设计了一种基于 ARM 和 GPRS 网络的土壤墒情分析仪，可实现对土壤墒情信息的远程监测，为用户决策提供有力的支持。
二、土壤墒情分析仪工作原理
土壤墒情是反应土壤的干湿程度，一般可用土壤中水的质量占烘干土重的百分数表示， 也可以用土壤含水率相當于田间持水量的百分比， 或相对于饱和水量的百分比等相对含水率表示。土壤墒情分析仪采用的是FDR测量原理，即利用LC电路的振荡，根据电磁波在不同介质中振荡频率的变化来测定介质的介电常数，进而通过一定对应关系反演出土壤水分状况。
归一化振荡频率SF与土壤含水率的关系为下式：
θυ=a*SFb ……………………………………………（1）
其中θυ为土壤容积含水量，a、b为待定参数，SF为LC振荡电路的归一化频率。
SF=（Fα-Fs）/（Fα-Fw）…………………………………（2）
Fα为分析仪在空气中所测量的谐振频率；Fs为分析仪在土壤中所测量的谐振频率；
Fw为分析仪在纯水中所测量的谐振频率；
谐振频率F= …………………………………（3）
式（3）中的电感L是土壤分析仪的固定电感值，所以谐振频率只与电容C有关。而电容的改变，要受到土壤中含水量的影响。
三、基于ARM的系统硬件设计
土壤墒情分析仪电路部分的主要功能模块为：电源部分、温湿度信号处理部分、CPU处理中心部分、SIM868无线通信模块部分。
（一）电源部分的设计
电源部分包括太阳能充电电路、电源管理两部分。电源设计的主要原理图如图1所示。
由于设备采用电池供电，此时就必须考虑省电和自动充电。采用太阳能自动充电可以很好地为电池提供能量。省电部分在待机状态下的省电原则是，除了CPU需要加点外，其它电路都尽可能不加点。省电部分在工作状态下的省电原则是，除非是需要测量此功能模块的参数，否则就不供电，并且，测量参数在满足指标要求的情况下，测量时间要尽可能短。
太阳能充电电路采用LT3652给锂电池充电。LT3652有较宽的输入电压范围，充电电流可以达到2A，该芯片采用一种特殊的输入电压调整环路，当使用太阳能电池板作为输入电源时，当光伏电池板输出电压降低到某一设定值，LT3652就会自动降低充电电流，使光伏电池板保持在最大峰值功率输出点。当电池电压达到浮充电压的97.5%时，就停止充电。R8、R9和R10可以调整浮充电压。由于采用的是3.7V的锂电池，故调整电阻值，使其浮充电压为4.2V。
升压电路是把3.6V电池电压升到稳定的5V，以供温湿度传感器信号处理单元和SIM868无线通信模块使用。升压电路由XL6009单元以及其外围电路组成。R22和R23微调输出电压。XL6009的EN端是控制除了CPU外其它电路需要的供电电源。在休眠模式下，XL6009的EN端为低电平，关断了XL6009的5V输出。在此情况下，所有需要5V电源的电路均不供电。EN为高电平，5V电源有输出。此时，再通过CPU控制5V电源到需要供电的单元。
（二）湿度信号处理电路的设计
湿度信号的处理电路如图2所示。
N1模块及其外围电感和传感器环构成湿度测量电路。它的输出是一个随环境变化而频率变化的谐振信号，其频率在280mHz以上。产生的百兆级谐振信号通过N2（MC12080）进行分频，使其频率变成10mHz左右。然后此信号经过N3（LMV7239）比较器后形成10mHz左右的方波。此方波经过N4（MC74HC4040A）分频，形成30～40kHz左右的方波。30～40 kHz左右的方波送到Q1后再送到CPU进行计算。CPU计算1秒内的方波个数，从而得到分频后的谐振频率。
（三）CPU电路的设计
CPU电路是土壤墒情分析仪的核心部分，主要完成系统的电源管理、电池电压和温湿度数据的采集、GPS信息的读取、传送GPRS发送数据等功能。CPU电路由ARM和SIM868联合组成。
CPU电路的控制中心是32位的ARM STM32F103。STM32F103 是意法半导体（ST）公司出品32位ARM微控制器，其内核是32位的Cortex-M3，最高72MHz工作频率，内嵌内嵌经出厂调教的8MHz的RC振荡器、带校准的40KHz的RC振荡器和带校准的32KHz的RC振荡器，以及产生CPU时钟的锁相环；含有2个DMA控制器，共12个DMA通道，2个12位模数转换器，双采样和保持功能，多达112个快速I/O端口，多达9个通信接口。丰富的系统资源大大简化了系统的设计和实施。
SIM868是GSM/GPRS+GNSS模块。该模块采用四频GSM/GPRS网络，并提供GPS定位功能，可广泛应用于车队管理、无线支付、个体跟踪、医疗健康等领域。具有尺寸小，功耗低，功能全的特点。SIM868首次采用供应商开发的物联网专用芯片，整体面积下降约40%，模块尺寸最终为17.6*15.7*2.3mm，是当前芯讯通同类型模块中尺寸最小的一款。模块外圈为城堡孔，内圈为LGA焊盘，能满足客户的多种需求，并显著降低用户的开发成本，节省开发时间。温度范围支持-40°c到85°c，并提供包括USB2.0、SD、GPIO、I2C等在内的丰富的应用接口。在产品功能方面，SIM868除了支持GSM/GPRS和GPS外，还支持彩信、语音、蓝牙，未来还将支持双SIM卡，方便终端客户在需要漫游和多运营商的场合，自由选择资费套餐，节省客户的运营成本，并有效提升网络覆盖较差区域的产品表现（图3）。
土壤墒情分析仪使用的是SIM868的GPRS无线通信、GPS定位及授时等主要功能。SIM868与CPU通过两个串口完成通信。一个完成GPS功能的通信，一个完成无线收发数据的功能。
SIM868工作电流较大。为了节约用电，仅仅在需要读取GPS数据和无线收发数据时才加电，其余时间处于关断状态。
CPU电路处理流程图如图4。
四、监测实验
土壤墒情分析仪在多种條件下的进行了实验测试。利用分析仪测量30、50厘米的墒情，在不同时段取土进行实际测量，两个数据进行比较。下表为采集值与测量值之间的比较：
通过以上数据和曲线来分析，两组采集数据与真实数据的一致性比较理想，其中50 cm 深度的土壤墒情信息的采集值与实测值误差最大不超过2.11%，证明土壤墒情分析仪具有较高的采集精度。
五、结论
本文根据土壤墒情原理设计了基于ARM嵌入式芯片、SIM868 模块为基础的墒情信息采集、监测系统，实现了土壤墒情信息的自动连续采集、监测，墒情的数据能够通过无线网络传输以多种方式传送至用户，为用户的灌溉提供了有力的支持。经过多次试验，土壤墒情分析仪对不同深度的土壤墒情监测与实测值误差不超过 2.11%，具有较高的准确度，能够反应土壤中含水的实际情况，为节水灌溉提供依据。
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