四旋翼UAV平臺農田信息采集系統設計

趙曉初 王 暄 賀智濤

（1.北京天利弘遠機電有限公司，中國 北京 102206；2.遼寧立德電力工程設計有限公司，遼寧 沈陽 110126；3.河南科技大學農業工程學院，河南 洛陽 471003）

0 引言

及時、準確地獲取農田環境信息是進行精準農業生產的關鍵[1]。目前，實時農田環境信息獲取技術遠落后于其他支持技術[2]。衛星遙感受其運行周期限制，時效性較差，難以滿足精準農業對局部精準和實時監控的獲取要求[3]。手持式和基于地面車輛的農田信息采集裝置由于其功能和視野限制，在田間行走不便，效率相對較低[3-5]。低空遙感獲取技術機動性高、成本低，可以快速、實時檢測農田環境，獲取分辨率較高的農田信息，在較小范圍內實施精準農業的情況下，低空農田信息獲取系統有著更好的發展前景[6]。

與固定翼飛機相比，旋翼無人機（UAV）的突出優點是能夠垂直起降和實現懸停，而四旋翼無人機可以通過反扭矩作用使無人機扭矩平衡，不需要專門的反扭矩槳，所以這種無人機設計簡單，且采用四螺旋槳結構可以提高負載能力。農田地理環境復雜，如果采用有線方式進行數據傳輸，則需要架設專門的傳輸線路，施工、維護難度都較大，而無線信息傳輸比傳統的有線信息傳輸更為靈活。因此基于小型四旋翼UAV的農田信息采集平臺更具研究意義和實際應用價值[7-8]。

1 農田信息無線采集系統設計

農田信息無線傳輸系統以無線收發模塊為基礎，由單片機控制，采集農田中溫濕度數據，以射頻形式發射出去，最后由接收端通過預先設定的協議接收，并通過串口傳輸到電腦。

無線傳輸系統結構如圖1所示，在地面站對四旋翼無人機進行航跡規劃，由四旋翼無人機攜帶無線發射端巡航至農田指定地點，通過傳感器采集溫濕度數據再由無線發射模塊進行發射，接收端收到數據后通過RS-232串口將數據發送到地面站計算機。

本系統MCU部分選用STC89C52低功耗、高性能CMOS 8位微控制器。

無線收發芯片種類比較多，選擇無線收發芯片時主要考慮因素包括功耗、發射功率、傳輸距離、傳輸速度、接收靈敏度、芯片開發成本等。常見的幾種短距離射頻通信芯片的性能如表1所示。

nRF系列無線收發器都是挪威Nordic公司推出的單片射頻發射器芯片。與nRF401和nRF905芯片相比，nRF24L01模塊外圍芯片少，封裝小，管腳較小，能夠有效減少PCB面積，降低成本；同時收發天線合一，功耗低、速率高。

nRF24L01工作在2.4GHz-2.5GHz世界通用的ISM頻段。在發射模式下發送功率為-6dBm時電流消耗為9mA，接收模式時為12.3mA，功耗最低。數據傳輸率為1或2Mbps，具有自動應答及自動重發功能，內置完整通信協議和CRC校驗，通過SPI接口完成通信。

表1 幾種射頻芯片性能參數對比

DHT11數字溫濕度傳感器是Sensiron公司研制的一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，可與高性能8位單片機接口。其主要特點是體積小、功耗低，4針引腳封裝，連接方便。DHT11傳感器是通過單總線協議和上位機進行數據通信，節省I/O口資源。

2 電路設計

2.1 電源電路

接收端直接與電腦連接，因此可直接采用USB供電即可。發送端由于安裝在無人機上，需要專門設計電源電路。STC89C52單片機采用5V電壓供電，而nRF24L01模塊最高供電電壓3.3V，因此需要采用穩壓穩流輸出芯片。供電模塊采用三端穩壓集成電路L7805，該電路內置短路保護和熱保護電路，電源輸入采用無人機的鋰電池供電，輸入電壓為16V左右，輸出電壓為5V。

nRF24L01的供電電壓最大應小于3.5V，最大電流小于10mA。采用AMS1117-3.3V三端穩壓芯片，最大輸出電壓為3.267-3.333V，靜態電流最大為10mA。通過測量單片機輸出電路，實際測量所得電壓為3V，通過對P1口置高電位，測量P1口和地之間輸出電流為25uA，電流和電壓均滿足要求。

為了減少電磁干擾，保證傳輸性能，需要增加濾波電容和二極管，以改善電路的抗電磁干擾性能，同時在電路板空余地方增加0.1uF的電容，可保證系統的電源電壓穩定。

2.2 顯示電路

本文采用1602字符型液晶模塊，它可顯示字母、數字、符號等點陣類型內容，常用在袖珍式儀表和低功耗應用系統中。接口電路如圖3所示。

2.3 nRF24L01模塊電路

nRF24L01芯片在設計電路時，由于高頻電路的元件擺放位置和線路的布置對芯片的功耗和傳輸距離都有很大影響，因此本設計直接使用成品模塊，電路原理圖如圖4所示。

由于nRF24L01模塊的傳輸距離比較近，理論傳輸距離最遠只有100m，因此需要進行功率放大。功率放大器位于放大電路的發射端，采用AWT6264芯片。它可為2.3-2.7GHz頻段的WiMAX應用提供高輸出功率、良好線性度和高效率，可提供+25dBm的線性輸出功率，2.5%的EVM，32dB的射頻增益，24%的功率效率。進行功率放大以后，通信距離可擴展至500-1000m。

2.4 溫濕度采集電路

DHT11數字溫濕度傳感器采用單總線數據格式，只有1個管腳2與單片機接口相連，實現與單片機雙向數據傳輸。由單片機發送控制信號，傳感器收到信號進行數據采集，并將溫濕度轉換成0和1反饋給單片機。所有的信號除主機啟動復位信號外，全部都由DHT11產生。

3 結論

本文提出了基于四旋翼UAV平臺的農田信息采集系統功能模型，給出了整個系統的設計方案，進行了無線傳輸系統軟硬件的設計。系統采用Keil進行軟件程序編寫，PCB電路板制作完成后進行了數據傳輸實驗。實驗結果表面，僅使用nRF24L01進行無線數據傳輸時，設定速率為1Mbps，傳輸距離50m，測得誤幀率為0.52%；傳輸距離80m處，測得誤幀率為3.21%；傳輸距離90m出，誤幀率增加到28.44%。通過對nRF24L01模塊加上功率放大器AWT6264和低噪聲放大器RF3857之后，通信速率1Mbps，距離1000m處的誤幀率為1.74%，500m處誤幀率0.74%，完全可以滿足農田環境中無線信息的傳輸要求。

[1]姬江濤,扈菲菲,賀智濤,等.四旋翼無人機在農田信息獲取中的應用[J].農機化研究,2013,35(2):1-4.

[2]孟志軍,王秀,趙春江,等.基于嵌入式組件技術的精準農業農田信息采集系統的設計與實現[J].農業工程學報,2005,21(4):91-96.

[3]臺社紅,李國靖,周淑芳,等.衛星遙感北京農業應用[C]//全國農業遙感與信息技術應用研討會論文集.2010:85-98.

[4]楊瑋,李民贊,王秀,等.農田信息傳輸方式現狀及研究進展[J].農業工程學報,2008,24(5):297-301.

[5]錢燕,尹文慶,張美娜,等.精準農業中農田信息傳輸方式的研究進展[J].浙江農業學報,2010,22(4):539-544.

[6]LARA D,ROMERO G,SANCHEZ A,et al.Robustness margin for attitude control of a four rotor mini-rotorcraft;Case of study[J].Mechatronics,2010,20(1):143-152.

[7]竹林村,胡開全.幾種低空遙感系統對比分析[J].城市勘測,2009(3):65-67.

[8]龐慶霈,李家文,黃文浩,等.四旋翼飛行器設計與平穩控制仿真研究[J].電光與控制,2012,19(3):51-55.