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(guò)上位機或者手持編程器編寫(xiě)灌溉程序，并可脫機運行。系統實(shí)現土壤溫濕度檢測功能，能夠很好的滿(mǎn)足綠色農業(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(wèn)題日益突顯，水資源的匱乏和分布不合理是其客觀(guān)原因，要從根本上緩解這一問(wèn)題，必須從節約用水、提高水資源利用率方面來(lái)著(zhù)手。我國農業(yè)用水量約占總用水量的80％左右，由于農業(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70～80％，因而，解決農業(yè)灌溉用水的問(wèn)題，對于緩解水資源的緊缺是非常重要的。針對自動(dòng)灌溉的特點(diǎn)，為了完成數字化控制，研制和開(kāi)發(fā)了基于Frecscale Kinetis的農田灌溉控制卡。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(mǎn)足以下功能：
·控制進(jìn)電機或者伺服電機，進(jìn)行水泵的精確控制，每周可以獨立控制，任意閥門(mén)開(kāi)度精確定位，脈沖輸出速度最大可以達到100K。
·軟件閥門(mén)開(kāi)度限位功能。
·可以多機互聯(lián)，滿(mǎn)足農田生產(chǎn)協(xié)同作業(yè)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(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。
針對以上需求，為了滿(mǎn)足性能要求，同時(shí)也滿(mǎn)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，該單片機屬于Freescale公司的Kinetis K60系列，ARM Cortex-M4處理器是由ARM專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的最新嵌入式處理器，用以滿(mǎn)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(chǎng)。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(diǎn)的組合，旨在滿(mǎn)足專(zhuān)門(mén)面向電動(dòng)機控制、汽車(chē)、電源管理、嵌入式音頻和工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)的新興類(lèi)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(guān)測站(可測氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速)、數據采集指令傳輸等通訊設備組成?？勺诳刂剖艺?，對控制板卡傳上來(lái)的氣象資料、田間土壤濕度等數據進(jìn)行綜合分析，利用手動(dòng)或自動(dòng)方式，足不出戶(hù)地對整個(gè)被控小區進(jìn)行灌溉。同時(shí)還可以利用數據查詢(xún)系統和打印系統，隨時(shí)記錄、查詢(xún)、打印整個(gè)灌溉小區的氣象資料、土壤濕度、灌溉設置、灌溉進(jìn)程、灌水歷史記錄等數據。
系統由多個(gè)控制單元組成，每個(gè)控制單元管理一片區域。利用物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)，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(jìn)行灌溉參數設置，及對灌溉情況進(jìn)行統計，并可通過(guò)專(zhuān)用軟件在計算機上存儲、顯示數據和圖表。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，有預見(jiàn)性地實(shí)施灌溉。