基于Mavlink協議的植保無人機地面監測終端設計

呼云龍　胡金山　丁瀟　林萌萌

摘要 [目的]針對我國植保無人機作業過程中出現的重噴、漏噴、噴灑不均勻、無藥、斷藥等問題，設計一款基于Mavlink協議的植保無人機地面監測終端。[方法]終端以STM32F103ZET6為核心控制器件、SIM808為GPRS通信器件，實現植保無人機作業過程中位置、飛行姿態、系統狀態、噴灑狀態等數據的解析及上傳。[結果]通過田間實驗表明，植保無人機地面監測終端解析并上傳參數與地面站軟件獲取的實際數據相一致。[結論]該設計為植保無人機作業監管提供了可靠的數據支撐，推動了植保無人機作業監管進程，具有較強的應用價值。

關鍵詞 Mavlink V1.0協議；無人機植保；植保過程監測；JT/T-808（2013）協議

中圖分類號 S251 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）27-0189-04

Terminal Design of Plant Protection UAV Ground Monitoring Based on Mavlink Protocol

HU Yunlong，HU Jinshan，DING Xiao et al

（Harbin Aerospace Star Data System Technology Co.，Ltd， Harbin，Heilongjiang 150028 ）

Abstract [Objective]A plant protection UAV ground monitoring terminal based on Mavlink protocol is designed to solve the problems of respraying，leak spraying， nonuniform spraying，no insecticide，and drug discontinuation in the process of plant protection UAV operation in China.[Method]The terminal takes STM32F103ZET6 as the core controller and SIM808 as the GPRS communication device，which can resolve and upload the data of position，flight attitude， system state and spray state in the process of plant protection UAV operation.[Result]Field experiments show that：the parameters parsed and uploaded by plant protection UAV ground Monitoring terminal are consistent with the actual data obtained by the earth station software.[Conclusion]This design provides reliable data support for the operation supervision of plant protection UAV，and promotes the process of operation supervision of plant protection UAV，which has strong application value.

Key words Mavlink V1.0 protocol；Plant protection UAV；Plant protection process monitoring；JT/T-808（2013） protocol

基金項目 中央引導地方科技發展專項（K-K-S-2YYDDF-17）；黑龍江省農業大數據關鍵技術研究（K-K-I-NYDSJ-16）。

作者簡介 呼云龍（1987—），男，黑龍江哈爾濱人，助理工程師，碩士，從事信息系統集成工作。

收稿日期 2018-05-30

植保無人機作業具有作業效率高、漂移少、對環境污染低、噴灑均勻、作業成本低等優點，被廣泛應用于中耕作業及病蟲害防治中[1-3]。隨著無人機植保技術的發展及植保無人機試點補貼的推廣，我國植保無人機行業呈現井噴式發展，截至2016年6月底，植保無人機保有量4 890架，作業總面積47.6萬hm2/次，2015年底植保無人機保有量2 322架，作業總面積76.9萬hm2/次，整體趨勢呈現直線上升狀態[4]。

目前國內植保無人機作業過程缺少有效的監管技術手段，導致重噴、漏噴、噴灑不均勻、無藥、斷藥等問題。為保證無人機植保服務質量，提升管理部門監管水平，筆者依托Mavlink V1.0協議設計了一款無人機地面監測終端，實現了無人機植保作業過程中無人機位置、飛行姿態、系統狀態、噴

灑裝置狀態等數據的解析及上傳。

1 終端工作流程

植保無人機地面監測終端具備數據接收、數據解析、交互通信等功能。其數據處理流程如圖1所示，首先，通過無人機數傳電臺獲取飛控數據，并根據Mavlink V1.0協議解析系統狀態、飛行姿態、噴灑裝置、位置等信息；其次，與接入網關建立TCP/IP鏈接，并依據JT/T-808協議完成終端注冊、鑒權、終端心跳的發送以及應答解析；再次，根據解析的數據組合JT/T-808位置匯報數據幀上傳至接入網關；最后，根據通用應答判斷網絡連接狀態，若處于通信盲區，則存儲該位置匯報數據幀，若恢復通信，則使用定位數據批量上傳數據幀補傳存儲數據。

2 通信協議介紹

2.1 Mavlink V1.0協議簡介

2.1.1 數據結構。

MavLink V1.0協議是一種用于小型無人載具的通信協議，該協議被廣泛用于地面站與無人載具之間的通信以及載具內部子系統內部通訊中。協議中規定以0xFE作為幀頭，以CRC16校驗位為幀尾，并以此區分當前接收的0xFE是否為起始標識，數據結構詳細說明參照MavLink V1.0通用協議標準[5-7]。

2.1.2 負載信息。

負責信息內容由Message ID決定，為獲取無人機位置、姿態、噴灑狀態等信息，終端需解析Message ID為0x01（系統狀態）、0x02（時間）、0x18（GPS原始數據）、0x1E（姿態）、0x21（整形定位數據）、0x0A（噴灑裝置）的數據幀。該研究以整形定位數據為例進行負載信息的簡要介紹，其數據結構如表1所示，終端通過解析該負載信息，獲取經緯度、相對高度等數據。

2.2 JT/T-808（2013）協議簡介

2.2.1 數據結構。

終端與接入網關間采用JT/T-808（2013）協議交互通信。協議每條消息由標識符、消息頭、消息體、校驗位、標識符組成，規定以0x7e作為標識符，以消息頭首位至消息體最后一位的異或校驗結果作為校驗位[8]。

2.2.2 位置匯報消息體。

位置匯報數據幀用于植保無人機監控數據上傳，其消息體由基本信息和附加信息項列表組成，其中位置基本信息用于傳輸解析的無人機位置數據，附加信息項列表用于組合獲取的相對高度、姿態、噴灑狀態、電池余量等信息，其數據結構如表2所示。

3 系統組成及軟硬件設計

3.1 支撐硬件設計

硬件平臺以STM32F103ZET6作為MPU協調各部分電路的運行、通過SIM808芯片與接入網關進行GPRS通信、以W25Q128芯片存儲通信盲區數據、使用AT24C02存儲終端ID及手機號碼，電路板采用4層PCB設計，外置SIM卡、GPRS天線、SBUF、RS485/CAN、RS232/TTL、SWD接口，采用5V直流供電。系統硬件結構如圖2所示。

3.2 嵌入式軟件設計

3.2.1 軟件功能結構。

嵌入式軟件是系統實現設計功能的重要支撐，軟件由BSP驅動、UCOSIII操作系統組成，其中BSP驅動包括時鐘、串口、定時器、SPI FLASH、ERROM、環形隊列、窗口看門狗的配置及初始化；UCOSIII操作系統調度4個應用任務、2個軟件定時器實現數據解析、交互通信功能；軟件組成如圖3所示。

3.2.2 軟件業務流程。

系統上電完成初始化及創建應用任務后，UCOSIII內核根據任務優先級調度任務1、4。任務1每間隔1 s執行1次，實現任務1通信盲區數據儲存、無人機管理平臺指令解析、網關連接狀態監測等功能，在執行40次任務1后單次執行任務3，完成標志位讀取、手機號讀取、建立TCP/IP連接、終端注冊；其中無人機管理平臺指令解析流程如圖4所示，終端接收到平臺回復的注冊應答后，進行終端鑒權，在鑒權成功后開啟任務2，實現終端心跳、位置匯報、定位數據批量上傳功能。

任務4每間隔30 ms執行1次，實現對負載信息的解析，其執行流程如圖5所示。首先，讀取環形隊列中存儲的數據，提取完整的Mavlink數據幀；其次，解析Mavlink數據幀提取負載信息；最后，根據Message ID解析負載信息，獲取無人機位置、飛行姿態、電池余量、噴灑狀態等信息。

4 田間實驗驗證

2017年7月25—31日期間哈爾濱航天恒星數據系統科技有限公司聯合五常農委、天津航天中為科技有限公司在黑龍江省五常市內選取66.67 hm2水稻田進行無人機植保作業應用示范，無人機植保作業現場如圖6a所示，植保無人機地面監測終端實物如圖6b所示。在此次無人機植保應用示范中使用植保無人機地面監測終端解析并上傳無人機位置、飛行姿態、電池余量等信息，其植保作業軌跡如圖7所示。

從圖7可以看出，植保無人機受飛控手視力、風速、風向等因素影響出現紅色重噴區域以及灰色漏噴區域，其與現場作業情況一致。

以電池余量為例，根據圖7中各軌跡點電池余量與無人機地面站軟件獲取的電池余量數據繪制圖8。從圖8中可以看出，無人機管理系統中電池余量點均落在地面站軟件電池余量變化曲線上。與電池余量類似位置、流量、相對地面高度、電池余量、藥箱余量等信息均與地面站軟件獲取的實際數據相一致，可以滿足用戶對植保無人機作業監管的需求。

5 結論

該研究從植保無人機作業監管的實際需求出發，完成了植保無人機地面監測終端的設計。從系統數據處理流程、通信協議、系統組成、田間實驗等方面對終端進行詳細的闡述。

田間實驗表明，植保無人機地面監測終端解析并上傳的位置、流量、相對地面高度、電池余量、藥箱余量等信息與地面站軟件獲取的實際數據相一致，可以滿足用戶對植保無人機作業監管的需求。

由于通信協議的限制，目前只適用于符合Mavlink V1.0協議的植保無人機，對大疆、廣州極飛、億航科技等公司生產的植保無人機還不具備通用性。

參考文獻

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