摘要:以农田土壤信息采集器为研究对象，在传统检测设备的基础上进行了一定的改进。首先介绍了农田土壤信息采集器总体结构，然后从DSP模块、温湿度和pH传感器检测电路等方面进行了系统硬件设计，并设计了主程序控制流程，实现了农田土壤信息采集器系统。试验验证表明:系统具备较强的精确度和稳定性，符合设计要求。
关键词:土壤信息采集;DSP处理器;温湿度;pH;传感器
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(TexasInstruments)的TMS320C5545DSP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。
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DSPTMS320C5545、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。
2.2DSP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C55xCPU、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。
2.5pH传感器模块
系统采用美国SensorexS290CpH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。
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。
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。
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。
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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。
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