基于物联网架构的植保无人机通信系统设计

易 丹

(广州铁路职业技术学院,广州 510430)

0 引言

植保无人机是指在农业与森林环境中,用于对农作物与森林进行保护的无人驾驶飞机。植保无人机通常由飞行器与配套作业工具组成。地面操作人员通过遥控或者飞行器通过自带飞控系统,实现农作物与森林环境中的植保任务。根据搭载的作业工具不同,植保无人机可完成不同的作业任务,如农药喷雾、叶面施肥及人工授粉等[1]。随着植保无人机的快速发展及配套作业工具的改进,其综合技术不断的成熟,在我国农作物及森林相关植保领域得到广泛应用。与传统的农作物及森林相关植保手段相比,植保无人机工作更精确高效,其环保智能的特点,使农作物及森林相关植保作业更加简单[2]。目前,对农作物及森林相关植保无人机应用发展造成影响的关键因素是无人机通信飞控系统信息传输通道逻辑分配不合理,造成通信控制过程中出现大量的冗余通信信息,且该类信息占据了大量的通信资源[3-6]。

普通无人机通信系统由射频发射、接收模块及电路模块组成,使通信性能指标大幅度提升,为无人机之间的联合通信提供了最基础的技术支持。在现有无人机软件的基础上,可实现系统串口通信,通信代码需要独立编写与调试,对于每一段通信代码都需确保可实现无人机之间进行联合数据通信[7-8]。随着无人机使用场景及配套作业工具的不断发展,利用代码实现通信的串口系统出现数据传输通道分配不合理现象,出现大量的冗余信息,降低了无人机通信系统的运行效率[9]。

在植保无人机通信系统设计过程中,引入物联网设计原理,在原通信系统硬件及串口代码基础上,进行改进设计,使植保无人机通信系统硬件模块发展成为由两组完全独立的模块组成的通信系统硬件模块,且物联网框架与联合通信接口不干扰现有系统的正常运行。通信系统软件分配模块中每一环节在进行通信数据单独调取,大大降低了系统运行时间。试验数据表明：基于物联网框架设计的植保无人机通信系统实用性、可行性更强。

1 物联网框架设计

植保无人机通信系统硬件设计过程中,引入相对稳定的物联网框架,形成新型固定的设计模式,确保植保无人机通信系统数据在封装条件下能够进行输出数据状态查询及联合通信。控制器作为物联网框架的重要组成部分,对植保无人机通信数据的传输功能进行定义,并对其传输路径进行优化,使植保无人机通信数据能够在最短传输路径进行扩散。物联网框架结构示意图如图1所示。

图1 物联网框架结构示意图Fig.1 Sketch of Internet of things framework

2 联合通信接口设计

植保无人机通信数据的接收与传输完全依赖于串口设备完成,该串口设备与无人机系统工控机模块连接,接收传输数据过程中同时对数据进行规范化处理,且可在半双工数据传输模式下,利用双绞线处理的方式对至少两架无人机进行数据通信[10];同时,相邻无人机之间的通信数据传输可以利用差分信号的逻辑连接差实现。与普通串口通信方式相比,差分信号传输方式可明显降低联合控制系统上位机电平,无需转化芯片进行电平转换,使通信系统整体结构组成明显简化。联合通信接口的电路原理图如图2所示。

图2 联合通信接口电路原理图Fig.2 Schematic diagram of joint communication interface circuit

3 数据接收与传输模块设计

3.1 数据接收模块设计

基于物联网架构的植保无人机通信系统,以网络管理的角色,对接收进入通信系统的数据按照节点进行控制,从而实现联合通信系统的信息接收。当植保无人机通信系统的物联网节点发生变化时,其他无人机传输来的通信数据无法进行接收,通信接收模块的终端节点启动,通过原有的系统串口完成植保无人机通信数据的临时存储功能,同时改变数据通信通道,实现临时的数据接收与存储。

基于物联网的新型联合通信系统,是指在通信系统接收通信数据信息的同时,可根据系统设定的接收函数模式,对通信数据进行筛选处理,将处理结果反馈至联合通信系统数据库,实现后续联合通信系统对接收信息数据的调用。为基于物联网架构的植保无人机通信系统数据接收模块的工作流程图,如图3所示。

图3 数据接收模块工作流程图Fig.3 Work flow diagram of data receiving module

当物联网通信系统设置N个正交载波时,通信基站设置单天线发射,同时对不同的天线潜在用户进行服务,并假设潜在用户数多于正交载波。由此可以得出：在t时刻,第n个正交载波接收到的数据可以表示为

其中,ωnt为第n个正交载波在t时刻的噪声信号。

在物联网系统中每个用户的载波分配向量具有稀疏性,且每个用户的稀疏向量的非零元素位置不同,进而可以根据信道稀疏特征区分用户,避免了增加用户地址码带来的低效传输问题。

假定非零的信道衰落系数服从均值为0方差为σ的高斯分布。根据先验概率和接收数据关系,利用变量间的隐马尔可夫特性,可对全局所有发送、接收数据和中间变量可表示为

3.2 数据传输模块设计

基于物联网架构的植保无人机通信系统数据传输模块,保留原有的串口通信协议,在原通信协议基础上,对不同频段的无人机通信数据进行划分。植保无人机通信系统采用主频率为2.4GHz的数据传输处理装置,为通信系统信息传输模块提供不少于16个数据传输频段。为避免信息传输通道分配不合理现象,基于物联网架构的植保无人机通信系统对通信协议栈程序进行修改,修改后的数据传输通道始终保持20个稳定的数据频段,相邻频段之间的通信模式也完全使用栈内通信传输连接。为基于物联网架构的植保无人机通信系统数据传输模块设计原理图,如图4所示。

图4 联合通信数据传输模块原理图Fig.4 Schematic of joint communication data transmission module

3.3 通信系统显示模块设计

基于物联网框架植保无人机通信系统可在通信数据发出待传输的同时,对信息中的有效信息进行筛选,提升通信系统的数据传输效率[11]。基于物联网框架实现的通信接口协议,对显示主程序进行信息筛选分析[12],根据分析结果,完成物联网框架植保无人机通信系统初始化程序处理。

4 通信系统电路设计

所设计的无人机通信系统依托于 STC60S2系列单片机,单片机电路如图5所示。为实现植保无人机之间相互通信的正常进行,并起到植保系统的监测作用,植保无人机传感器及各单机通信电路如图6所示。

图6 传感器与通信电路图Fig.6 Circuit diagram of sensor and communication

为达到正常的通信和降低噪音的目的,除系统控制电路和传感器电路外,额外设计相关辅助电路。基于AMS1117-3.3 的电源转化电路,实现不同传感器用电电压与通信系统用电电压的转换;基于VS1003B 解码芯片的解码电路和 TF 卡电路,实现临时的信息存储和不同频域信号之间的相互解调,同时对声音信号进行载波分析;OLED 驱动显示电路,实现数据接口的相互转换。

硬件调试主要包括测试各部分的焊接情况及各硬件部分能否完成设计功能,如测试是否有短路和虚焊、测试输入输出电压、测试 ISP 下载和测试串口通信。由于显示系统功能的测试需要软件配合,所以在硬件调试部分只测试单片机复位电平,功能部分测试放在系统联合调试部分完成。

5 试验结果与分析

基于物联网框架植保无人机通信系统搭建完成后,对系统进行验证,模拟植保无人机的真实运行环境,进行对比试验。设置对照组试验为普通通信系统,设置试验组为基于物联网架构建立的通信系统,分别记录对比两组试验数据。表1为试验组与对照组信息传输通道分配比,表2为试验组与对照组有效信息占比。

表1 信息传输通道分配比Table 1 Ratio of information transmission channel

表2 有效信息传输占比Table 2 Proportion of effective information transmission

由表1可以看出：试验组最大DXV与最小DXV之间差值为14.63%,对照组最大DXV与最小DXV之间差值为51.77%,对照组最大最小DXV指标差值远大于试验组最大最小DXV指标差值。由此可以证明,基于物联网建立的无人机通信系统,可以大大降低信息传输过程中信息传输通道分配不合理的概率。

对表2数据进行分析计算得出：基于物联网建立的无人机通信系统,有效信息传输占比为80.36%,对照组有效信息传输占比为55.36%。由此可以证明,基于物联网架构建立的无人机通信系统可以有效提高通信数据传输效率。

6 结论

基于物联网架构建立的植保无人机通信系统,对原有的普通串口通信系统软件及硬件进行改进设计,有效降低了信息传输过程中信息传输通道分配不合理的概率,大幅度提高通信数据传输效率。