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。監(jiān)測系統(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)行測量，該傳感器采用環(huán)氧樹脂材料設(shè)計(jì)，適用于測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，可長期埋于土壤中，功耗低、重量輕、便于攜帶、測量結(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)大容量內(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)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本墑情監(jiān)測系統(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)。
參考文獻(xiàn)
[1] 胡順軍,田長彥,周宏飛.中子儀土壤墑情監(jiān)測方法研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2000,18(2)：70-75.
[2] 蔣洪庚,夏自強(qiáng),陳海芳.區(qū)域土壤墑情模型研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),2000(05).
[3] AHMOOD M R, HUBBARD K G. 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.青海省農(nóng)業(yè)區(qū)(淺山)土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)研制[J].青海氣象,2008(2).
[6] 羅佳,孫運(yùn)強(qiáng). 51系列單片機(jī)與ARM處理器的比較[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2007(5):64-66.
[7] 陳金華,丁霞,楊太明.安徽省土壤墑情信息綜合處理系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J]. 氣象與減災(zāi),2006(3).
[8] 何新林,郭生練,盛東,等.土壤墑情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)在綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007(8).
[9] MC39i Hardware Interface Description Version 01.02[Z]. Siemens Mobile,2003.