基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的植保無人機通信系統(tǒng)設計

易 丹

(廣州鐵路職業(yè)技術學院,廣州 510430)

0 引言

植保無人機是指在農(nóng)業(yè)與森林環(huán)境中,用于對農(nóng)作物與森林進行保護的無人駕駛飛機。植保無人機通常由飛行器與配套作業(yè)工具組成。地面操作人員通過遙控或者飛行器通過自帶飛控系統(tǒng),實現(xiàn)農(nóng)作物與森林環(huán)境中的植保任務。根據(jù)搭載的作業(yè)工具不同,植保無人機可完成不同的作業(yè)任務,如農(nóng)藥噴霧、葉面施肥及人工授粉等[1]。隨著植保無人機的快速發(fā)展及配套作業(yè)工具的改進,其綜合技術不斷的成熟,在我國農(nóng)作物及森林相關植保領域得到廣泛應用。與傳統(tǒng)的農(nóng)作物及森林相關植保手段相比,植保無人機工作更精確高效,其環(huán)保智能的特點,使農(nóng)作物及森林相關植保作業(yè)更加簡單[2]。目前,對農(nóng)作物及森林相關植保無人機應用發(fā)展造成影響的關鍵因素是無人機通信飛控系統(tǒng)信息傳輸通道邏輯分配不合理,造成通信控制過程中出現(xiàn)大量的冗余通信信息,且該類信息占據(jù)了大量的通信資源[3-6]。

普通無人機通信系統(tǒng)由射頻發(fā)射、接收模塊及電路模塊組成,使通信性能指標大幅度提升,為無人機之間的聯(lián)合通信提供了最基礎的技術支持。在現(xiàn)有無人機軟件的基礎上,可實現(xiàn)系統(tǒng)串口通信,通信代碼需要獨立編寫與調(diào)試,對于每一段通信代碼都需確?？蓪崿F(xiàn)無人機之間進行聯(lián)合數(shù)據(jù)通信[7-8]。隨著無人機使用場景及配套作業(yè)工具的不斷發(fā)展,利用代碼實現(xiàn)通信的串口系統(tǒng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸通道分配不合理現(xiàn)象,出現(xiàn)大量的冗余信息,降低了無人機通信系統(tǒng)的運行效率[9]。

在植保無人機通信系統(tǒng)設計過程中,引入物聯(lián)網(wǎng)設計原理,在原通信系統(tǒng)硬件及串口代碼基礎上,進行改進設計,使植保無人機通信系統(tǒng)硬件模塊發(fā)展成為由兩組完全獨立的模塊組成的通信系統(tǒng)硬件模塊,且物聯(lián)網(wǎng)框架與聯(lián)合通信接口不干擾現(xiàn)有系統(tǒng)的正常運行。通信系統(tǒng)軟件分配模塊中每一環(huán)節(jié)在進行通信數(shù)據(jù)單獨調(diào)取,大大降低了系統(tǒng)運行時間。試驗數(shù)據(jù)表明：基于物聯(lián)網(wǎng)框架設計的植保無人機通信系統(tǒng)實用性、可行性更強。

1 物聯(lián)網(wǎng)框架設計

植保無人機通信系統(tǒng)硬件設計過程中,引入相對穩(wěn)定的物聯(lián)網(wǎng)框架,形成新型固定的設計模式,確保植保無人機通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)在封裝條件下能夠進行輸出數(shù)據(jù)狀態(tài)查詢及聯(lián)合通信?？刂破髯鳛槲锫?lián)網(wǎng)框架的重要組成部分,對植保無人機通信數(shù)據(jù)的傳輸功能進行定義,并對其傳輸路徑進行優(yōu)化,使植保無人機通信數(shù)據(jù)能夠在最短傳輸路徑進行擴散。物聯(lián)網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)框架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of Internet of things framework

2 聯(lián)合通信接口設計

植保無人機通信數(shù)據(jù)的接收與傳輸完全依賴于串口設備完成,該串口設備與無人機系統(tǒng)工控機模塊連接,接收傳輸數(shù)據(jù)過程中同時對數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理,且可在半雙工數(shù)據(jù)傳輸模式下,利用雙絞線處理的方式對至少兩架無人機進行數(shù)據(jù)通信[10];同時,相鄰無人機之間的通信數(shù)據(jù)傳輸可以利用差分信號的邏輯連接差實現(xiàn)。與普通串口通信方式相比,差分信號傳輸方式可明顯降低聯(lián)合控制系統(tǒng)上位機電平,無需轉(zhuǎn)化芯片進行電平轉(zhuǎn)換,使通信系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成明顯簡化。聯(lián)合通信接口的電路原理圖如圖2所示。

圖2 聯(lián)合通信接口電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of joint communication interface circuit

3 數(shù)據(jù)接收與傳輸模塊設計

3.1 數(shù)據(jù)接收模塊設計

基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的植保無人機通信系統(tǒng),以網(wǎng)絡管理的角色,對接收進入通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)按照節(jié)點進行控制,從而實現(xiàn)聯(lián)合通信系統(tǒng)的信息接收。當植保無人機通信系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點發(fā)生變化時,其他無人機傳輸來的通信數(shù)據(jù)無法進行接收,通信接收模塊的終端節(jié)點啟動,通過原有的系統(tǒng)串口完成植保無人機通信數(shù)據(jù)的臨時存儲功能,同時改變數(shù)據(jù)通信通道,實現(xiàn)臨時的數(shù)據(jù)接收與存儲。

基于物聯(lián)網(wǎng)的新型聯(lián)合通信系統(tǒng),是指在通信系統(tǒng)接收通信數(shù)據(jù)信息的同時,可根據(jù)系統(tǒng)設定的接收函數(shù)模式,對通信數(shù)據(jù)進行篩選處理,將處理結(jié)果反饋至聯(lián)合通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)后續(xù)聯(lián)合通信系統(tǒng)對接收信息數(shù)據(jù)的調(diào)用。為基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的植保無人機通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收模塊的工作流程圖,如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)接收模塊工作流程圖Fig.3 Work flow diagram of data receiving module

當物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)設置N個正交載波時,通信基站設置單天線發(fā)射,同時對不同的天線潛在用戶進行服務,并假設潛在用戶數(shù)多于正交載波。由此可以得出：在t時刻,第n個正交載波接收到的數(shù)據(jù)可以表示為

其中,ωnt為第n個正交載波在t時刻的噪聲信號。

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中每個用戶的載波分配向量具有稀疏性,且每個用戶的稀疏向量的非零元素位置不同,進而可以根據(jù)信道稀疏特征區(qū)分用戶,避免了增加用戶地址碼帶來的低效傳輸問題。

假定非零的信道衰落系數(shù)服從均值為0方差為σ的高斯分布。根據(jù)先驗概率和接收數(shù)據(jù)關系,利用變量間的隱馬爾可夫特性,可對全局所有發(fā)送、接收數(shù)據(jù)和中間變量可表示為

3.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊設計

基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的植保無人機通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模塊,保留原有的串口通信協(xié)議,在原通信協(xié)議基礎上,對不同頻段的無人機通信數(shù)據(jù)進行劃分。植保無人機通信系統(tǒng)采用主頻率為2.4GHz的數(shù)據(jù)傳輸處理裝置,為通信系統(tǒng)信息傳輸模塊提供不少于16個數(shù)據(jù)傳輸頻段。為避免信息傳輸通道分配不合理現(xiàn)象,基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的植保無人機通信系統(tǒng)對通信協(xié)議棧程序進行修改,修改后的數(shù)據(jù)傳輸通道始終保持20個穩(wěn)定的數(shù)據(jù)頻段,相鄰頻段之間的通信模式也完全使用棧內(nèi)通信傳輸連接。為基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的植保無人機通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模塊設計原理圖,如圖4所示。

圖4 聯(lián)合通信數(shù)據(jù)傳輸模塊原理圖Fig.4 Schematic of joint communication data transmission module

3.3 通信系統(tǒng)顯示模塊設計

基于物聯(lián)網(wǎng)框架植保無人機通信系統(tǒng)可在通信數(shù)據(jù)發(fā)出待傳輸?shù)耐瑫r,對信息中的有效信息進行篩選,提升通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率[11]?；谖锫?lián)網(wǎng)框架實現(xiàn)的通信接口協(xié)議,對顯示主程序進行信息篩選分析[12],根據(jù)分析結(jié)果,完成物聯(lián)網(wǎng)框架植保無人機通信系統(tǒng)初始化程序處理。

4 通信系統(tǒng)電路設計

所設計的無人機通信系統(tǒng)依托于 STC60S2系列單片機,單片機電路如圖5所示。為實現(xiàn)植保無人機之間相互通信的正常進行,并起到植保系統(tǒng)的監(jiān)測作用,植保無人機傳感器及各單機通信電路如圖6所示。

圖6 傳感器與通信電路圖Fig.6 Circuit diagram of sensor and communication

為達到正常的通信和降低噪音的目的,除系統(tǒng)控制電路和傳感器電路外,額外設計相關輔助電路?；贏MS1117-3.3 的電源轉(zhuǎn)化電路,實現(xiàn)不同傳感器用電電壓與通信系統(tǒng)用電電壓的轉(zhuǎn)換;基于VS1003B 解碼芯片的解碼電路和 TF 卡電路,實現(xiàn)臨時的信息存儲和不同頻域信號之間的相互解調(diào),同時對聲音信號進行載波分析;OLED 驅(qū)動顯示電路,實現(xiàn)數(shù)據(jù)接口的相互轉(zhuǎn)換。

硬件調(diào)試主要包括測試各部分的焊接情況及各硬件部分能否完成設計功能,如測試是否有短路和虛焊、測試輸入輸出電壓、測試 ISP 下載和測試串口通信。由于顯示系統(tǒng)功能的測試需要軟件配合,所以在硬件調(diào)試部分只測試單片機復位電平,功能部分測試放在系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試部分完成。

5 試驗結(jié)果與分析

基于物聯(lián)網(wǎng)框架植保無人機通信系統(tǒng)搭建完成后,對系統(tǒng)進行驗證,模擬植保無人機的真實運行環(huán)境,進行對比試驗。設置對照組試驗為普通通信系統(tǒng),設置試驗組為基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)建立的通信系統(tǒng),分別記錄對比兩組試驗數(shù)據(jù)。表1為試驗組與對照組信息傳輸通道分配比,表2為試驗組與對照組有效信息占比。

表1 信息傳輸通道分配比Table 1 Ratio of information transmission channel

表2 有效信息傳輸占比Table 2 Proportion of effective information transmission

由表1可以看出：試驗組最大DXV與最小DXV之間差值為14.63%,對照組最大DXV與最小DXV之間差值為51.77%,對照組最大最小DXV指標差值遠大于試驗組最大最小DXV指標差值。由此可以證明,基于物聯(lián)網(wǎng)建立的無人機通信系統(tǒng),可以大大降低信息傳輸過程中信息傳輸通道分配不合理的概率。

對表2數(shù)據(jù)進行分析計算得出：基于物聯(lián)網(wǎng)建立的無人機通信系統(tǒng),有效信息傳輸占比為80.36%,對照組有效信息傳輸占比為55.36%。由此可以證明,基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)建立的無人機通信系統(tǒng)可以有效提高通信數(shù)據(jù)傳輸效率。

6 結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)建立的植保無人機通信系統(tǒng),對原有的普通串口通信系統(tǒng)軟件及硬件進行改進設計,有效降低了信息傳輸過程中信息傳輸通道分配不合理的概率,大幅度提高通信數(shù)據(jù)傳輸效率。