楊頌 張少偉 孫培壯 郭軍

摘 要：現(xiàn)有的農(nóng)情監(jiān)測設(shè)備在實(shí)際作業(yè)中常會(huì)遇到作業(yè)范圍小、實(shí)時(shí)監(jiān)測難、作業(yè)效率低等難題。為解決這些難題，設(shè)計(jì)了一種以無人機(jī)為平臺(tái)的農(nóng)情監(jiān)測系統(tǒng)。將OV5640圖像傳感器、STM32處理器、4G通信等模塊搭載于無人機(jī)上，由OV5640采集農(nóng)作物的圖像數(shù)據(jù)，通過DMA方式送入內(nèi)存并通過4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至服務(wù)器，管理者通過PC客戶端了解農(nóng)情并制定管理方案。該系統(tǒng)具有低成本、高效率、高靈活性等特點(diǎn)。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，采集到的圖像十分清晰，在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：農(nóng)情監(jiān)測；圖像采集；無人機(jī)；STM32；4G網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP92；TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）07-00-04

0 引 言

隨著信息技術(shù)的快速普及，農(nóng)業(yè)向信息化方向邁進(jìn)，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的主題之一。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)采用信息技術(shù)，定位、定時(shí)、定量地進(jìn)行農(nóng)事操作與管理，達(dá)到低投入、高收入、低污染、高效率的目的[1]。農(nóng)情監(jiān)測是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的核心之一，需要獲取及時(shí)、客觀、準(zhǔn)確、大范圍的農(nóng)情圖像信息，如作物長勢、農(nóng)業(yè)災(zāi)害、作物種植面積、種植結(jié)構(gòu)等信息[2]。而衛(wèi)星遙感存在成本高、誤差大等問題，傳統(tǒng)的監(jiān)測設(shè)備又存在作業(yè)范圍小、實(shí)時(shí)監(jiān)測難等問題，無法滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求[3，4]。因此，將無人機(jī)及遙感技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)方面可解決以上問題，開發(fā)出滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的無人機(jī)農(nóng)情監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了解決現(xiàn)有農(nóng)情監(jiān)測設(shè)備面臨的難題，本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32和OV5640的無人機(jī)農(nóng)情監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由PC客戶端和搭載于無人機(jī)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(jī)，無人機(jī)及其搭載的模塊為下位機(jī)。OV5640攝像頭拍攝到的農(nóng)作物圖像數(shù)據(jù)通過STM32F429的DCMI數(shù)字?jǐn)z像頭接口送入處理器進(jìn)行下一步處理，處理器通過DMA將圖像數(shù)據(jù)送入內(nèi)存，同時(shí)通過控制4G通信模塊將采集到的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，連接因特網(wǎng)的PC客戶端負(fù)責(zé)把采集到的農(nóng)作物圖像數(shù)據(jù)保存并呈現(xiàn)給管理者，同時(shí)還需控制無人機(jī)飛行。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32F429處理器

2.1.1 STM32F429處理器簡介

下位機(jī)處理器采用Cortex-M4內(nèi)核的STM32F429。最高主頻為168 MHz，提供2 MB的FLASH，192 kB的SRAM，16個(gè)DMA通道，每個(gè)DMA通道有4×32位FIFO。擁有單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元，支持對(duì)圖像信息使用DSP進(jìn)行高速圖像處理[5]。值得注意的是，該處理器內(nèi)置DCMI數(shù)字?jǐn)z像頭接口，能夠驅(qū)動(dòng)攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行加工處理。

2.1.2 DCMI接口

STM32F429內(nèi)置有同步并行的DCMI數(shù)字?jǐn)z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(shù)據(jù)?？梢圆捎肈MA方式傳輸，當(dāng)DCMI_CR寄存器中的CAPTURE位被置為1時(shí)，DMA接口被激活。當(dāng)其寄存器中接收到一個(gè)32位數(shù)據(jù)時(shí)，觸發(fā)一個(gè)DMA請(qǐng)求。

DCMI接口的信號(hào)有以下幾種：

（1）數(shù)據(jù)輸入信號(hào)D[0：13]：用于接攝像頭的數(shù)據(jù)輸出；

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

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

（4）像素時(shí)鐘輸入信號(hào)PIXCLK：用于接攝像頭的PCLK信號(hào)。

DCMI信號(hào)波形如圖2所示，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

2.2 圖像采集模塊

2.2.1 OV5640攝像頭

系統(tǒng)的任務(wù)是向管理者提供高質(zhì)量、清晰的農(nóng)作物圖像信息，因此采用OmniVision公司設(shè)計(jì)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(dòng)對(duì)焦功能，帶有兩個(gè)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(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式，包括伽瑪曲線、白平衡等功能的設(shè)置?？梢暂敵稣麕?、子采樣等方式的各種分辨率為8或10位的圖像數(shù)據(jù)。QSXGA（分辨率為2 592×1 944的輸出格式）圖像最高達(dá)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(shè)與它通信。通過SIO_C和SIO_D兩根數(shù)據(jù)線傳輸時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)，從而控制攝像頭。

起始信號(hào)指SCCB開始傳輸發(fā)生在SIO_C為高電平時(shí)，SIO_D出現(xiàn)一個(gè)下降沿，如圖4所示。停止信號(hào)指SCCB停止傳輸發(fā)生在SIO_C為高電平時(shí)，SIO_D出現(xiàn)一個(gè)上升沿，如圖5所示。數(shù)據(jù)有效性指在數(shù)據(jù)傳輸過程中，當(dāng)SIO_C為高電平時(shí)，SIO_D上的數(shù)據(jù)穩(wěn)定[9]，如圖6所示。

2.2.3 DVP接口

OV5640支持?jǐn)?shù)字視頻接口DVP，同時(shí)處理器STM32F429內(nèi)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(shù)據(jù)。OV5640提供的DVP接口雖是10位，但也支持8位接法，使用時(shí)一般采用8位連接方式，如圖7所示。

2.2.4 圖像數(shù)據(jù)輸出時(shí)序

OV5640的輸出信號(hào)包括像素時(shí)鐘信號(hào)PCLK、幀同步信號(hào)VSYNC和行同步信號(hào)HREF/HSYNC。在PCLK，VSYNC和HREF/HSYNC的控制下由Y2～Y9的8個(gè)引腳輸出圖像數(shù)據(jù)。

行輸出時(shí)序如圖8所示，圖像數(shù)據(jù)在HREF為高電平時(shí)輸出，采用8位接法，每一個(gè)PCLK時(shí)鐘輸出一個(gè)8位數(shù)據(jù)。

QSXGA模式下的幀時(shí)序如圖9所示，處理器可以按照這個(gè)時(shí)序讀取OV5640的圖像數(shù)據(jù)。

2.3 4G通信模塊

相比2G和3G網(wǎng)絡(luò)，4G網(wǎng)絡(luò)不僅數(shù)據(jù)傳輸速度大大提高，且時(shí)延較低，因此能夠滿足本系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸高視頻數(shù)據(jù)的要求。本系統(tǒng)采用移遠(yuǎn)EC204G模塊，該模塊同時(shí)支持LTE，UMTS和GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)，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(nèi)置多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口。通過串口和處理器連接，并以AT命令來控制。本系統(tǒng)將4G模塊插入Mini PCIE轉(zhuǎn)接板，從而和STM32單片機(jī)相連接，實(shí)現(xiàn)串口通信，由于4G模塊自身內(nèi)部集成有TCP/IP協(xié)議，因此使用TCP/IP協(xié)議與服務(wù)器通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。STM32單片機(jī)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(jī)作為圖像采集設(shè)備，要求無人機(jī)具有體積小，機(jī)動(dòng)靈活，維護(hù)方便等特點(diǎn)，因此采用四旋翼飛行器作為搭載設(shè)備。同時(shí)，由于無人機(jī)搭載的各類模塊數(shù)量較少且普遍較輕，對(duì)動(dòng)力沒有過于苛刻的要求，因此對(duì)各種姿態(tài)傳感器進(jìn)行如下設(shè)計(jì)。

2.4.1 無刷電機(jī)和電調(diào)

在下位機(jī)工作時(shí)，無人機(jī)要盡量機(jī)動(dòng)靈活，因此采用A2212-1400 kV型號(hào)的無刷電機(jī)，該電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)順暢，體積小，效率高，調(diào)速寬度大。同時(shí)采用好盈30 A電調(diào)，持續(xù)輸出電流為30 A，短時(shí)電流為40 A，具有欠壓保護(hù)，過壓保護(hù)，過熱保護(hù)等功能。

2.4.2 姿態(tài)傳感器模塊

飛行器在飛行過程中需要測量的姿態(tài)信息一般包括加速度、角速度、航向和高度，進(jìn)而采用特定的算法來控制飛行姿態(tài)。本文采用集成了3軸加速度計(jì)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(jì)測量飛行器的航向；采用MS5611氣壓計(jì)測量氣壓，并根據(jù)式（1）計(jì)算出海拔高度，分辨率為0.1 m，再根據(jù)地面的海拔高度就可以算出飛行器相對(duì)地面的高度了。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.1.1 DCMI驅(qū)動(dòng)OV5640

DCMI驅(qū)動(dòng)OV5640步驟如圖11所示。這部分軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是與OV5640和DCMI相關(guān)的函數(shù)功能設(shè)計(jì)，以下是幾個(gè)較為重要的函數(shù)：

（1）與OV5640相關(guān)：

①OV5640_Init函數(shù)：初始化OV5640相關(guān)的I/O口，并完成OV5640的寄存器序列初始化；

②OV5640_ImageWin_Set函數(shù)：用于設(shè)置ISP輸入窗口；

③OV5640_OutSize_Set函數(shù)：用于設(shè)置預(yù)縮放窗口和輸出大小窗口；

④OV5640_Focus_Init函數(shù)：用于初始化自動(dòng)對(duì)焦功能；

⑤OV5640_Focus_Single函數(shù)：用于實(shí)現(xiàn)一次自動(dòng)對(duì)焦；

⑥OV5640_Focus_Constant函數(shù)：用于開啟持續(xù)自動(dòng)對(duì)焦功能。

（2）與DCMI相關(guān)：

①DCMI_IRQHandler函數(shù)：用于處理幀中斷，可以實(shí)現(xiàn)幀率統(tǒng)計(jì)和JPEG數(shù)據(jù)處理等；

②DCMI_DMA_Init函數(shù)：用于配置DCMI的DMA傳輸；

③DCMI_Init函數(shù)：用于初始化STM32F407的DCMI接口；

④DCMI_Start函數(shù)：用于開啟DCMI接口；

⑤DCMI_Stop函數(shù)：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(tài)，主要過程是通過客戶端發(fā)出指令和數(shù)據(jù)，下位機(jī)通過4G通信網(wǎng)絡(luò)接收處理器綜合姿態(tài)傳感器的測量數(shù)據(jù)，采用特定的算法計(jì)算后發(fā)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(yīng)用較為普遍的是PID控制，其中包括比例、積分及微分的計(jì)算過程，具有結(jié)構(gòu)簡單、高可靠性、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)[10]。

3.2 上位機(jī)客戶端設(shè)計(jì)

PC客戶端基于Java的可擴(kuò)展平臺(tái)Eclipse開發(fā)，其功能包括獲取服務(wù)器數(shù)據(jù)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(wù)器獲取圖像，并進(jìn)行一定的處理。

（2）控制指令：通過客戶端向飛行器發(fā)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(wù)器獲取的飛行器高度信息，為用戶提供調(diào)整飛行器高度的參考信息。

3.3 服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫的搭建

在實(shí)驗(yàn)測試過程中，使用迅為電子的ARM9 Linux開發(fā)板作為服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫的搭載平臺(tái)，進(jìn)行Linux系統(tǒng)編程，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，即連接4G模塊與STM32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。利用花生殼軟件實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)穿透，將服務(wù)器與已存在IP地址的端口對(duì)應(yīng)起來（端口映射），以保證4G模塊可以訪問服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。服務(wù)器接收數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)后，就可以在客戶端訪問服務(wù)器，以獲取從攝像頭采集到的數(shù)據(jù)。同時(shí)服務(wù)器還負(fù)責(zé)接收來自客戶端對(duì)四旋翼飛行狀態(tài)的控制指令，并且將該指令發(fā)送給下位機(jī)控制飛行器飛行。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

系統(tǒng)測試在一片白皮松種植地里進(jìn)行，無人機(jī)低空飛行進(jìn)行農(nóng)情監(jiān)測。下位機(jī)如圖12所示。調(diào)試下位機(jī)和上位機(jī)的通信狀態(tài)后，從客戶端控制無人機(jī)在距離地面3～10 m的高度飛行，打開攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)STM32F429處理器處理之后通過具有高速特點(diǎn)的4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器，最后在客戶端可以實(shí)時(shí)監(jiān)測植被的生長狀態(tài)，上位機(jī)客戶端圖像顯示如圖13所示。

測試結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、可靠性。下位機(jī)部分，無人機(jī)飛行平穩(wěn)；上位機(jī)部分，客戶端顯示的圖像清晰，色彩真實(shí)，失真較小。因此系統(tǒng)在通信穩(wěn)定度、圖像清晰度等方面均滿足設(shè)計(jì)要求。但是在續(xù)航能力、靈活度等方面還有待提高。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32和OV5640的無人機(jī)農(nóng)情監(jiān)測系統(tǒng)，由無人機(jī)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(jī)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(jìn)行處理，采用DMA方式存儲(chǔ)，同時(shí)利用4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器，最后可以在連接因特網(wǎng)的PC客戶端上實(shí)時(shí)監(jiān)測農(nóng)田里的農(nóng)作物。測試結(jié)果表明，相比現(xiàn)有的農(nóng)情監(jiān)測設(shè)備，本系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、效率高、成本低等特點(diǎn)，可以大范圍、實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)、高效率地進(jìn)行農(nóng)情監(jiān)測，能夠滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展中農(nóng)情監(jiān)測的要求，在信息化農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。

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