基于STM32和OV5640的無人機農情監測系統

楊頌 張少偉 孫培壯 郭軍

摘 要：現有的農情監測設備在實際作業中常會遇到作業范圍小、實時監測難、作業效率低等難題。為解決這些難題，設計了一種以無人機為平臺的農情監測系統。將OV5640圖像傳感器、STM32處理器、4G通信等模塊搭載于無人機上，由OV5640采集農作物的圖像數據，通過DMA方式送入內存并通過4G網絡發送至服務器，管理者通過PC客戶端了解農情并制定管理方案。該系統具有低成本、高效率、高靈活性等特點。測試結果表明，系統穩定可靠，采集到的圖像十分清晰，在精準農業領域具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：農情監測；圖像采集；無人機；STM32；4G網絡

中圖分類號：TP92；TP212 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）07-00-04

0 引 言

隨著信息技術的快速普及，農業向信息化方向邁進，精準農業成為農業發展的主題之一。精準農業采用信息技術，定位、定時、定量地進行農事操作與管理，達到低投入、高收入、低污染、高效率的目的[1]。農情監測是精準農業的核心之一，需要獲取及時、客觀、準確、大范圍的農情圖像信息，如作物長勢、農業災害、作物種植面積、種植結構等信息[2]。而衛星遙感存在成本高、誤差大等問題，傳統的監測設備又存在作業范圍小、實時監測難等問題，無法滿足精準農業的發展要求[3，4]。因此，將無人機及遙感技術應用到農業方面可解決以上問題，開發出滿足精準農業的無人機農情監測系統。

1 系統總體設計

為了解決現有農情監測設備面臨的難題，本文設計了一種基于STM32和OV5640的無人機農情監測系統。系統總體結構如圖1所示。系統由PC客戶端和搭載于無人機上的OV5640攝像頭、STM32F429處理器、4G通信、電源等模塊組成。PC客戶端為上位機，無人機及其搭載的模塊為下位機。OV5640攝像頭拍攝到的農作物圖像數據通過STM32F429的DCMI數字攝像頭接口送入處理器進行下一步處理，處理器通過DMA將圖像數據送入內存，同時通過控制4G通信模塊將采集到的圖像數據傳輸到服務器，連接因特網的PC客戶端負責把采集到的農作物圖像數據保存并呈現給管理者，同時還需控制無人機飛行。

2 系統硬件設計

2.1 STM32F429處理器

2.1.1 STM32F429處理器簡介

下位機處理器采用Cortex-M4內核的STM32F429。最高主頻為168 MHz，提供2 MB的FLASH，192 kB的SRAM，16個DMA通道，每個DMA通道有4×32位FIFO。擁有單精度浮點運算單元，支持對圖像信息使用DSP進行高速圖像處理[5]。值得注意的是，該處理器內置DCMI數字攝像頭接口，能夠驅動攝像頭采集圖像數據并進行加工處理。

2.1.2 DCMI接口

STM32F429內置有同步并行的DCMI數字攝像頭接口，能夠接收由CMOS攝像頭輸出的8位、10位、12位、14位圖像數據。可以采用DMA方式傳輸，當DCMI_CR寄存器中的CAPTURE位被置為1時，DMA接口被激活。當其寄存器中接收到一個32位數據時，觸發一個DMA請求。

DCMI接口的信號有以下幾種：

（1）數據輸入信號D[0：13]：用于接攝像頭的數據輸出；

（2）行同步輸入信號HSYNC：指示行的開始或結束，用于接攝像頭的HSYNC/HREF信號；

（3）幀同步輸入信號VSYNC：指示幀的開始或結束，用于接攝像頭的VSYNC信號[6]；

（4）像素時鐘輸入信號PIXCLK：用于接攝像頭的PCLK信號。

DCMI信號波形如圖2所示，結構框圖如圖3所示。

2.2 圖像采集模塊

2.2.1 OV5640攝像頭

系統的任務是向管理者提供高質量、清晰的農作物圖像信息，因此采用OmniVision公司設計的CMOS圖像傳感器OV5640。該傳感器支持輸出最大為500萬像素的圖像（2 592×1 944），具有自動對焦功能，帶有兩個1 W的高亮LED閃光燈，支持夜間或者光線昏暗的拍攝場景。

通過SCCB總線控制圖像質量、數據格式和傳輸方式，包括伽瑪曲線、白平衡等功能的設置。可以輸出整幀、子采樣等方式的各種分辨率為8或10位的圖像數據。QSXGA（分辨率為2 592×1 944的輸出格式）圖像最高達到15幀/秒[7，8]。

2.2.2 SCCB總線

由于I2C和SCCB總線類似，因此處理器可使用I2C外設與它通信。通過SIO_C和SIO_D兩根數據線傳輸時鐘信號和數據信號，從而控制攝像頭。

起始信號指SCCB開始傳輸發生在SIO_C為高電平時，SIO_D出現一個下降沿，如圖4所示。停止信號指SCCB停止傳輸發生在SIO_C為高電平時，SIO_D出現一個上升沿，如圖5所示。數據有效性指在數據傳輸過程中，當SIO_C為高電平時，SIO_D上的數據穩定[9]，如圖6所示。

2.2.3 DVP接口

OV5640支持數字視頻接口DVP，同時處理器STM32F429內置的DCMI接口也支持DVP接口，因此可以采用OV5640的DVP接口向處理器輸出圖像數據。OV5640提供的DVP接口雖是10位，但也支持8位接法，使用時一般采用8位連接方式，如圖7所示。

2.2.4 圖像數據輸出時序

OV5640的輸出信號包括像素時鐘信號PCLK、幀同步信號VSYNC和行同步信號HREF/HSYNC。在PCLK，VSYNC和HREF/HSYNC的控制下由Y2～Y9的8個引腳輸出圖像數據。

行輸出時序如圖8所示，圖像數據在HREF為高電平時輸出，采用8位接法，每一個PCLK時鐘輸出一個8位數據。

QSXGA模式下的幀時序如圖9所示，處理器可以按照這個時序讀取OV5640的圖像數據。

2.3 4G通信模塊

相比2G和3G網絡，4G網絡不僅數據傳輸速度大大提高，且時延較低，因此能夠滿足本系統實時傳輸高視頻數據的要求。本系統采用移遠EC204G模塊，該模塊同時支持LTE，UMTS和GSM/GPRS網絡，最大上行速率為50 Mbps，最大下行速率為100 Mbps，供電電壓在3.3～4.3 V之間，內置多個標準接口。通過串口和處理器連接，并以AT命令來控制。本系統將4G模塊插入Mini PCIE轉接板，從而和STM32單片機相連接，實現串口通信，由于4G模塊自身內部集成有TCP/IP協議，因此使用TCP/IP協議與服務器通信，實現數據傳輸。STM32單片機與4G模塊之間的連接如圖10所示。

2.4 四旋翼飛行器

下位機作為圖像采集設備，要求無人機具有體積小，機動靈活，維護方便等特點，因此采用四旋翼飛行器作為搭載設備。同時，由于無人機搭載的各類模塊數量較少且普遍較輕，對動力沒有過于苛刻的要求，因此對各種姿態傳感器進行如下設計。

2.4.1 無刷電機和電調

在下位機工作時，無人機要盡量機動靈活，因此采用A2212-1400 kV型號的無刷電機，該電機運轉順暢，體積小，效率高，調速寬度大。同時采用好盈30 A電調，持續輸出電流為30 A，短時電流為40 A，具有欠壓保護，過壓保護，過熱保護等功能。

2.4.2 姿態傳感器模塊

飛行器在飛行過程中需要測量的姿態信息一般包括加速度、角速度、航向和高度，進而采用特定的算法來控制飛行姿態。本文采用集成了3軸加速度計和3軸陀螺儀的MPU6050測量飛行器的加速度和角速度；采用HMC5883L磁力計測量飛行器的航向；采用MS5611氣壓計測量氣壓，并根據式（1）計算出海拔高度，分辨率為0.1 m，再根據地面的海拔高度就可以算出飛行器相對地面的高度了。

3 系統軟件設計

3.1 下位機軟件設計

3.1.1 DCMI驅動OV5640

DCMI驅動OV5640步驟如圖11所示。這部分軟件設計的重點是與OV5640和DCMI相關的函數功能設計，以下是幾個較為重要的函數：

（1）與OV5640相關：

①OV5640_Init函數：初始化OV5640相關的I/O口，并完成OV5640的寄存器序列初始化；

②OV5640_ImageWin_Set函數：用于設置ISP輸入窗口；

③OV5640_OutSize_Set函數：用于設置預縮放窗口和輸出大小窗口；

④OV5640_Focus_Init函數：用于初始化自動對焦功能；

⑤OV5640_Focus_Single函數：用于實現一次自動對焦；

⑥OV5640_Focus_Constant函數：用于開啟持續自動對焦功能。

（2）與DCMI相關：

①DCMI_IRQHandler函數：用于處理幀中斷，可以實現幀率統計和JPEG數據處理等；

②DCMI_DMA_Init函數：用于配置DCMI的DMA傳輸；

③DCMI_Init函數：用于初始化STM32F407的DCMI接口；

④DCMI_Start函數：用于開啟DCMI接口；

⑤DCMI_Stop函數：用于停止DCMI接口。

3.1.2 飛行器的控制

通過PC客戶端控制飛行器的飛行狀態，主要過程是通過客戶端發出指令和數據，下位機通過4G通信網絡接收處理器綜合姿態傳感器的測量數據，采用特定的算法計算后發出控制量控制飛行。

目前用來控制飛行器的算法有多種，但應用較為普遍的是PID控制，其中包括比例、積分及微分的計算過程，具有結構簡單、高可靠性、高穩定性的特點[10]。

3.2 上位機客戶端設計

PC客戶端基于Java的可擴展平臺Eclipse開發，其功能包括獲取服務器數據并顯示圖像、飛行器控制、飛行器高度顯示等。具體功能如下：

（1）圖像顯示：客戶端從服務器獲取圖像，并進行一定的處理。

（2）控制指令：通過客戶端向飛行器發送控制指令，控制飛行器的飛行方向與高度。

（3）高度顯示：顯示客戶端從服務器獲取的飛行器高度信息，為用戶提供調整飛行器高度的參考信息。

3.3 服務器與數據庫的搭建

在實驗測試過程中，使用迅為電子的ARM9 Linux開發板作為服務器與數據庫的搭載平臺，進行Linux系統編程，從而實現網絡通信，即連接4G模塊與STM32單片機進行數據傳輸。利用花生殼軟件實現內網穿透，將服務器與已存在IP地址的端口對應起來（端口映射），以保證4G模塊可以訪問服務器進行數據傳輸。服務器接收數據并存儲后，就可以在客戶端訪問服務器，以獲取從攝像頭采集到的數據。同時服務器還負責接收來自客戶端對四旋翼飛行狀態的控制指令，并且將該指令發送給下位機控制飛行器飛行。

4 系統測試結果

系統測試在一片白皮松種植地里進行，無人機低空飛行進行農情監測。下位機如圖12所示。調試下位機和上位機的通信狀態后，從客戶端控制無人機在距離地面3～10 m的高度飛行，打開攝像頭采集圖像數據，圖像數據經STM32F429處理器處理之后通過具有高速特點的4G網絡傳輸至服務器，最后在客戶端可以實時監測植被的生長狀態，上位機客戶端圖像顯示如圖13所示。

測試結果表明，系統具有較強的穩定性、可靠性。下位機部分，無人機飛行平穩；上位機部分，客戶端顯示的圖像清晰，色彩真實，失真較小。因此系統在通信穩定度、圖像清晰度等方面均滿足設計要求。但是在續航能力、靈活度等方面還有待提高。

5 結 語

本文設計了一種基于STM32和OV5640的無人機農情監測系統，由無人機及其搭載的OV5640圖像傳感器、STM32F429處理器、4G通信等模塊和PC客戶端上位機組成。利用500萬像素的圖像傳感器OV5640采集圖像，并通過DCMI接口送入處理器進行處理，采用DMA方式存儲，同時利用4G網絡傳輸至服務器，最后可以在連接因特網的PC客戶端上實時監測農田里的農作物。測試結果表明，相比現有的農情監測設備，本系統具有穩定性高、效率高、成本低等特點，可以大范圍、實時、精準、高效率地進行農情監測，能夠滿足精準農業發展中農情監測的要求，在信息化農業領域的應用前景十分廣闊。

參考文獻

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