基于嵌入式的農田信息采集四旋翼飛行器設計

王 涵 田芳明 駱家誠 谷沛尚 劉 瑩（黑龍江八一農墾大學信息技術學院，黑龍江 大慶 163000）

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基于嵌入式的農田信息采集四旋翼飛行器設計

王 涵 田芳明 駱家誠 谷沛尚 劉 瑩
（黑龍江八一農墾大學信息技術學院，黑龍江 大慶 163000）

摘 要：農業生產中，實時對農作物的生長環境信息、作物狀態信息、圖像信息等進行采集是必不可少的，而當前，農作物生長監測方式大多針對點的監測，監測范圍小，費時費力，不具有普遍性。本項目旨在突破單點監測方式，以STM32為主控芯片，結合GPS全球定位技術、傳感器采集及電量監測技術，遙控視距內四旋翼飛行，采集目標一定范圍內的地理位置、溫濕度、光照及飛行器電量的信息，利用上位機顯示采集數據，并生成數據文檔。此無人機監測方式，在無損農作物的前提下，能夠實現對農田多方位的便捷監測，彌補了當前農田環境監測方式的不足，且采集到的數據存儲系統化，對農田作物生長監測具有重要意義。

關鍵詞：農田；信息采集；stm32；飛行器

現代化農業生產中，為了提高農作物的產量與品質，實時對農作物的生長環境信息、作物狀態信息、圖像信息等進行采集是必不可少的。然而目前，農作物生長監測主要有監測點監測與工作人員手持移動設備監測兩種方式，前者監測范圍小，設定的固定點無法代表整個農田作物的生長情況，后者也是對點監測，監測麻煩、費時費力，并且很多農田環境不適宜工作人員進入特定點進行監測。目前，我國對四旋翼飛行器的研究尚處于初級階段，雖然各高校及高新技術企業都很重視，但是四軸飛行器在農田數據監測方向的應用相對較少，而且技術并不成熟，僅僅是應用于農藥噴灑等工作上。

針對以上情況，設計以無人機監測的方式采集信息，在無損農作物的前提下，能夠在農田任意地點隨時監測，彌補當前農田環境監測方式的不足。本設計以STM32為控制芯片，結合GPS全球定位技術、溫濕度技術、光照強度采集技術及電量監測技術，通過發送特定信號監測目標點地理位置、溫濕度及電量信息，并通過上位機顯示溫濕度曲線及光照強度，可生成數據文檔，便于存儲，為分析農作物生長狀況提供數據支撐。

1 系統總體設計

該系統由飛行控制、環境信息采集、電量采集、顯示及上位機信息監控系統等組成，具體如圖1所示。

1.1 飛行器控制系統

系統選用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部資源，適合實時多通道數據采樣與處理，實現飛行速度、角度的檢測及控制。

1.1.1 加速度陀螺儀傳感器

圖1 系統總體設計框圖

加速度測量考慮到加速度與陀螺儀之間的軸向差問題，選擇了MPU6050作為觸感器，該傳感器具有加速度與三軸測量功能，利用I2C端口通信，輸出6個軸向運動數據。

1.1.2 數字羅盤

為了適應飛行器定位飛行需求，選用HMC5883L作為數字羅盤，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點。

圖2 HMC588L外部電路配置圖

1.1.3 數字氣壓高度計

飛行器飛行中氣壓的測量選擇了MS5611數字氣壓計，該芯片具有低功耗、I2C通信協議、穩定性好等特點。具體電路連接如圖3所示。

1.2 信息采集系統

信息采集系統主要由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接收機在全球定位系統中的主要功能是完成接收機所在位置的定位計算，以NMEA-0183協議報文輸出。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是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度傳感器，它具有超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。單線制串行接口，信號傳輸距離可達20m以上。此模塊供電電壓為3V～5.5V。采用單總線數據格式，一次通信時間4ms左右，數據分小數部分和整數部分，數據傳送正確時校驗和數據等于“8bit濕度整數數據+8bit濕度小數數據+8bit溫度整數數據+8bit溫度小數數據”所得結果的末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，傳感器內置16bitAD轉換器，直接數字輸出。

1.3 電量監測模塊

飛行器飛行使用電池為充電電池，考慮到飛行過程中的可控性及安全性，需對電池電量進行實時監測。系統采用DS2762實現該功能，能夠對溫度、電壓和電流進行測量，具體電路連接如圖4所示。

1.4 上位機系統

上位機系統運用C#語言，在Visual Stdio 2012軟件編寫。此上位機可將SD卡中的信息進行提取，并將其進行總結生成EXCEL文件保存在電腦中。

1.5 顯示系統

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提供的BOM表進行跳選。

圖4 DS2762外圍電路圖

2 系統運行驗證

為驗證此飛行器的調試狀況，于2015 年10月中旬對黑龍江省某一農田進行簡單信息采集，采集后將存儲SD卡數據插入電腦，獲得數據如圖5所示，顯示界面簡潔清晰，便于實時查看。

結論

系統以STM32為主控芯片，結合GPS定位技術、傳感器采集及電量監測技術，遙控視距內四旋翼飛行，實時采集地理位置、溫濕度、光照及飛行器電量的信息并存儲，利用上位機顯示采集數據，生成數據文檔。此無人機監測方式，在無損農作物的前提下，能夠實現對農田多方位的便捷監測，有效彌補了目前農田定點監測的不足，具有較大的推廣前景。

參考文獻

［1］聶博文.微小型四旋翼飛行器的研究現狀與關鍵技術［J］.電光與控制，2007，14（6）：113-117.

［2］黃敦華，朱青松.基于微小型四旋翼飛行器的目標監測與識別綜述［J］.機電產品開發與創新，2011，24（6）：16-18.

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［5］韓曉微，鄧豐，唐勁.移動機器人導航方式的比較研究［J］.沈陽大學學報，2009，21（6）：4-6.

圖5 上位機數據顯示界面

中圖分類號：V275

文獻標識碼：A

通信作者：田芳明。

基金項目：黑龍江八一農墾大學創新創業訓練計劃項目（XC2015057）。