基于DSP的农田土壤信息采集器的改进设计

田二林,朱付保,张永霞,马 贺

(郑州轻工业学院 计算机与通信工程学院,郑州 450002)

0 引言

随着社会经济的快速发展,人们的生活水平越来越高,对食材的要求也越来越高。因此,将农作物种植和现代科技结合起来,通过研究作业土壤环境参数,为农户提供作物病虫害综合治理解决方案,提高作物品质和产量,就显得尤为重要。这不仅可以提高农民的收入,还可为消费者提供高品质的蔬果产品。为此,采用DSP处理器,结合温湿度和pH传感器,检测土壤环境参数,为农户提供一定的种植依据。

1 农田土壤信息采集器总体结构

1.1 农田土壤信息采集器架构

传统的农田土壤信息采集器只是简单地对土壤的温湿度进行检测,而忽略了作为生长过程中重要的pH值环境,因此本文对传统的农田土壤信息采集器进行了改进设计。改进后的农田土壤信息采集器主要是利用温湿度、pH传感器对作物种植区的土壤进行检测,由DSP搜集传感器的数据并进行分析。传感器与DSP之间的关系如图1所示。

1.2 农田土壤信息采集器模块

农田土壤信息采集器以美国TI(Texas Instruments)的TMS320C5545 DSP处理器为核心,结合外围的信号处理、AD转换和各种土壤参数采集传感器,实现对种作物土壤的参数检测和分析,并将数据发送给耗,后端系统。根据需求,系统应该具备足够低的功而TMS320C5545DSP处理器是一款超低功耗的处理器,1.05V电压下总内核工作功耗不足0.15mW/MHz,待机功耗不足0.15mW,大大延长了电池的使用寿命。农田土壤信息采集器在工作过程中的具体要求如下:温度检测范围-55°C～+150℃,精度±0.5℃;湿度检测范围±0.8%RH,精度±1%RH;pH检测范围4～9pH,测量精度±0.5pH,分辨率0.1pH。

图1 传感器与DSP之间的关系

2 农田土壤信息采集器硬件设计

2.1 农田土壤信息采集器硬件框架

农田土壤信息采集器硬件框架如图2所示。

整个系统由DSP TMS320C5545、供电电路、信号调理电路、AD采集电路、存储器及传感器电路等组成。

2.2 DSP处理器模块

TMS320C5545数字信号处理器(DSP)包含1个高性能、低功耗的DSP处理器,可高效处理便携式音频、无线音频设备、工业控制、无线电软件定义、指纹生物识别和医疗应用所需的任务。DSP包含以下主要组件,即C55x CPU、FFT硬件加速器、4个DMA控制器、电源管理模块、双存取RAM(DARAM)、只读存储器(ROM),特别适合工业控制和低功耗需求场景。DSP的功能框图如图3所示。

2.3 温度传感器模块

为了使农田土壤信息采集器系统结构尽量精简,同时保证温度传感器的测量精度,采用NXP(恩智浦)KTY系列热敏电阻。其阻值变化在80～150Ω之间。为了能够测量该温度传感器的电阻值变化,采用如图4所示的温度传感器检测电路。

图4 温度传感器检测电路

图4中,T1和T2为温度传感器链的两个端点;VRES为参考电压;T1和T2的电阻变化与R13、R14、R18组成电桥,在分压原理下能够得到电阻间的电压值;然后经过R12、R16和运算放大器LM358组成的增益为10倍的差分放大器进行放大;最后,经过AD转化能够被TMS320C5545采集到。为了最大程度地降低温度传感器模块的检测误差,模块电路均采用0.1%的高精度电阻。

2.4 湿度传感器模块

系统采用HS1100湿度传感器检测土壤湿度。该传感器采用固态聚合物结构,具有高精度、高可靠性等特点,能够满足各种场合的湿度检测。HS1100湿度传感器工作电压为+5V,根据检测对象湿度可以输出0～2.5V的电压值。HS1100湿度传感器原理如图5所示。

图5 HS1100湿度传感器原理

图5中,使用LM358组建一个放大倍数为1的差分放大电路。电容C27和C28主要作用是滤波,用来消除温度传感器的高频噪声。该检测模块采用0.1%的高精度电阻,以减少因电阻不平衡导致放大器带来的误差。前端调理电路处理过的AD1信号经过AD转换后,送到TMS320C5545进行分析处理。

2.5 pH传感器模块

系统采用美国Sensorex S290C pH传感器检测土壤pH值。该传感器采用环氧树脂、有机硅、pH玻璃和铅玻璃等材料制造,pH测量范围为0～14,可适用的环境温度为0～70℃,响应速度在1s内能达到90%。pH传感器检测电路如图6所示。

3 农田土壤信息采集器软件设计

3.1 农田土壤信息采集器主控流程

农田土壤信息采集器主控流程如图7所示。具体流程操作为:首先,对DSP处理器进行初始化操作,实现系统时间、外部总线、各种接口设备的I/O地址、已经与CPU通信的IRQ中断信息的初始化;然后,DSP对各个传感器模块发送开始信号,判断各个传感器是否正常工作,并进行数据的采集及分析保存等。

图6 pH传感器检测电路

图7 农田土壤信息采集器主控流程

3.2 农田土壤信息采集器主控流程

农田土壤信息采集器主控流程主要是对温湿度、pH传感器进行采集、分析和保存。软件主控流程如下:首先进行系统初始化,然后进行温湿度、pH模块的初始化,最后利用线程池分别创建3个检测模块的线程。农田土壤信息采集器主控流程主程序核心代码如下所示:

main()

{

system_initial();//DSP initialization SPI_IOConfig(1);

//SPI1 initialization SPI_Init(1, 8, 2);

SPI752_Init(1, 115200);//Set SPI752_Init WDTInit();/* watchdog initialization */

Temperature_Sensor_ initial();//Temperature sensor initialization Humidity_Sensor_ initial();//Humidit initialization pH_Sensor_ initial();//PH initialization ProcessState::self()->startThreadPool();

IPCThreadState::self()->joinThreadPool();

return;

}

}

4 试验与结果分析

为了验证农田土壤信息采集器的稳定性和检测精度,于2019年4月10号进行了测试试验。地点为河南南阳某小麦种植基地,经度112.52°E,纬度33.00°N,天晴,空气略带湿润。在已经设定好试验方案的条件下进行实际试验,试验田选取一块种植面积为0.2hm2的小麦田,试验内容包括土壤采集和土壤参数测试。为了对整块土地进行比较清晰的了解,在试验中有规划地进行采样点的选取。选取了5×8=40个测试点,每处有差一个小旗帜,方便进行土壤采集和测试试验。土壤采集与测试点如图8所示。

图8 土壤采集与测试点

部分测试数据如表1所示。

表1 土壤部分参数测试表

土壤采集与测试点选取得比较均匀,能够充分说明整块土壤的参数。为了对比,采用专用的测试仪器对采集到的土壤样本进行了实际测试,对比结果相差不大。通过此次土壤采集和参数测试试验,证明该农田土壤信息采集器具备较高的精确度和稳定性,符合设计要求。

5 结论

为了对传统的农田土壤信息采集器进行改进设计,结合DSP技术和传感器技术,利用温湿度、pH传感器实现了对农作物土壤的温湿度、酸碱度的检测。为了验证该农田土壤信息采集器的稳定性和检测精度,进行了实际测试,试验结果与专用测试仪器测试结果相差不大,说明其具备较强的精确度和稳定性,符合设计要求。