四旋翼UAV平台农田信息采集系统设计

赵晓初 王 暄 贺智涛

（1.北京天利弘远机电有限公司，中国 北京 102206；2.辽宁立德电力工程设计有限公司，辽宁 沈阳 110126；3.河南科技大学农业工程学院，河南 洛阳 471003）

0 引言

及时、准确地获取农田环境信息是进行精准农业生产的关键[1]。目前，实时农田环境信息获取技术远落后于其他支持技术[2]。卫星遥感受其运行周期限制，时效性较差，难以满足精准农业对局部精准和实时监控的获取要求[3]。手持式和基于地面车辆的农田信息采集装置由于其功能和视野限制，在田间行走不便，效率相对较低[3-5]。低空遥感获取技术机动性高、成本低，可以快速、实时检测农田环境，获取分辨率较高的农田信息，在较小范围内实施精准农业的情况下，低空农田信息获取系统有着更好的发展前景[6]。

与固定翼飞机相比，旋翼无人机（UAV）的突出优点是能够垂直起降和实现悬停，而四旋翼无人机可以通过反扭矩作用使无人机扭矩平衡，不需要专门的反扭矩桨，所以这种无人机设计简单，且采用四螺旋桨结构可以提高负载能力。农田地理环境复杂，如果采用有线方式进行数据传输，则需要架设专门的传输线路，施工、维护难度都较大，而无线信息传输比传统的有线信息传输更为灵活。因此基于小型四旋翼UAV的农田信息采集平台更具研究意义和实际应用价值[7-8]。

1 农田信息无线采集系统设计

农田信息无线传输系统以无线收发模块为基础，由单片机控制，采集农田中温湿度数据，以射频形式发射出去，最后由接收端通过预先设定的协议接收，并通过串口传输到电脑。

无线传输系统结构如图1所示，在地面站对四旋翼无人机进行航迹规划，由四旋翼无人机携带无线发射端巡航至农田指定地点，通过传感器采集温湿度数据再由无线发射模块进行发射，接收端收到数据后通过RS-232串口将数据发送到地面站计算机。

本系统MCU部分选用STC89C52低功耗、高性能CMOS 8位微控制器。

无线收发芯片种类比较多，选择无线收发芯片时主要考虑因素包括功耗、发射功率、传输距离、传输速度、接收灵敏度、芯片开发成本等。常见的几种短距离射频通信芯片的性能如表1所示。

nRF系列无线收发器都是挪威Nordic公司推出的单片射频发射器芯片。与nRF401和nRF905芯片相比，nRF24L01模块外围芯片少，封装小，管脚较小，能够有效减少PCB面积，降低成本；同时收发天线合一，功耗低、速率高。

nRF24L01工作在2.4GHz-2.5GHz世界通用的ISM频段。在发射模式下发送功率为-6dBm时电流消耗为9mA，接收模式时为12.3mA，功耗最低。数据传输率为1或2Mbps，具有自动应答及自动重发功能，内置完整通信协议和CRC校验，通过SPI接口完成通信。

表1 几种射频芯片性能参数对比

DHT11数字温湿度传感器是Sensiron公司研制的一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，可与高性能8位单片机接口。其主要特点是体积小、功耗低，4针引脚封装，连接方便。DHT11传感器是通过单总线协议和上位机进行数据通信，节省I/O口资源。

2 电路设计

2.1 电源电路

接收端直接与电脑连接，因此可直接采用USB供电即可。发送端由于安装在无人机上，需要专门设计电源电路。STC89C52单片机采用5V电压供电，而nRF24L01模块最高供电电压3.3V，因此需要采用稳压稳流输出芯片。供电模块采用三端稳压集成电路L7805，该电路内置短路保护和热保护电路，电源输入采用无人机的锂电池供电，输入电压为16V左右，输出电压为5V。

nRF24L01的供电电压最大应小于3.5V，最大电流小于10mA。采用AMS1117-3.3V三端稳压芯片，最大输出电压为3.267-3.333V，静态电流最大为10mA。通过测量单片机输出电路，实际测量所得电压为3V，通过对P1口置高电位，测量P1口和地之间输出电流为25uA，电流和电压均满足要求。

为了减少电磁干扰，保证传输性能，需要增加滤波电容和二极管，以改善电路的抗电磁干扰性能，同时在电路板空余地方增加0.1uF的电容，可保证系统的电源电压稳定。

2.2 显示电路

本文采用1602字符型液晶模块，它可显示字母、数字、符号等点阵类型内容，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。接口电路如图3所示。

2.3 nRF24L01模块电路

nRF24L01芯片在设计电路时，由于高频电路的元件摆放位置和线路的布置对芯片的功耗和传输距离都有很大影响，因此本设计直接使用成品模块，电路原理图如图4所示。

由于nRF24L01模块的传输距离比较近，理论传输距离最远只有100m，因此需要进行功率放大。功率放大器位于放大电路的发射端，采用AWT6264芯片。它可为2.3-2.7GHz频段的WiMAX应用提供高输出功率、良好线性度和高效率，可提供+25dBm的线性输出功率，2.5%的EVM，32dB的射频增益，24%的功率效率。进行功率放大以后，通信距离可扩展至500-1000m。

2.4 温湿度采集电路

DHT11数字温湿度传感器采用单总线数据格式，只有1个管脚2与单片机接口相连，实现与单片机双向数据传输。由单片机发送控制信号，传感器收到信号进行数据采集，并将温湿度转换成0和1反馈给单片机。所有的信号除主机启动复位信号外，全部都由DHT11产生。

3 结论

本文提出了基于四旋翼UAV平台的农田信息采集系统功能模型，给出了整个系统的设计方案，进行了无线传输系统软硬件的设计。系统采用Keil进行软件程序编写，PCB电路板制作完成后进行了数据传输实验。实验结果表面，仅使用nRF24L01进行无线数据传输时，设定速率为1Mbps，传输距离50m，测得误帧率为0.52%；传输距离80m处，测得误帧率为3.21%；传输距离90m出，误帧率增加到28.44%。通过对nRF24L01模块加上功率放大器AWT6264和低噪声放大器RF3857之后，通信速率1Mbps，距离1000m处的误帧率为1.74%，500m处误帧率0.74%，完全可以满足农田环境中无线信息的传输要求。

[1]姬江涛,扈菲菲,贺智涛,等.四旋翼无人机在农田信息获取中的应用[J].农机化研究,2013,35(2):1-4.

[2]孟志军,王秀,赵春江,等.基于嵌入式组件技术的精准农业农田信息采集系统的设计与实现[J].农业工程学报,2005,21(4):91-96.

[3]台社红,李国靖,周淑芳,等.卫星遥感北京农业应用[C]//全国农业遥感与信息技术应用研讨会论文集.2010:85-98.

[4]杨玮,李民赞,王秀,等.农田信息传输方式现状及研究进展[J].农业工程学报,2008,24(5):297-301.

[5]钱燕,尹文庆,张美娜,等.精准农业中农田信息传输方式的研究进展[J].浙江农业学报,2010,22(4):539-544.

[6]LARA D,ROMERO G,SANCHEZ A,et al.Robustness margin for attitude control of a four rotor mini-rotorcraft;Case of study[J].Mechatronics,2010,20(1):143-152.

[7]竹林村,胡开全.几种低空遥感系统对比分析[J].城市勘测,2009(3):65-67.

[8]庞庆霈,李家文,黄文浩,等.四旋翼飞行器设计与平稳控制仿真研究[J].电光与控制,2012,19(3):51-55.