基于遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)通信的智能植保系統(tǒng)

潘月純，田思慶

(佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

1 發(fā)展背景

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，科學(xué)進(jìn)步，近些年來(lái)地球人口持續(xù)膨脹，尤其以人口密集的亞洲地區(qū)為主，所以農(nóng)業(yè)的發(fā)展也隨著社會(huì)的進(jìn)步而變的越來(lái)越重要，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)植保方式已經(jīng)顯得十分吃力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代需求。因此，為了更好、更快、更有效率的進(jìn)行農(nóng)業(yè)植保操作，越來(lái)越多的現(xiàn)代新興科技逐漸被運(yùn)用到了里面。中國(guó)作為傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)機(jī)使用率較低，傳統(tǒng)生產(chǎn)模式依舊占主導(dǎo)地位，勞動(dòng)力成本高，導(dǎo)致其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率不高，缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化水平亟待提高[1]。且我國(guó)的農(nóng)業(yè)目前面臨污染高，殘留多的問(wèn)題，這對(duì)于現(xiàn)代越來(lái)越注重身體健康的國(guó)人來(lái)說(shuō)是令人十分頭疼的現(xiàn)象，施藥的精準(zhǔn)化、機(jī)械化、自動(dòng)化和安全化，是當(dāng)今植保機(jī)械的主要發(fā)展方向[2-4]。智能植保系統(tǒng)植保過(guò)程中不僅僅從勞動(dòng)力上節(jié)約了大量成本，在效率和質(zhì)量上也得到了大幅度提高，噴灑作業(yè)也十分精準(zhǔn)，大量使用會(huì)有助于農(nóng)業(yè)的快速健康發(fā)展。

2 系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)子系統(tǒng)、土壤監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、地面站—衛(wèi)星—無(wú)人機(jī)通信子系統(tǒng)(中繼通信子系統(tǒng))三大部分構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行流程從土壤監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)開(kāi)始，首先安裝在農(nóng)田里的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(內(nèi)置有多功能傳感器CCS811 HDC1080模塊，可測(cè)溫濕度及二氧化碳，并有光照傳感器)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的必需數(shù)據(jù)上傳到云端，并通過(guò)大數(shù)據(jù)平臺(tái)計(jì)算得到當(dāng)前環(huán)境的詳細(xì)情況，然后通過(guò)用戶(hù)手機(jī)端的APP精準(zhǔn)的將信息傳送到使用者這里。接下來(lái)就需要用到中繼通信子系統(tǒng)，當(dāng)信息顯示用戶(hù)需要對(duì)農(nóng)田進(jìn)行植保作業(yè)的時(shí)候，使用者需要地面站來(lái)對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行精確控制，但由于農(nóng)田面積可能過(guò)大，必須要實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的超視距控制以及傳輸信息才能做到準(zhǔn)確控制，這個(gè)時(shí)候就用到了中繼通信子系統(tǒng)。通過(guò)中繼衛(wèi)星作為橋梁，構(gòu)成了一條超視距通信鏈路，這樣就完美的保證了用戶(hù)對(duì)無(wú)人機(jī)的控制，最終攜帶農(nóng)藥噴灑裝置的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)完成了植保作業(yè)任務(wù)。當(dāng)然，用戶(hù)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)具有優(yōu)良的飛控系統(tǒng)，其基于ARM9內(nèi)核的S3C2440芯片在實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)一鍵起飛，一鍵降落，自動(dòng)路徑尋跡，避障，定高，定點(diǎn)等一系列功能上毫無(wú)障礙。

在各個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)同配合之下，整個(gè)系統(tǒng)共同完成了農(nóng)田植保任務(wù)，這也體現(xiàn)出了部分對(duì)于整體的重要性，只有系統(tǒng)中的每一部分都做到盡職盡責(zé)，才能發(fā)揮出整體的作用。

2.1 土壤監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

農(nóng)田里所有的植保動(dòng)作都是基于環(huán)境，因此土壤監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)尤為重要。該系統(tǒng)裝置內(nèi)部安有多顆傳感器。其中，溫濕度是最重要的關(guān)注對(duì)象，這決定了農(nóng)作物的基本生存，植物的生長(zhǎng)又需要光合作用，光合作用與二氧化碳有關(guān)，因此置入了二氧化碳傳感器和光照傳感器。本設(shè)計(jì)中的光照傳感器采用了B-LUX-V30B，溫濕度、CO2傳感器采用了CCS811 HDC1080模塊，它集成了多重功能，實(shí)現(xiàn)了一模塊，多功能，它們均支持IIC協(xié)議，且是理想用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)的產(chǎn)品。由于農(nóng)業(yè)具有時(shí)效性，所以必須要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境變化，才能使農(nóng)作物保產(chǎn)保量，故該子系統(tǒng)使用了DTU模塊(數(shù)據(jù)傳輸單元)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。由于DTU單元自身集成了MCU模塊、電源模塊、4G透?jìng)髂K，所以各傳感器直接與DTU連接即可。DTU可以通過(guò)腳本編程主動(dòng)采集傳感器數(shù)據(jù)，且可以通過(guò)腳本指令實(shí)現(xiàn)對(duì)即時(shí)數(shù)據(jù)的4G上傳，省略了單獨(dú)的4G通信模塊。本設(shè)計(jì)采用的DTU模塊支持全網(wǎng)通頻段，它的串口波特率達(dá)到1 200 bps，同時(shí)支持與傳感器進(jìn)行IIC,SPI協(xié)議的通信，如圖3電路原理圖所示，由于傳感器的數(shù)據(jù)十分重要，故采用了IIC協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，且IIC接口可以達(dá)到400 kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，這樣就極大程度的保證了數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)與傳輸?shù)男?。而DTU自動(dòng)通過(guò)4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)上傳到云端，這就做到了全天候監(jiān)測(cè)。海量數(shù)據(jù)如果通過(guò)人為分析是否應(yīng)該進(jìn)行植保操作會(huì)占用大量人力。所以，如圖4所示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在傳至云端之后，會(huì)通過(guò)大數(shù)據(jù)計(jì)算自動(dòng)測(cè)定是否應(yīng)該進(jìn)行植保，并將歷史數(shù)據(jù)和分析結(jié)果傳到用戶(hù)手機(jī)APP終端，這樣就可以做到足不出戶(hù)，卻可以通過(guò)一只手機(jī)APP用云+大數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)掌握農(nóng)田的具體情況。

圖1 智能植保系統(tǒng)組成圖

圖2 土壤監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)基本組成

圖3 土壤監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)電路原理圖

圖4 云+大數(shù)據(jù)平臺(tái)構(gòu)成圖

2.2 中繼通信子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)用戶(hù)發(fā)現(xiàn)農(nóng)田需要植保操作時(shí)，就要使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行噴灑作業(yè)了，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行操作時(shí)需要用到地面站控制無(wú)人機(jī)，比如路徑規(guī)劃，起飛點(diǎn)設(shè)置，降落點(diǎn)設(shè)置等，同時(shí)，無(wú)人機(jī)各種狀態(tài)也會(huì)反饋到地面站那里，例如它的飛行高度，飛行速度，飛行姿態(tài)，飛行時(shí)間，剩余電量等等，所以說(shuō)地面站是無(wú)人機(jī)正常合理運(yùn)行的必須要素。但是有時(shí)候由于無(wú)人機(jī)作業(yè)面積過(guò)于龐大，無(wú)人機(jī)的作業(yè)區(qū)域可能要超出無(wú)線(xiàn)電視距范圍，為了繼續(xù)保持良好的通信，就需要如圖5中的空中中繼衛(wèi)星作為橋梁，用超視距通信鏈路連接地面站與無(wú)人機(jī)之間的通信，從而完成遠(yuǎn)距離的機(jī)—中繼衛(wèi)星—地面站通信鏈路，這樣才能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定。中繼衛(wèi)星在類(lèi)似的其他方面也有著極為豐富的使用經(jīng)驗(yàn)，比如美軍發(fā)展的偵察打擊一體化無(wú)人機(jī)已經(jīng)徹底改變了現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的方式，可以無(wú)需人員直接參與戰(zhàn)斗，中繼衛(wèi)星的大容量快速傳輸能夠?yàn)闊o(wú)人機(jī)提供實(shí)時(shí)信息轉(zhuǎn)發(fā)，將無(wú)人機(jī)偵察到的數(shù)據(jù)傳回地面，同時(shí)將控制指令發(fā)送到無(wú)人機(jī)[5]。

圖5 中繼通信子系統(tǒng)組成

2.3 無(wú)人機(jī)平臺(tái)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)平臺(tái)以STM32為MCU,加裝GPS，光流，加速度計(jì)，角速度計(jì)等若干模塊組成。當(dāng)用戶(hù)APP提示發(fā)現(xiàn)需要進(jìn)行植保時(shí)，就得用到攜帶噴灑設(shè)備的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，作為全系統(tǒng)中的執(zhí)行終端，它自身需要集成多個(gè)模塊才能確保完成任務(wù)。首先，陀螺儀與氣壓計(jì)通過(guò)不斷采集加速度和角速度數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行姿態(tài)解算得到當(dāng)前的ROLL(橫滾角)、PITCH(俯仰角)、和YAW(偏航角)，在結(jié)合PPM調(diào)制信號(hào)得到目標(biāo)角度，從而做出相應(yīng)動(dòng)作。但由于加速度計(jì)和角速度計(jì)對(duì)YAW角的解算具有無(wú)法規(guī)避的誤差，所以加裝了磁力計(jì)，為了數(shù)據(jù)傳遞的速度足夠快，并且傳輸數(shù)據(jù)足夠穩(wěn)定，三者均使用了SPI總線(xiàn)進(jìn)行通信,而沒(méi)有用IIC總線(xiàn)協(xié)議通信。為了控制噴灑濃度和范圍，我們需要對(duì)無(wú)人機(jī)飛行高度進(jìn)行設(shè)定，因此用到了大功率超聲波配合定高算法進(jìn)行定高。有時(shí)，可能需要對(duì)農(nóng)田中的某一區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)作業(yè)，這就需要無(wú)人機(jī)定點(diǎn)功能較強(qiáng)，所以加裝了optical flow(光流)，且光流模塊協(xié)議簡(jiǎn)單，使用串口協(xié)議即可。為了能讓無(wú)人機(jī)精確地按照規(guī)劃路徑運(yùn)動(dòng)，要在上面加裝GPS定位模塊。最終，以PWM(脈寬調(diào)制)控制四個(gè)電機(jī)飛行，完成對(duì)農(nóng)田的噴灑植保動(dòng)作。如圖6所示。

圖6 無(wú)人機(jī)子系統(tǒng)組成

1) 光流模塊：我們?cè)跓o(wú)人機(jī)上加裝光流模塊進(jìn)行定點(diǎn)操作，所謂光流就是通過(guò)檢測(cè)圖像中光電和暗點(diǎn)的移動(dòng)，判斷圖像中像素點(diǎn)相對(duì)于飛行器的速度。對(duì)速度進(jìn)行積分可得到位移，利用光流返回的位置或速度信息，形成閉環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)操作，本設(shè)計(jì)采用的是up_flow光流模塊，它的有效距離是0 m～7 m，采用UART接口通信，波特率可達(dá)19 200，數(shù)據(jù)刷新頻率可達(dá)到50 Hz，供電電源支持3.0 V～5.0 V，功耗在0.15 W以?xún)?nèi)，是一款性能優(yōu)良的傳感器，在處理精度和速度上均可滿(mǎn)足需要。

2) GPS模塊：本設(shè)計(jì)采用的GPS定位模塊是ATGM332D模塊，它采用了重科微電子公司的模組方案，支持北斗，GPS雙定位，采用串口通信，最大可達(dá)到115 200 bps。且其具有極強(qiáng)的搜星能力(<32S)，定位效果十分精確。供電電源在3.3 V～5 V。總的來(lái)說(shuō)適合符合高性能，低功耗的應(yīng)用場(chǎng)合。

3) 加速度計(jì)、角速度計(jì)：無(wú)人機(jī)的姿態(tài)解算是控制它的基礎(chǔ)，所以我們應(yīng)該較為精確的測(cè)出三軸加速度及三軸角速度從而為控制打下基礎(chǔ)。本設(shè)計(jì)這里采用了ICM-20602模塊，它自身集成了陀螺儀和加速度計(jì)的功能，故可同時(shí)測(cè)出實(shí)時(shí)加速度和角速度，十分方便。供電電源為3.3 V～5 V，支持SPI以及IIC兩種通信協(xié)議，在此使用了SPI協(xié)議，因?yàn)镾PI最快能夠達(dá)到10M的速率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于IIC的400K。20.32 mm*12.7 mm的尺寸十分小巧，便于集成。

4) 磁力計(jì)：無(wú)人機(jī)的航向角是無(wú)法通過(guò)加速度計(jì)和角速度計(jì)準(zhǔn)確解算出來(lái)的，總會(huì)存在一定量的誤差，所以本設(shè)計(jì)采用了RM3100地磁傳感器模塊。RM3100是一款精準(zhǔn)的模塊，它的重量只有1 g，測(cè)量角度誤差在0.01°之內(nèi)，但是磁場(chǎng)測(cè)量程很寬，達(dá)到+/-800uT，同樣支持高速的SPI通信協(xié)議。

圖7 無(wú)人機(jī)平臺(tái)作業(yè)流程圖

無(wú)人機(jī)平臺(tái)的基本工作流程如圖7所示，當(dāng)操作者在無(wú)人機(jī)地面站設(shè)定航線(xiàn)之后，首先無(wú)人機(jī)開(kāi)始先達(dá)到程序預(yù)先設(shè)定的高度(高度可以通過(guò)客戶(hù)端自由設(shè)定)，隨后開(kāi)始按照指定的航行路線(xiàn)進(jìn)行植保作業(yè)，當(dāng)無(wú)人機(jī)檢測(cè)到自身的電量和所攜帶的農(nóng)藥不夠用的時(shí)候，將會(huì)以直線(xiàn)即最短路徑快速返回。在加裝電量和農(nóng)藥之后繼續(xù)進(jìn)行植保操作，重復(fù)幾次相關(guān)動(dòng)作直到完成所有步驟之后結(jié)束操作。

3 結(jié)論

在土壤監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)內(nèi)裝載的傳感器會(huì)將實(shí)時(shí)偵測(cè)到的數(shù)據(jù)傳到云數(shù)據(jù)平臺(tái)之后，通過(guò)APP告知使用者基本環(huán)境情況，從而決定是否利用無(wú)人機(jī)平臺(tái)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行植保，當(dāng)發(fā)現(xiàn)需要植保操作后，則利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行作業(yè)，根據(jù)其寫(xiě)好的軟件走如圖6的工作流程。這套設(shè)計(jì)極大程度的實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)田的精準(zhǔn)化，科學(xué)化管理，不僅可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的無(wú)線(xiàn)操作，更做到了對(duì)農(nóng)田的人員精簡(jiǎn)管理，比傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)更加智能化。隨著科技成果不斷步入我們的生活，我們的生活品質(zhì)和工作的效率也不斷的提升，智能植保便是一個(gè)典型的例子。將來(lái)還會(huì)有越來(lái)越多的科技成果涌入，因此，我們也需要緊跟時(shí)代發(fā)展的步伐，不斷的將科技成果綜合運(yùn)用到我們的工作中來(lái)，不斷的提升自己對(duì)新興科技產(chǎn)品的運(yùn)用，更好的服務(wù)于社會(huì)，造福于社會(huì)。