端灌溉控制兩個(gè)主要部分組成,，如圖1所示,。

    前端采集部分主要包括傳感器、采集器,、控制器和電磁控制閥門等,。傳感器用于采集土壤的水分,、溫度以及空氣濕度等數(shù)據(jù),；采集器用于接收土壤傳感器或其他傳感器收集到的各項(xiàng)信息，并將數(shù)據(jù)通過無線模塊發(fā)送到后臺(tái)服務(wù)器,；控制器通過無線方式接收中央控制系統(tǒng)發(fā)布的灌溉控制命令,，對(duì)水泵進(jìn)行控制；電磁控制閥門收到控制命令后,，直接進(jìn)行灌溉控制,。
    后端數(shù)據(jù)處理與控制部分主要是由計(jì)算機(jī)和軟件系統(tǒng)組成，對(duì)接收的土壤信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,，并作出灌溉決策,。灌溉時(shí)間和灌溉量以土壤墑情數(shù)據(jù)和水量平衡方程為依據(jù)。為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性,，本系統(tǒng)選用AQUA-TEL-TDR土壤水分傳感器對(duì)土壤墑情進(jìn)行測(cè)量,，該傳感器采用環(huán)氧樹脂材料設(shè)計(jì)，適用于測(cè)量各種類型土壤的含水量，采用桿式設(shè)計(jì),，感應(yīng)部分48 cm,，可長(zhǎng)期埋于土壤中，功耗低,、重量輕,、便于攜帶、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確,，可以直接輸出電信號(hào),。
2 嵌入式核心板設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用基于ARM處理器的嵌入式系統(tǒng)，主要由核心板與底層接口電路擴(kuò)張板兩部分構(gòu)成,。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,系統(tǒng)以S3C2410嵌入式處理器為核心,，外擴(kuò)SDRAM/Flash模塊用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，總線模塊負(fù)責(zé)對(duì)傳感器的信號(hào)采集和傳送,，顯示部分由可觸摸LCD實(shí)現(xiàn),土壤墑情數(shù)據(jù)由GPRS模塊無線傳輸至后端服務(wù)器,。

2.1 S3C2410處理器
    S3C2410是三星基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器，主要面向手持設(shè)備等高性價(jià)比,、低功耗的應(yīng)用,。ARM920T核由ARM9TDMI、存儲(chǔ)管理單元(MMU)和高速緩存三部分組成,。其中MMU可以管理虛擬內(nèi)存,，高速緩存由獨(dú)立的16 KB地址和16 KB數(shù)據(jù)高速Cache組成。
    S3C2410 集成了一個(gè)具有日歷功能的RTC和具有PLL（MPLL和UPLL）的芯片時(shí)鐘發(fā)生器,。MPLL 產(chǎn)生主時(shí)鐘,能夠使處理器工作頻率最高達(dá)到203 MHz[3],。S3C2410 將系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間分為8 組(Bank)，每組的大小是128 MB,，共1 GB,。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,這兩個(gè)組可編程且大小相同。Bank7的起始地址是Bank6 的結(jié)束地址,，S3C2410 采用nGCS[7:0] 8個(gè)通用片選信號(hào)選擇這些組,。S3C2410支持從Nand Flash 啟動(dòng)，系統(tǒng)采用Nand Flash與SDRAM 組合,，性價(jià)比高,。S3C2410有三種啟動(dòng)方式，可以通過OM[1：0]管腳進(jìn)行選擇,。
2.2 Nand Flash
    Nand Flash內(nèi)存是Flash內(nèi)存的一種,系統(tǒng)采用K9F1208U0C型64 M×8 bit的Nand Flash Memory,。該芯片以每片16 MB的容量能存儲(chǔ)512 Mbit總量,額定電壓3.3 V，其內(nèi)部采用非線性宏單元模式，為固態(tài)大容量?jī)?nèi)存的實(shí)現(xiàn)提供了高性價(jià)比解決方案,。
2.3 SDRAM
    SDRAM即同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器,，它將CPU和RAM通過一個(gè)相同的時(shí)鐘鎖在一起，使得RAM和CPU能夠共享時(shí)鐘周期,，從而解決了CPU和RAM之間的速度匹配問題,，避免了在系統(tǒng)總線對(duì)異步DRAM進(jìn)行操作時(shí)同步所需的額外等待時(shí)間，可加快數(shù)據(jù)的傳輸速度,。本系統(tǒng)所采用的HY57V561620FTP-H由4組4 M×16 bit存儲(chǔ)單元組成,。
    當(dāng)處理器以Nand Flash模式啟動(dòng)時(shí),內(nèi)置的Nand Flash控制器將訪問控制接口,將代碼自動(dòng)加載到內(nèi)部SRAM中運(yùn)行[4]。SRAM中的引導(dǎo)程序?qū)⒉僮飨到y(tǒng)鏡像加載到SDRAM中,，操作系統(tǒng)可在SDRAM運(yùn)行,。SDRAM放在系統(tǒng)存儲(chǔ)空間的Bank6，片選信號(hào)需與處理器的nGCS6相連,處理器的DATA0～DATA15管腳連接第一片的數(shù)據(jù)線,，DATA16～DATA31管腳連接第二片,地址線ADDR24,、ADDR25和ADDR26組成SDRAM的Bank選擇信號(hào)，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)容量擴(kuò)充,。時(shí)鐘,、片選、數(shù)據(jù)輸入/輸出掩碼控制等與S3C2410相應(yīng)的接口相連,。
2.4 CS8900A網(wǎng)卡
    本系統(tǒng)采用CS8900A網(wǎng)卡集成芯片,，該芯片具有片內(nèi)4 KB RAM,適用于I/O操作模式、存儲(chǔ)器操作模式和DMA操作模式,，最大電流消耗為55 mA(5 V電源),，全雙工操作。CS8900A支持的傳輸模式有I/O,、Memory和DMA三種模式,，其中I/O模式是訪問CS8900A存儲(chǔ)區(qū)的默認(rèn)模式，簡(jiǎn)單易用,。要實(shí)現(xiàn)CS8900A與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信,，在電路設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)具體情況靈活選擇數(shù)據(jù)傳輸模式。

3 擴(kuò)展板設(shè)計(jì)
    底層板主要包括電源轉(zhuǎn)換電路,、串口通信電路、GPRS接口電路,、液晶屏接口電路,、復(fù)位電路等，為核心板提供良好的擴(kuò)展功能,。
3.1電源電路
    設(shè)計(jì)在嵌入式系統(tǒng)中的電源系統(tǒng)具有重要作用[5],。S3C2410處理器、存儲(chǔ)器、觸摸屏和RS232的電平轉(zhuǎn)換模塊采用3.3 V供電,，本系統(tǒng)選用具有優(yōu)越性能的AMS1117-3.3轉(zhuǎn)換外部電源產(chǎn)生3.3 V電壓,，如圖3所示。為提高抗干擾能力,，可在電路中增加濾波電容,，并在輸出端加入發(fā)光二極管顯示工作狀態(tài)，輸入端前置總開關(guān)S1,，控制整個(gè)系統(tǒng)關(guān)閉,。

    無線通信模塊MC39i正常工作電流變化較大，其工作電壓要求在3.3 V時(shí)的波動(dòng)不超過0.4 V,。因此,，電源電路采用R1224N102E高性能芯片,如圖4所示。R1224N102E是RICOH提供的一個(gè)PWM/WFM轉(zhuǎn)換器,，它的晶振頻率為500 kHz,，效率高達(dá)90%，待機(jī)電流低至0 μA,，CEM9435A是一個(gè)PMOS晶體管,，它有多個(gè)S級(jí)和D級(jí)，可提供較大的電流輸出能力,。

3.2 串口電路
    串口是計(jì)算機(jī)和儀器儀表常用的通信協(xié)議,，RS-232是PC及其兼容機(jī)上的串行接口標(biāo)準(zhǔn)[6]。目前常用的電平轉(zhuǎn)換芯片有MAX232,、MAX3232等,。本系統(tǒng)選用MAX3223，其供電電壓為3.0 V~5.5 V,。處理器提供的是TTL電平,，需轉(zhuǎn)換為RS232電平再與外部連接，電路連接如圖5所示,。

3.3 GPRS模塊
    無線通信采用GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn),，GPRS移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)由GSM網(wǎng)接入Internet，實(shí)現(xiàn)與中央灌溉控制器的連接,，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,，用AT指令方式進(jìn)行各種操作控制。GPRS業(yè)務(wù)提供的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的PPP鏈路,，因此GPRS 撥號(hào)上網(wǎng)的過程遵守PPP的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,。系統(tǒng)對(duì)PPP協(xié)議支持是在配置內(nèi)核時(shí)完成，撥號(hào)上網(wǎng)前,，需先對(duì)無線模塊的頻率,、狀態(tài)等進(jìn)行初始化,。
    GPRS采用基于分組傳輸模式的無線IP技術(shù)，支持IP協(xié)議和X.25協(xié)議,，傳輸速率最高達(dá)117 kb/s,。本系統(tǒng)選用西門子MC39i手機(jī)模塊,工作在900 MHz和1 800 MHz的GSM網(wǎng)絡(luò)[7]，支持GPRS的多時(shí)隙class10和GPRS coding schemes CS-1,、CS-2,、CS-3、CS-4,。MC39i支持TTL電平,，S3C2410處理器提供的串口也為TTL電平。MC39i接口電路如圖6所示,，無線模塊通過TXD0管腳和RXD0管腳分別與S3C2410的13和12引腳連接,， GPRS模塊與CPU串口通信，模塊的SIM卡接口與SIM卡卡槽按對(duì)應(yīng)的接口連接,。MC39i提供了一個(gè)指示燈接口,，在外接CMOS管集電極上加一個(gè)發(fā)光二級(jí)管,顯示通信狀態(tài)。
4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件采用層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如圖7所示,。所有軟件采用模塊化完成,，其中應(yīng)用程序?qū)拥脑O(shè)計(jì)按照功能可分為兩大主要模塊：墑情信息采集模塊和灌溉控制模塊。各模塊之間相互獨(dú)立,，提高了軟件可靠性和效率,。

    本墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已應(yīng)用于小湯山國家農(nóng)業(yè)研究示范基地，基地安裝的自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)中央服務(wù)器使用力控6.0組態(tài)軟件編寫的灌溉監(jiān)控軟件,。本系統(tǒng)可根據(jù)所采集的墑情信息決定是否需要灌溉,，如需灌溉可進(jìn)入灌溉控制界面，設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)對(duì)土壤實(shí)施灌溉澆水,。
    本墑情采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于ARM嵌入式S3C2410處理器設(shè)計(jì),，實(shí)現(xiàn)了土壤墑情信息的自動(dòng)采集、監(jiān)測(cè)和灌溉,，相對(duì)于傳統(tǒng)的烘干稱重法,、中子水分儀法、時(shí)域反射儀法,、負(fù)壓計(jì)法和遙感監(jiān)測(cè)法等,，本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤墑情數(shù)據(jù)的自動(dòng)持續(xù)監(jiān)測(cè)和多點(diǎn)實(shí)時(shí)采集，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和灌溉控制命令的無線傳輸,，可實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉,，提升了農(nóng)業(yè)信息化水平，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的科學(xué)發(fā)展奠定了基礎(chǔ),。
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