基于Freescale Kinetis的農(nóng)田灌溉控制板卡的設(shè)計(jì)

摘要：文章設(shè)計(jì)了一種以Freescale Kinetis K60為核心的農(nóng)田灌溉控制控制卡，該卡可以通過(guò)上位機(jī)或者手持編程器編寫(xiě)灌溉程序，并可脫機(jī)運(yùn)行。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)土壤溫濕度檢測(cè)功能，能夠很好的滿足綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求。
關(guān)鍵詞：控制板卡；灌溉；Kinetis K60

0 引言
目前，我國(guó)水資源問(wèn)題日益突顯，水資源的匱乏和分布不合理是其客觀原因，要從根本上緩解這一問(wèn)題，必須從節(jié)約用水、提高水資源利用率方面來(lái)著手。我國(guó)農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的80％左右，由于農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率普遍低下，就全國(guó)范圍而言，水的利用率僅為45％，而水資源利用率高的國(guó)家己達(dá)70～80％，因而，解決農(nóng)業(yè)灌溉用水的問(wèn)題，對(duì)于緩解水資源的緊缺是非常重要的。針對(duì)自動(dòng)灌溉的特點(diǎn)，為了完成數(shù)字化控制，研制和開(kāi)發(fā)了基于Frecscale Kinetis的農(nóng)田灌溉控制卡。采用這樣的集成控制卡，簡(jiǎn)化整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和控制精度。

1 總體設(shè)計(jì)
根據(jù)需求，該灌溉控制卡需要滿足以下功能：
·控制進(jìn)電機(jī)或者伺服電機(jī)，進(jìn)行水泵的精確控制，每周可以獨(dú)立控制，任意閥門開(kāi)度精確定位，脈沖輸出速度最大可以達(dá)到100K。
·軟件閥門開(kāi)度限位功能。
·可以多機(jī)互聯(lián)，滿足農(nóng)田生產(chǎn)協(xié)同作業(yè)的要求。
·與PC機(jī)連接下載灌溉控制文件。
·使用SD卡升級(jí)系統(tǒng)和存儲(chǔ)灌溉文件。
·可以脫機(jī)獨(dú)立工作，并支持顯示啟動(dòng)、停止和故障狀態(tài)提示。
·最多可以控制4個(gè)土壤濕度傳感器，可與二氧化碳傳感器、照度傳感器連接。
針對(duì)以上需求，為了滿足性能要求，同時(shí)也滿足低價(jià)位需求，選用高性能低價(jià)位的Cortex-M4ARM的單芯片解決方案。ARM芯片選用MK60DN 512ZVLL10，該單片機(jī)屬于Freescale公司的Kinetis K60系列，ARM Cortex-M4處理器是由ARM專門開(kāi)發(fā)的最新嵌入式處理器，用以滿足需要有效且易于使用的控制和信號(hào)處理功能混合的數(shù)字信號(hào)控制市場(chǎng)。高效的信號(hào)處理功能與Cortex-M4處理器系列的低功耗、低成本和易于使用的優(yōu)點(diǎn)的組合，旨在滿足專門面向電動(dòng)機(jī)控制、汽車、電源管理、嵌入式音頻和工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)的新興類別的靈活解決方案。
本系統(tǒng)與PC機(jī)一起構(gòu)成的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

灌溉自控系統(tǒng)主要由中心主控系統(tǒng)(主計(jì)算機(jī)、控制柜)、電磁閥、田間濕度傳感器(可測(cè)土壤濕度絕對(duì)值)、氣象觀測(cè)站(可測(cè)氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速)、數(shù)據(jù)采集指令傳輸?shù)韧ㄓ嵲O(shè)備組成?？勺诳刂剖艺?，對(duì)控制板卡傳上來(lái)的氣象資料、田間土壤濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，利用手動(dòng)或自動(dòng)方式，足不出戶地對(duì)整個(gè)被控小區(qū)進(jìn)行灌溉。同時(shí)還可以利用數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)和打印系統(tǒng)，隨時(shí)記錄、查詢、打印整個(gè)灌溉小區(qū)的氣象資料、土壤濕度、灌溉設(shè)置、灌溉進(jìn)程、灌水歷史記錄等數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)由多個(gè)控制單元組成，每個(gè)控制單元管理一片區(qū)域。利用物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)，由中央計(jì)算機(jī)統(tǒng)一管理。室外的空氣溫濕度傳感器把結(jié)果送入計(jì)算機(jī)，在這里進(jìn)行灌溉參數(shù)設(shè)置，及對(duì)灌溉情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并可通過(guò)專用軟件在計(jì)算機(jī)上存儲(chǔ)、顯示數(shù)據(jù)和圖表。同時(shí)可以人工進(jìn)行特殊操作。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)獲取天氣信息，有預(yù)見(jiàn)性地實(shí)施灌溉。