王 涵 田芳明 駱家誠(chéng) 谷沛尚 劉 瑩（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163000）

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基于嵌入式的農(nóng)田信息采集四旋翼飛行器設(shè)計(jì)

王 涵 田芳明 駱家誠(chéng) 谷沛尚 劉 瑩
（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163000）

摘 要：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，實(shí)時(shí)對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境信息、作物狀態(tài)信息、圖像信息等進(jìn)行采集是必不可少的，而當(dāng)前，農(nóng)作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)方式大多針對(duì)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)范圍小，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不具有普遍性。本項(xiàng)目旨在突破單點(diǎn)監(jiān)測(cè)方式，以STM32為主控芯片，結(jié)合GPS全球定位技術(shù)、傳感器采集及電量監(jiān)測(cè)技術(shù)，遙控視距內(nèi)四旋翼飛行，采集目標(biāo)一定范圍內(nèi)的地理位置、溫濕度、光照及飛行器電量的信息，利用上位機(jī)顯示采集數(shù)據(jù)，并生成數(shù)據(jù)文檔。此無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)方式，在無(wú)損農(nóng)作物的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)農(nóng)田多方位的便捷監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)了當(dāng)前農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)方式的不足，且采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)化，對(duì)農(nóng)田作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田；信息采集；stm32；飛行器

現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為了提高農(nóng)作物的產(chǎn)量與品質(zhì)，實(shí)時(shí)對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境信息、作物狀態(tài)信息、圖像信息等進(jìn)行采集是必不可少的。然而目前，農(nóng)作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)主要有監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)與工作人員手持移動(dòng)設(shè)備監(jiān)測(cè)兩種方式，前者監(jiān)測(cè)范圍小，設(shè)定的固定點(diǎn)無(wú)法代表整個(gè)農(nóng)田作物的生長(zhǎng)情況，后者也是對(duì)點(diǎn)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)麻煩、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且很多農(nóng)田環(huán)境不適宜工作人員進(jìn)入特定點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。目前，我國(guó)對(duì)四旋翼飛行器的研究尚處于初級(jí)階段，雖然各高校及高新技術(shù)企業(yè)都很重視，但是四軸飛行器在農(nóng)田數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方向的應(yīng)用相對(duì)較少，而且技術(shù)并不成熟，僅僅是應(yīng)用于農(nóng)藥噴灑等工作上。

針對(duì)以上情況，設(shè)計(jì)以無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)的方式采集信息，在無(wú)損農(nóng)作物的前提下，能夠在農(nóng)田任意地點(diǎn)隨時(shí)監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)當(dāng)前農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)方式的不足。本設(shè)計(jì)以STM32為控制芯片，結(jié)合GPS全球定位技術(shù)、溫濕度技術(shù)、光照強(qiáng)度采集技術(shù)及電量監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過(guò)發(fā)送特定信號(hào)監(jiān)測(cè)目標(biāo)點(diǎn)地理位置、溫濕度及電量信息，并通過(guò)上位機(jī)顯示溫濕度曲線及光照強(qiáng)度，可生成數(shù)據(jù)文檔，便于存儲(chǔ)，為分析農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況提供數(shù)據(jù)支撐。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由飛行控制、環(huán)境信息采集、電量采集、顯示及上位機(jī)信息監(jiān)控系統(tǒng)等組成，具體如圖1所示。

1.1 飛行器控制系統(tǒng)

系統(tǒng)選用STM32F103RCT6 處理芯片作為四旋翼飛行器的主控芯片，最高工作頻率72MHz，該控制器具有豐富的內(nèi)部資源，適合實(shí)時(shí)多通道數(shù)據(jù)采樣與處理，實(shí)現(xiàn)飛行速度、角度的檢測(cè)及控制。

1.1.1 加速度陀螺儀傳感器

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

加速度測(cè)量考慮到加速度與陀螺儀之間的軸向差問(wèn)題，選擇了MPU6050作為觸感器，該傳感器具有加速度與三軸測(cè)量功能，利用I2C端口通信，輸出6個(gè)軸向運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

1.1.2 數(shù)字羅盤(pán)

為了適應(yīng)飛行器定位飛行需求，選用HMC5883L作為數(shù)字羅盤(pán)，電路連接如圖2所示，采用I2C通信方式，具有采集精度高、功耗低、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 HMC588L外部電路配置圖

1.1.3 數(shù)字氣壓高度計(jì)

飛行器飛行中氣壓的測(cè)量選擇了MS5611數(shù)字氣壓計(jì)，該芯片具有低功耗、I2C通信協(xié)議、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。具體電路連接如圖3所示。

1.2 信息采集系統(tǒng)

信息采集系統(tǒng)主要由GPS接收器模塊、溫濕度傳感器模塊、光照傳感器模塊組成。

1.2.1 GPS接收器模塊

GPS接收機(jī)在全球定位系統(tǒng)中的主要功能是完成接收機(jī)所在位置的定位計(jì)算，以NMEA-0183協(xié)議報(bào)文輸出。UM220-IIINV是BDS/GPS雙模定位模塊。低功耗GNSS SoC芯片Humbird TMUC220，是集成度高、功耗低的定位模塊。

1.2.2 溫濕度傳感器模塊

DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器，它具有超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。單線制串行接口，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20m以上。此模塊供電電壓為3V～5.5V。采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通信時(shí)間4ms左右，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，數(shù)據(jù)傳送正確時(shí)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末8位。

圖3 MS5611外部電路配置圖

1.2.3 光照傳感器

GY-30采用ROHM原裝BH1750FVI芯片，供電電源：3V～5V，光照度范圍：0～65535lx，傳感器內(nèi)置16bitAD轉(zhuǎn)換器，直接數(shù)字輸出。

1.3 電量監(jiān)測(cè)模塊

飛行器飛行使用電池為充電電池，考慮到飛行過(guò)程中的可控性及安全性，需對(duì)電池電量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)采用DS2762實(shí)現(xiàn)該功能，能夠?qū)囟取㈦妷汉碗娏鬟M(jìn)行測(cè)量，具體電路連接如圖4所示。

1.4 上位機(jī)系統(tǒng)

上位機(jī)系統(tǒng)運(yùn)用C#語(yǔ)言，在Visual Stdio 2012軟件編寫(xiě)。此上位機(jī)可將SD卡中的信息進(jìn)行提取，并將其進(jìn)行總結(jié)生成EXCEL文件保存在電腦中。

1.5 顯示系統(tǒng)

Thinox科技的0.96寸OLED模塊采用高亮度，低功耗的OLED屏，顯示顏色純正，在陽(yáng)光下有很好的可視效果。模塊供電可以是3.3V也可以是5V，不需要修改模塊電路，同時(shí)兼容3種通信方式：4 線SPI、3線SPI、IIC，通信模式的選擇可以根據(jù)提供的BOM表進(jìn)行跳選。

圖4 DS2762外圍電路圖

2 系統(tǒng)運(yùn)行驗(yàn)證

為驗(yàn)證此飛行器的調(diào)試狀況，于2015 年10月中旬對(duì)黑龍江省某一農(nóng)田進(jìn)行簡(jiǎn)單信息采集，采集后將存儲(chǔ)SD卡數(shù)據(jù)插入電腦，獲得數(shù)據(jù)如圖5所示，顯示界面簡(jiǎn)潔清晰，便于實(shí)時(shí)查看。

結(jié)論

系統(tǒng)以STM32為主控芯片，結(jié)合GPS定位技術(shù)、傳感器采集及電量監(jiān)測(cè)技術(shù)，遙控視距內(nèi)四旋翼飛行，實(shí)時(shí)采集地理位置、溫濕度、光照及飛行器電量的信息并存儲(chǔ)，利用上位機(jī)顯示采集數(shù)據(jù)，生成數(shù)據(jù)文檔。此無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)方式，在無(wú)損農(nóng)作物的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)農(nóng)田多方位的便捷監(jiān)測(cè)，有效彌補(bǔ)了目前農(nóng)田定點(diǎn)監(jiān)測(cè)的不足，具有較大的推廣前景。

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圖5 上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示界面

中圖分類號(hào)：V275

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

通信作者：田芳明。

基金項(xiàng)目：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（XC2015057）。