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）

0 引言

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]。

1 農(nóng)田信息無線采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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。

2 電路設(shè)計(jì)

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(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。

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(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。

2.3 nRF24L01模塊電路

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。

2.4 溫濕度采集電路

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。

3 結(jié)論

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。

[1]姬江濤,扈菲菲,賀智濤,等.四旋翼無人機(jī)在農(nóng)田信息獲取中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013,35(2):1-4.

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