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

摘要：文章設(shè)計了一種以Freescale Kinetis K60為核心的農(nóng)田灌溉控制控制卡，該卡可以通過上位機(jī)或者手持編程器編寫灌溉程序，并可脫機(jī)運行。系統(tǒng)實現(xiàn)土壤溫濕度檢測功能，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，我國水資源問題日益突顯，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題，必須從節(jié)約用水、提高水資源利用率方面來著手。我國農(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，就全國范圍而言，水的利用率僅為45％，而水資源利用率高的國家己達(dá)70～80％，因而，解決農(nóng)業(yè)灌溉用水的問題，對于緩解水資源的緊缺是非常重要的。針對自動灌溉的特點，為了完成數(shù)字化控制，研制和開發(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，簡化整個控制系統(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
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，每周可以獨立控制，任意閥門開度精確定位，脈沖輸出速度最大可以達(dá)到100K。
·軟件閥門開度限位功能。
·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卡升級系統(tǒng)和存儲灌溉文件。
·可以脫機(jī)獨立工作，并支持顯示啟動、停止和故障狀態(tài)提示。
·最多可以控制4個土壤濕度傳感器，可與二氧化碳傳感器、照度傳感器連接。
針對以上需求，為了滿足性能要求，同時也滿足低價位需求，選用高性能低價位的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處理功能混合的數(shù)字信號控制市場。高效的信號處理功能與Cortex-M4處理器系列的低功耗、低成本和易于使用的優(yōu)點的組合，旨在滿足專門面向電動機(jī)控制、汽車、電源管理、嵌入式音頻和工業(yè)自動化市場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)(主計算機(jī)、控制柜)、電磁閥、田間濕度傳感器(可測土壤濕度絕對值)、氣象觀測站(可測氣溫、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。可坐在控制室罩，對控制板卡傳上來的氣象資料、田間土壤濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，利用手動或自動方式，足不出戶地對整個被控小區(qū)進(jìn)行灌溉。同時還可以利用數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)和打印系統(tǒng)，隨時記錄、查詢、打印整個灌溉小區(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)由多個控制單元組成，每個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)果送入計算機(jī)，在這里進(jìn)行灌溉參數(shù)設(shè)置，及對灌溉情況進(jìn)行統(tǒng)計，并可通過專用軟件在計算機(jī)上存儲、顯示數(shù)據(jù)和圖表。同時可以人工進(jìn)行特殊操作。通過互聯(lián)網(wǎng)獲取天氣信息，有預(yù)見性地實施灌溉。