基于Freescale Kinetis的農田灌溉控制板卡的設計

摘要：文章設計了一種以Freescale Kinetis K60為核心的農田灌溉控制控制卡，該卡可以通過上位機或者手持編程器編寫灌溉程序，并可脫機運行。系統實現土壤溫濕度檢測功能，能夠很好的滿足綠色農業生產要求。
關鍵詞：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，必須從節約用水、提高水資源利用率方面來著手。我國農業用水量約占總用水量的80％左右，由于農業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70～80％，因而，解決農業灌溉用水的問題，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，為了完成數字化控制，研制和開發了基于Frecscale Kinetis的農田灌溉控制卡。采用這樣的集成控制卡，簡化整個控制系統的硬件電路結構，提高系統的可靠性和控制精度。

1 總體設計
根據需求，該灌溉控制卡需要滿足以下功能：
·控制進電機或者伺服電機，進行水泵的精確控制，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到100K。
·軟件閥門開度限位功能。
·可以多機互聯，滿足農田生產協同作業的要求。
·與PC機連接下載灌溉控制文件。
·使用SD卡升級系統和存儲灌溉文件。
·可以脫機獨立工作，并支持顯示啟動、停止和故障狀態提示。
·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，該單片機屬于Freescale公司的Kinetis K60系列，ARM Cortex-M4處理器是由ARM專門開發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點的組合，旨在滿足專門面向電動機控制、汽車、電源管理、嵌入式音頻和工業自動化市場的新興類別的靈活解決方案。
本系統與PC機一起構成的系統框圖如圖1所示。

灌溉自控系統主要由中心主控系統(主計算機、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、風向、風速)、數據采集指令傳輸等通訊設備組成。可坐在控制室罩，對控制板卡傳上來的氣象資料、田間土壤濕度等數據進行綜合分析，利用手動或自動方式，足不出戶地對整個被控小區進行灌溉。同時還可以利用數據查詢系統和打印系統，隨時記錄、查詢、打印整個灌溉小區的氣象資料、土壤濕度、灌溉設置、灌溉進程、灌水歷史記錄等數據。
系統由多個控制單元組成，每個控制單元管理一片區域。利用物聯網、工業以太網，由中央計算機統一管理。室外的空氣溫濕度傳感器把結果送入計算機，在這里進行灌溉參數設置，及對灌溉情況進行統計，并可通過專用軟件在計算機上存儲、顯示數據和圖表。同時可以人工進行特殊操作。通過互聯網獲取天氣信息，有預見性地實施灌溉。