基于远距离无线通信的智能植保系统

潘月纯，田思庆

(佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江 佳木斯 154007)

1 发展背景

随着经济发展，科学进步，近些年来地球人口持续膨胀，尤其以人口密集的亚洲地区为主，所以农业的发展也随着社会的进步而变的越来越重要，传统的农业植保方式已经显得十分吃力，远远无法满足现代需求。因此，为了更好、更快、更有效率的进行农业植保操作，越来越多的现代新兴科技逐渐被运用到了里面。中国作为传统的农业大国，在农业生产中农机使用率较低，传统生产模式依旧占主导地位，劳动力成本高，导致其农业生产效率不高，缺乏市场竞争力，其农业生产现代化水平亟待提高[1]。且我国的农业目前面临污染高，残留多的问题，这对于现代越来越注重身体健康的国人来说是令人十分头疼的现象，施药的精准化、机械化、自动化和安全化，是当今植保机械的主要发展方向[2-4]。智能植保系统植保过程中不仅仅从劳动力上节约了大量成本，在效率和质量上也得到了大幅度提高，喷洒作业也十分精准，大量使用会有助于农业的快速健康发展。

2 系统原理

本系统由无人机子系统、土壤监测子系统、地面站—卫星—无人机通信子系统(中继通信子系统)三大部分构成。整个系统运行流程从土壤监测子系统开始，首先安装在农田里的监测系统(内置有多功能传感器CCS811 HDC1080模块，可测温湿度及二氧化碳，并有光照传感器)将实时监测到的必需数据上传到云端，并通过大数据平台计算得到当前环境的详细情况，然后通过用户手机端的APP精准的将信息传送到使用者这里。接下来就需要用到中继通信子系统，当信息显示用户需要对农田进行植保作业的时候，使用者需要地面站来对无人机系统进行精确控制，但由于农田面积可能过大，必须要实现无人机的超视距控制以及传输信息才能做到准确控制，这个时候就用到了中继通信子系统。通过中继卫星作为桥梁，构成了一条超视距通信链路，这样就完美的保证了用户对无人机的控制，最终携带农药喷洒装置的无人机系统完成了植保作业任务。当然，用户的无人机系统具有优良的飞控系统，其基于ARM9内核的S3C2440芯片在实现无人机一键起飞，一键降落，自动路径寻迹，避障，定高，定点等一系列功能上毫无障碍。

在各个子系统的协同配合之下，整个系统共同完成了农田植保任务，这也体现出了部分对于整体的重要性，只有系统中的每一部分都做到尽职尽责，才能发挥出整体的作用。

2.1 土壤监测子系统设计

农田里所有的植保动作都是基于环境，因此土壤监测子系统尤为重要。该系统装置内部安有多颗传感器。其中，温湿度是最重要的关注对象，这决定了农作物的基本生存，植物的生长又需要光合作用，光合作用与二氧化碳有关，因此置入了二氧化碳传感器和光照传感器。本设计中的光照传感器采用了B-LUX-V30B，温湿度、CO2传感器采用了CCS811 HDC1080模块，它集成了多重功能，实现了一模块，多功能，它们均支持IIC协议，且是理想用于农业、工业的产品。由于农业具有时效性，所以必须要实时监测环境变化，才能使农作物保产保量，故该子系统使用了DTU模块(数据传输单元)实时采集数据。由于DTU单元自身集成了MCU模块、电源模块、4G透传模块，所以各传感器直接与DTU连接即可。DTU可以通过脚本编程主动采集传感器数据，且可以通过脚本指令实现对即时数据的4G上传，省略了单独的4G通信模块。本设计采用的DTU模块支持全网通频段，它的串口波特率达到1 200 bps，同时支持与传感器进行IIC,SPI协议的通信，如图3电路原理图所示，由于传感器的数据十分重要，故采用了IIC协议传输数据，且IIC接口可以达到400 kb/s的数据传输速率，这样就极大程度的保证了数据的精准与传输的效率。而DTU自动通过4G无线网络实时将采集到的数据上传到云端，这就做到了全天候监测。海量数据如果通过人为分析是否应该进行植保操作会占用大量人力。所以，如图4所示实时数据在传至云端之后，会通过大数据计算自动测定是否应该进行植保，并将历史数据和分析结果传到用户手机APP终端，这样就可以做到足不出户，却可以通过一只手机APP用云+大数据来实时监测掌握农田的具体情况。

图1 智能植保系统组成图

图2 土壤监测子系统基本组成

图3 土壤监测子系统电路原理图

图4 云+大数据平台构成图

2.2 中继通信子系统设计

当用户发现农田需要植保操作时，就要使用无人机进行喷洒作业了，对无人机进行操作时需要用到地面站控制无人机，比如路径规划，起飞点设置，降落点设置等，同时，无人机各种状态也会反馈到地面站那里，例如它的飞行高度，飞行速度，飞行姿态，飞行时间，剩余电量等等，所以说地面站是无人机正常合理运行的必须要素。但是有时候由于无人机作业面积过于庞大，无人机的作业区域可能要超出无线电视距范围，为了继续保持良好的通信，就需要如图5中的空中中继卫星作为桥梁，用超视距通信链路连接地面站与无人机之间的通信，从而完成远距离的机—中继卫星—地面站通信链路，这样才能保证数据传输的稳定。中继卫星在类似的其他方面也有着极为丰富的使用经验，比如美军发展的侦察打击一体化无人机已经彻底改变了现代战争的方式，可以无需人员直接参与战斗，中继卫星的大容量快速传输能够为无人机提供实时信息转发，将无人机侦察到的数据传回地面，同时将控制指令发送到无人机[5]。

图5 中继通信子系统组成

2.3 无人机平台子系统设计

无人机平台以STM32为MCU,加装GPS，光流，加速度计，角速度计等若干模块组成。当用户APP提示发现需要进行植保时，就得用到携带喷洒设备的无人机系统，作为全系统中的执行终端，它自身需要集成多个模块才能确保完成任务。首先，陀螺仪与气压计通过不断采集加速度和角速度数据，然后进行姿态解算得到当前的ROLL(横滚角)、PITCH(俯仰角)、和YAW(偏航角)，在结合PPM调制信号得到目标角度，从而做出相应动作。但由于加速度计和角速度计对YAW角的解算具有无法规避的误差，所以加装了磁力计，为了数据传递的速度足够快，并且传输数据足够稳定，三者均使用了SPI总线进行通信,而没有用IIC总线协议通信。为了控制喷洒浓度和范围，我们需要对无人机飞行高度进行设定，因此用到了大功率超声波配合定高算法进行定高。有时，可能需要对农田中的某一区域进行重点作业，这就需要无人机定点功能较强，所以加装了optical flow(光流)，且光流模块协议简单，使用串口协议即可。为了能让无人机精确地按照规划路径运动，要在上面加装GPS定位模块。最终，以PWM(脉宽调制)控制四个电机飞行，完成对农田的喷洒植保动作。如图6所示。

图6 无人机子系统组成

1) 光流模块：我们在无人机上加装光流模块进行定点操作，所谓光流就是通过检测图像中光电和暗点的移动，判断图像中像素点相对于飞行器的速度。对速度进行积分可得到位移，利用光流返回的位置或速度信息，形成闭环控制，可以实现定点操作，本设计采用的是up_flow光流模块，它的有效距离是0 m～7 m，采用UART接口通信，波特率可达19 200，数据刷新频率可达到50 Hz，供电电源支持3.0 V～5.0 V，功耗在0.15 W以内，是一款性能优良的传感器，在处理精度和速度上均可满足需要。

2) GPS模块：本设计采用的GPS定位模块是ATGM332D模块，它采用了重科微电子公司的模组方案，支持北斗，GPS双定位，采用串口通信，最大可达到115 200 bps。且其具有极强的搜星能力(<32S)，定位效果十分精确。供电电源在3.3 V～5 V。总的来说适合符合高性能，低功耗的应用场合。

3) 加速度计、角速度计：无人机的姿态解算是控制它的基础，所以我们应该较为精确的测出三轴加速度及三轴角速度从而为控制打下基础。本设计这里采用了ICM-20602模块，它自身集成了陀螺仪和加速度计的功能，故可同时测出实时加速度和角速度，十分方便。供电电源为3.3 V～5 V，支持SPI以及IIC两种通信协议，在此使用了SPI协议，因为SPI最快能够达到10M的速率，远远高于IIC的400K。20.32 mm*12.7 mm的尺寸十分小巧，便于集成。

4) 磁力计：无人机的航向角是无法通过加速度计和角速度计准确解算出来的，总会存在一定量的误差，所以本设计采用了RM3100地磁传感器模块。RM3100是一款精准的模块，它的重量只有1 g，测量角度误差在0.01°之内，但是磁场测量程很宽，达到+/-800uT，同样支持高速的SPI通信协议。

图7 无人机平台作业流程图

无人机平台的基本工作流程如图7所示，当操作者在无人机地面站设定航线之后，首先无人机开始先达到程序预先设定的高度(高度可以通过客户端自由设定)，随后开始按照指定的航行路线进行植保作业，当无人机检测到自身的电量和所携带的农药不够用的时候，将会以直线即最短路径快速返回。在加装电量和农药之后继续进行植保操作，重复几次相关动作直到完成所有步骤之后结束操作。

3 结论

在土壤监测子系统内装载的传感器会将实时侦测到的数据传到云数据平台之后，通过APP告知使用者基本环境情况，从而决定是否利用无人机平台对目标区域进行植保，当发现需要植保操作后，则利用无人机进行作业，根据其写好的软件走如图6的工作流程。这套设计极大程度的实现了对农田的精准化，科学化管理，不仅可以实现远距离的无线操作，更做到了对农田的人员精简管理，比传统农业更加智能化。随着科技成果不断步入我们的生活，我们的生活品质和工作的效率也不断的提升，智能植保便是一个典型的例子。将来还会有越来越多的科技成果涌入，因此，我们也需要紧跟时代发展的步伐，不断的将科技成果综合运用到我们的工作中来，不断的提升自己对新兴科技产品的运用，更好的服务于社会，造福于社会。