趙曉初 王 暄 賀智濤
(1.北京天利弘遠(yuǎn)機(jī)電有限公司,中國 北京 102206;2.遼寧立德電力工程設(shè)計(jì)有限公司,遼寧 沈陽 110126;3.河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,河南 洛陽 471003)
及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取農(nóng)田環(huán)境信息是進(jìn)行精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵[1]。目前,實(shí)時(shí)農(nóng)田環(huán)境信息獲取技術(shù)遠(yuǎn)落后于其他支持技術(shù)[2]。衛(wèi)星遙感受其運(yùn)行周期限制,時(shí)效性較差,難以滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對(duì)局部精準(zhǔn)和實(shí)時(shí)監(jiān)控的獲取要求[3]。手持式和基于地面車輛的農(nóng)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(duì)較低[3-5]。低空遙感獲取技術(shù)機(jī)動(dòng)性高、成本低,可以快速、實(shí)時(shí)檢測農(nóng)田環(huán)境,獲取分辨率較高的農(nóng)田信息,在較小范圍內(nèi)實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的情況下,低空農(nóng)田信息獲取系統(tǒng)有著更好的發(fā)展前景[6]。
與固定翼飛機(jī)相比,旋翼無人機(jī)(UAV)的突出優(yōu)點(diǎn)是能夠垂直起降和實(shí)現(xiàn)懸停,而四旋翼無人機(jī)可以通過反扭矩作用使無人機(jī)扭矩平衡,不需要專門的反扭矩槳,所以這種無人機(jī)設(shè)計(jì)簡單,且采用四螺旋槳結(jié)構(gòu)可以提高負(fù)載能力。農(nóng)田地理環(huán)境復(fù)雜,如果采用有線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,則需要架設(shè)專門的傳輸線路,施工、維護(hù)難度都較大,而無線信息傳輸比傳統(tǒng)的有線信息傳輸更為靈活。因此基于小型四旋翼UAV的農(nóng)田信息采集平臺(tái)更具研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[7-8]。
農(nóng)田信息無線傳輸系統(tǒng)以無線收發(fā)模塊為基礎(chǔ),由單片機(jī)控制,采集農(nóng)田中溫濕度數(shù)據(jù),以射頻形式發(fā)射出去,最后由接收端通過預(yù)先設(shè)定的協(xié)議接收,并通過串口傳輸?shù)诫娔X。
無線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,在地面站對(duì)四旋翼無人機(jī)進(jìn)行航跡規(guī)劃,由四旋翼無人機(jī)攜帶無線發(fā)射端巡航至農(nóng)田指定地點(diǎn),通過傳感器采集溫濕度數(shù)據(jù)再由無線發(fā)射模塊進(jìn)行發(fā)射,接收端收到數(shù)據(jù)后通過RS-232串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面站計(jì)算機(jī)。
本系統(tǒng)MCU部分選用STC89C52低功耗、高性能CMOS 8位微控制器。
無線收發(fā)芯片種類比較多,選擇無線收發(fā)芯片時(shí)主要考慮因素包括功耗、發(fā)射功率、傳輸距離、傳輸速度、接收靈敏度、芯片開發(fā)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(fā)器都是挪威Nordic公司推出的單片射頻發(fā)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(shí)收發(fā)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(fā)射模式下發(fā)送功率為-6dBm時(shí)電流消耗為9mA,接收模式時(shí)為12.3mA,功耗最低。數(shù)據(jù)傳輸率為1或2Mbps,具有自動(dòng)應(yīng)答及自動(dòng)重發(fā)功能,內(nèi)置完整通信協(xié)議和CRC校驗(yàn),通過SPI接口完成通信。
表1 幾種射頻芯片性能參數(shù)對(duì)比
DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是Sensiron公司研制的一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器,它包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件,可與高性能8位單片機(jī)接口。其主要特點(diǎn)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(xié)議和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,節(jié)省I/O口資源。
接收端直接與電腦連接,因此可直接采用USB供電即可。發(fā)送端由于安裝在無人機(jī)上,需要專門設(shè)計(jì)電源電路。STC89C52單片機(jī)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(wěn)壓穩(wěn)流輸出芯片。供電模塊采用三端穩(wěn)壓集成電路L7805,該電路內(nèi)置短路保護(hù)和熱保護(hù)電路,電源輸入采用無人機(jī)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(yīng)小于3.5V,最大電流小于10mA。采用AMS1117-3.3V三端穩(wěn)壓芯片,最大輸出電壓為3.267-3.333V,靜態(tài)電流最大為10mA。通過測量單片機(jī)輸出電路,實(shí)際測量所得電壓為3V,通過對(duì)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(shí)在電路板空余地方增加0.1uF的電容,可保證系統(tǒng)的電源電壓穩(wěn)定。
本文采用1602字符型液晶模塊,它可顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等點(diǎn)陣類型內(nèi)容,常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中。接口電路如圖3所示。
nRF24L01芯片在設(shè)計(jì)電路時(shí),由于高頻電路的元件擺放位置和線路的布置對(duì)芯片的功耗和傳輸距離都有很大影響,因此本設(shè)計(jì)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(yuǎn)只有100m,因此需要進(jìn)行功率放大。功率放大器位于放大電路的發(fā)射端,采用AWT6264芯片。它可為2.3-2.7GHz頻段的WiMAX應(yīng)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(jìn)行功率放大以后,通信距離可擴(kuò)展至500-1000m。
DHT11數(shù)字溫濕度傳感器采用單總線數(shù)據(jù)格式,只有1個(gè)管腳2與單片機(jī)接口相連,實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)雙向數(shù)據(jù)傳輸。由單片機(jī)發(fā)送控制信號(hào),傳感器收到信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并將溫濕度轉(zhuǎn)換成0和1反饋給單片機(jī)。所有的信號(hào)除主機(jī)啟動(dòng)復(fù)位信號(hào)外,全部都由DHT11產(chǎn)生。
本文提出了基于四旋翼UAV平臺(tái)的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)功能模型,給出了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行了無線傳輸系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用Keil進(jìn)行軟件程序編寫,PCB電路板制作完成后進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面,僅使用nRF24L01進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸時(shí),設(shè)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(duì)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(nóng)田環(huán)境中無線信息的傳輸要求。
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