基于STM32和OV5640的无人机农情监测系统

杨颂 张少伟 孙培壮 郭军

摘 要：现有的农情监测设备在实际作业中常会遇到作业范围小、实时监测难、作业效率低等难题。为解决这些难题，设计了一种以无人机为平台的农情监测系统。将OV5640图像传感器、STM32处理器、4G通信等模块搭载于无人机上，由OV5640采集农作物的图像数据，通过DMA方式送入内存并通过4G网络发送至服务器，管理者通过PC客户端了解农情并制定管理方案。该系统具有低成本、高效率、高灵活性等特点。测试结果表明，系统稳定可靠，采集到的图像十分清晰，在精准农业领域具有广泛的应用前景。

关键词：农情监测；图像采集；无人机；STM32；4G网络

中图分类号：TP92；TP212 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）07-00-04

0 引 言

随着信息技术的快速普及，农业向信息化方向迈进，精准农业成为农业发展的主题之一。精准农业采用信息技术，定位、定时、定量地进行农事操作与管理，达到低投入、高收入、低污染、高效率的目的[1]。农情监测是精准农业的核心之一，需要获取及时、客观、准确、大范围的农情图像信息，如作物长势、农业灾害、作物种植面积、种植结构等信息[2]。而卫星遥感存在成本高、误差大等问题，传统的监测设备又存在作业范围小、实时监测难等问题，无法满足精准农业的发展要求[3，4]。因此，将无人机及遥感技术应用到农业方面可解决以上问题，开发出满足精准农业的无人机农情监测系统。

1 系统总体设计

为了解决现有农情监测设备面临的难题，本文设计了一种基于STM32和OV5640的无人机农情监测系统。系统总体结构如图1所示。系统由PC客户端和搭载于无人机上的OV5640摄像头、STM32F429处理器、4G通信、电源等模块组成。PC客户端为上位机，无人机及其搭载的模块为下位机。OV5640摄像头拍摄到的农作物图像数据通过STM32F429的DCMI数字摄像头接口送入处理器进行下一步处理，处理器通过DMA将图像数据送入内存，同时通过控制4G通信模块将采集到的图像数据传输到服务器，连接因特网的PC客户端负责把采集到的农作物图像数据保存并呈现给管理者，同时还需控制无人机飞行。

2 系统硬件设计

2.1 STM32F429处理器

2.1.1 STM32F429处理器简介

下位机处理器采用Cortex-M4内核的STM32F429。最高主频为168 MHz，提供2 MB的FLASH，192 kB的SRAM，16个DMA通道，每个DMA通道有4×32位FIFO。拥有单精度浮点运算单元，支持对图像信息使用DSP进行高速图像处理[5]。值得注意的是，该处理器内置DCMI数字摄像头接口，能够驱动摄像头采集图像数据并进行加工处理。

2.1.2 DCMI接口

STM32F429内置有同步并行的DCMI数字摄像头接口，能够接收由CMOS摄像头输出的8位、10位、12位、14位图像数据。可以采用DMA方式传输，当DCMI_CR寄存器中的CAPTURE位被置为1时，DMA接口被激活。当其寄存器中接收到一个32位数据时，触发一个DMA请求。

DCMI接口的信号有以下几种：

（1）数据输入信号D[0：13]：用于接摄像头的数据输出；

（2）行同步输入信号HSYNC：指示行的开始或结束，用于接摄像头的HSYNC/HREF信号；

（3）帧同步输入信号VSYNC：指示帧的开始或结束，用于接摄像头的VSYNC信号[6]；

（4）像素时钟输入信号PIXCLK：用于接摄像头的PCLK信号。

DCMI信号波形如图2所示，结构框图如图3所示。

2.2 图像采集模块

2.2.1 OV5640摄像头

系统的任务是向管理者提供高质量、清晰的农作物图像信息，因此采用OmniVision公司設计的CMOS图像传感器OV5640。该传感器支持输出最大为500万像素的图像（2 592×1 944），具有自动对焦功能，带有两个1 W的高亮LED闪光灯，支持夜间或者光线昏暗的拍摄场景。

通过SCCB总线控制图像质量、数据格式和传输方式，包括伽玛曲线、白平衡等功能的设置。可以输出整帧、子采样等方式的各种分辨率为8或10位的图像数据。QSXGA（分辨率为2 592×1 944的输出格式）图像最高达到15帧/秒[7，8]。

2.2.2 SCCB总线

由于I2C和SCCB总线类似，因此处理器可使用I2C外设与它通信。通过SIO_C和SIO_D两根数据线传输时钟信号和数据信号，从而控制摄像头。

起始信号指SCCB开始传输发生在SIO_C为高电平时，SIO_D出现一个下降沿，如图4所示。停止信号指SCCB停止传输发生在SIO_C为高电平时，SIO_D出现一个上升沿，如图5所示。数据有效性指在数据传输过程中，当SIO_C为高电平时，SIO_D上的数据稳定[9]，如图6所示。

2.2.3 DVP接口

OV5640支持数字视频接口DVP，同时处理器STM32F429内置的DCMI接口也支持DVP接口，因此可以采用OV5640的DVP接口向处理器输出图像数据。OV5640提供的DVP接口虽是10位，但也支持8位接法，使用时一般采用8位连接方式，如图7所示。

2.2.4 图像数据输出时序

OV5640的输出信号包括像素时钟信号PCLK、帧同步信号VSYNC和行同步信号HREF/HSYNC。在PCLK，VSYNC和HREF/HSYNC的控制下由Y2～Y9的8个引脚输出图像数据。

行输出时序如图8所示，图像数据在HREF为高电平时输出，采用8位接法，每一个PCLK时钟输出一个8位数据。

QSXGA模式下的帧时序如图9所示，处理器可以按照这个时序读取OV5640的图像数据。

2.3 4G通信模块

相比2G和3G网络，4G网络不仅数据传输速度大大提高，且时延较低，因此能够满足本系统实时传输高视频数据的要求。本系统采用移远EC204G模块，该模块同时支持LTE，UMTS和GSM/GPRS网络，最大上行速率为50 Mbps，最大下行速率为100 Mbps，供电电压在3.3～4.3 V之间，内置多个标准接口。通过串口和处理器连接，并以AT命令来控制。本系统将4G模块插入Mini PCIE转接板，从而和STM32单片机相连接，实现串口通信，由于4G模块自身内部集成有TCP/IP协议，因此使用TCP/IP协议与服务器通信，实现数据传输。STM32单片机与4G模块之间的连接如图10所示。

2.4 四旋翼飞行器

下位机作为图像采集设备，要求无人机具有体积小，机动灵活，维护方便等特点，因此采用四旋翼飞行器作为搭载设备。同时，由于无人机搭载的各类模块数量较少且普遍较轻，对动力没有过于苛刻的要求，因此对各种姿态传感器进行如下设计。

2.4.1 无刷电机和电调

在下位机工作时，无人机要尽量机动灵活，因此采用A2212-1400 kV型号的无刷电机，该电机运转顺畅，体积小，效率高，调速宽度大。同时采用好盈30 A电调，持续输出电流为30 A，短时电流为40 A，具有欠压保护，过压保护，过热保护等功能。

2.4.2 姿态传感器模块

飞行器在飞行过程中需要测量的姿态信息一般包括加速度、角速度、航向和高度，进而采用特定的算法来控制飞行姿态。本文采用集成了3轴加速度计和3轴陀螺仪的MPU6050测量飞行器的加速度和角速度；采用HMC5883L磁力计测量飞行器的航向；采用MS5611气压计测量气压，并根据式（1）计算出海拔高度，分辨率为0.1 m，再根据地面的海拔高度就可以算出飞行器相对地面的高度了。

3 系统软件设计

3.1 下位机软件设计

3.1.1 DCMI驱动OV5640

DCMI驱动OV5640步骤如图11所示。这部分软件设计的重点是与OV5640和DCMI相关的函数功能设计，以下是几个较为重要的函数：

（1）与OV5640相关：

①OV5640_Init函数：初始化OV5640相关的I/O口，并完成OV5640的寄存器序列初始化；

②OV5640_ImageWin_Set函数：用于设置ISP输入窗口；

③OV5640_OutSize_Set函数：用于设置预缩放窗口和输出大小窗口；

④OV5640_Focus_Init函数：用于初始化自动对焦功能；

⑤OV5640_Focus_Single函数：用于实现一次自动对焦；

⑥OV5640_Focus_Constant函数：用于开启持续自动对焦功能。

（2）与DCMI相关：

①DCMI_IRQHandler函数：用于处理帧中断，可以实现帧率统计和JPEG数据处理等；

②DCMI_DMA_Init函数：用于配置DCMI的DMA传输；

③DCMI_Init函数：用于初始化STM32F407的DCMI接口；

④DCMI_Start函数：用于开启DCMI接口；

⑤DCMI_Stop函数：用于停止DCMI接口。

3.1.2 飞行器的控制

通过PC客户端控制飞行器的飞行状态，主要过程是通过客户端发出指令和数据，下位机通过4G通信网络接收处理器综合姿态传感器的测量数据，采用特定的算法计算后发出控制量控制飞行。

目前用来控制飞行器的算法有多种，但应用较为普遍的是PID控制，其中包括比例、积分及微分的计算过程，具有结构简单、高可靠性、高稳定性的特点[10]。

3.2 上位机客户端设计

PC客户端基于Java的可扩展平台Eclipse开发，其功能包括获取服务器数据并显示图像、飞行器控制、飞行器高度显示等。具体功能如下：

（1）图像显示：客户端从服务器获取图像，并进行一定的处理。

（2）控制指令：通过客户端向飞行器发送控制指令，控制飞行器的飞行方向与高度。

（3）高度显示：显示客户端从服务器获取的飞行器高度信息，为用户提供调整飞行器高度的参考信息。

3.3 服务器与数据库的搭建

在实验测试过程中，使用迅为电子的ARM9 Linux开发板作为服务器与数据库的搭载平台，进行Linux系统编程，从而实现网络通信，即连接4G模块与STM32单片机进行数据传输。利用花生壳软件实现内网穿透，将服务器与已存在IP地址的端口对应起来（端口映射），以保证4G模块可以访问服务器进行数据传输。服务器接收数据并存储后，就可以在客户端访问服务器，以获取从摄像头采集到的数据。同时服务器还负责接收来自客户端对四旋翼飞行状态的控制指令，并且将该指令发送给下位机控制飞行器飞行。

4 系统测试结果

系统测试在一片白皮松种植地里进行，无人机低空飞行进行农情监测。下位机如图12所示。调试下位机和上位机的通信状态后，从客户端控制无人机在距离地面3～10 m的高度飞行，打开摄像头采集图像数据，图像数据经STM32F429处理器处理之后通过具有高速特点的4G网络传输至服务器，最后在客户端可以实时监测植被的生长状态，上位机客户端图像显示如图13所示。

测试结果表明，系统具有较强的稳定性、可靠性。下位机部分，无人机飞行平稳；上位机部分，客户端显示的图像清晰，色彩真实，失真较小。因此系统在通信稳定度、图像清晰度等方面均满足设计要求。但是在续航能力、灵活度等方面还有待提高。

5 结 语

本文设计了一种基于STM32和OV5640的无人机农情监测系统，由无人机及其搭载的OV5640图像传感器、STM32F429处理器、4G通信等模块和PC客户端上位机组成。利用500万像素的图像传感器OV5640采集图像，并通过DCMI接口送入处理器进行处理，采用DMA方式存储，同时利用4G网络传输至服务器，最后可以在连接因特网的PC客户端上实时监测农田里的农作物。测试结果表明，相比现有的农情监测设备，本系统具有稳定性高、效率高、成本低等特点，可以大范围、实时、精准、高效率地进行农情监测，能够满足精准农业发展中农情监测的要求，在信息化农业领域的应用前景十分广阔。

参考文献

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[3]李继宇，张铁民，彭孝东，等.小型无人机在农田信息监测系统中的应用[J].农机化研究，2010，32（5）：183-186.

[4]贾鹏宇，冯江，于立宝，等.小型无人机在农情监测中的应用研究[J].农机化研究，2015，37（4）：261-264.

[5]徐伦.基于STM32与图像采集模块OV5640的物品表面缺陷检测仪设计[J].应用能源技术，2017（10）：53-56.

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[10]王文建. 四旋翼无人机控制系统设计[D].乌鲁木齐：新疆大学，2017.