基于Mavlink协议的植保无人机地面监测终端设计

呼云龙　胡金山　丁潇　林萌萌

摘要 [目的]针对我国植保无人机作业过程中出现的重喷、漏喷、喷洒不均匀、无药、断药等问题，设计一款基于Mavlink协议的植保无人机地面监测终端。[方法]终端以STM32F103ZET6为核心控制器件、SIM808为GPRS通信器件，实现植保无人机作业过程中位置、飞行姿态、系统状态、喷洒状态等数据的解析及上传。[结果]通过田间实验表明，植保无人机地面监测终端解析并上传参数与地面站软件获取的实际数据相一致。[结论]该设计为植保无人机作业监管提供了可靠的数据支撑，推动了植保无人机作业监管进程，具有较强的应用价值。

关键词 Mavlink V1.0协议；无人机植保；植保过程监测；JT/T-808（2013）协议

中图分类号 S251 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）27-0189-04

Terminal Design of Plant Protection UAV Ground Monitoring Based on Mavlink Protocol

HU Yunlong，HU Jinshan，DING Xiao et al

（Harbin Aerospace Star Data System Technology Co.，Ltd， Harbin，Heilongjiang 150028 ）

Abstract [Objective]A plant protection UAV ground monitoring terminal based on Mavlink protocol is designed to solve the problems of respraying，leak spraying， nonuniform spraying，no insecticide，and drug discontinuation in the process of plant protection UAV operation in China.[Method]The terminal takes STM32F103ZET6 as the core controller and SIM808 as the GPRS communication device，which can resolve and upload the data of position，flight attitude， system state and spray state in the process of plant protection UAV operation.[Result]Field experiments show that：the parameters parsed and uploaded by plant protection UAV ground Monitoring terminal are consistent with the actual data obtained by the earth station software.[Conclusion]This design provides reliable data support for the operation supervision of plant protection UAV，and promotes the process of operation supervision of plant protection UAV，which has strong application value.

Key words Mavlink V1.0 protocol；Plant protection UAV；Plant protection process monitoring；JT/T-808（2013） protocol

基金项目 中央引导地方科技发展專项（K-K-S-2YYDDF-17）；黑龙江省农业大数据关键技术研究（K-K-I-NYDSJ-16）。

作者简介 呼云龙（1987—），男，黑龙江哈尔滨人，助理工程师，硕士，从事信息系统集成工作。

收稿日期 2018-05-30

植保无人机作业具有作业效率高、漂移少、对环境污染低、喷洒均匀、作业成本低等优点，被广泛应用于中耕作业及病虫害防治中[1-3]。随着无人机植保技术的发展及植保无人机试点补贴的推广，我国植保无人机行业呈现井喷式发展，截至2016年6月底，植保无人机保有量4 890架，作业总面积47.6万hm2/次，2015年底植保无人机保有量2 322架，作业总面积76.9万hm2/次，整体趋势呈现直线上升状态[4]。

目前国内植保无人机作业过程缺少有效的监管技术手段，导致重喷、漏喷、喷洒不均匀、无药、断药等问题。为保证无人机植保服务质量，提升管理部门监管水平，笔者依托Mavlink V1.0协议设计了一款无人机地面监测终端，实现了无人机植保作业过程中无人机位置、飞行姿态、系统状态、喷

洒装置状态等数据的解析及上传。

1 终端工作流程

植保无人机地面监测终端具备数据接收、数据解析、交互通信等功能。其数据处理流程如图1所示，首先，通过无人机数传电台获取飞控数据，并根据Mavlink V1.0协议解析系统状态、飞行姿态、喷洒装置、位置等信息；其次，与接入网关建立TCP/IP链接，并依据JT/T-808协议完成终端注册、鉴权、终端心跳的发送以及应答解析；再次，根据解析的数据组合JT/T-808位置汇报数据帧上传至接入网关；最后，根据通用应答判断网络连接状态，若处于通信盲区，则存储该位置汇报数据帧，若恢复通信，则使用定位数据批量上传数据帧补传存储数据。

2 通信协议介绍

2.1 Mavlink V1.0协议简介

2.1.1 数据结构。

MavLink V1.0协议是一种用于小型无人载具的通信协议，该协议被广泛用于地面站与无人载具之间的通信以及载具内部子系统内部通讯中。协议中规定以0xFE作为帧头，以CRC16校验位为帧尾，并以此区分当前接收的0xFE是否为起始标识，数据结构详细说明参照MavLink V1.0通用协议标准[5-7]。

2.1.2 负载信息。

负责信息内容由Message ID决定，为获取无人机位置、姿态、喷洒状态等信息，终端需解析Message ID为0x01（系统状态）、0x02（时间）、0x18（GPS原始数据）、0x1E（姿态）、0x21（整形定位数据）、0x0A（喷洒装置）的数据帧。该研究以整形定位数据为例进行负载信息的简要介绍，其数据结构如表1所示，终端通过解析该负载信息，获取经纬度、相对高度等数据。

2.2 JT/T-808（2013）协议简介

2.2.1 数据结构。

终端与接入网关间采用JT/T-808（2013）协议交互通信。协议每条消息由标识符、消息头、消息体、校验位、标识符组成，规定以0x7e作为标识符，以消息头首位至消息体最后一位的异或校验结果作为校验位[8]。

2.2.2 位置汇报消息体。

位置汇报数据帧用于植保无人机监控数据上传，其消息体由基本信息和附加信息项列表组成，其中位置基本信息用于传输解析的无人机位置数据，附加信息项列表用于组合获取的相对高度、姿态、喷洒状态、电池余量等信息，其数据结构如表2所示。

3 系统组成及软硬件设计

3.1 支撑硬件设计

硬件平台以STM32F103ZET6作为MPU协调各部分电路的运行、通过SIM808芯片与接入网关进行GPRS通信、以W25Q128芯片存储通信盲区数据、使用AT24C02存储终端ID及手机号码，电路板采用4层PCB设计，外置SIM卡、GPRS天线、SBUF、RS485/CAN、RS232/TTL、SWD接口，采用5V直流供電。系统硬件结构如图2所示。

3.2 嵌入式软件设计

3.2.1 软件功能结构。

嵌入式软件是系统实现设计功能的重要支撑，软件由BSP驱动、UCOSIII操作系统组成，其中BSP驱动包括时钟、串口、定时器、SPI FLASH、ERROM、环形队列、窗口看门狗的配置及初始化；UCOSIII操作系统调度4个应用任务、2个软件定时器实现数据解析、交互通信功能；软件组成如图3所示。

3.2.2 软件业务流程。

系统上电完成初始化及创建应用任务后，UCOSIII内核根据任务优先级调度任务1、4。任务1每间隔1 s执行1次，实现任务1通信盲区数据储存、无人机管理平台指令解析、网关连接状态监测等功能，在执行40次任务1后单次执行任务3，完成标志位读取、手机号读取、建立TCP/IP连接、终端注册；其中无人机管理平台指令解析流程如图4所示，终端接收到平台回复的注册应答后，进行终端鉴权，在鉴权成功后开启任务2，实现终端心跳、位置汇报、定位数据批量上传功能。

任务4每间隔30 ms执行1次，实现对负载信息的解析，其执行流程如图5所示。首先，读取环形队列中存储的数据，提取完整的Mavlink数据帧；其次，解析Mavlink数据帧提取负载信息；最后，根据Message ID解析负载信息，获取无人机位置、飞行姿态、电池余量、喷洒状态等信息。

4 田间实验验证

2017年7月25—31日期间哈尔滨航天恒星数据系统科技有限公司联合五常农委、天津航天中为科技有限公司在黑龙江省五常市内选取66.67 hm2水稻田进行无人机植保作业应用示范，无人机植保作业现场如图6a所示，植保无人机地面监测终端实物如图6b所示。在此次无人机植保应用示范中使用植保无人机地面监测终端解析并上传无人机位置、飞行姿态、电池余量等信息，其植保作业轨迹如图7所示。

从图7可以看出，植保无人机受飞控手视力、风速、风向等因素影响出现红色重喷区域以及灰色漏喷区域，其与现场作业情况一致。

以电池余量为例，根据图7中各轨迹点电池余量与无人机地面站软件获取的电池余量数据绘制图8。从图8中可以看出，无人机管理系统中电池余量点均落在地面站软件电池余量变化曲线上。与电池余量类似位置、流量、相对地面高度、电池余量、药箱余量等信息均与地面站软件获取的实际数据相一致，可以满足用户对植保无人机作业监管的需求。

5 结论

该研究从植保无人机作业监管的实际需求出发，完成了植保无人机地面监测终端的设计。从系统数据处理流程、通信协议、系统组成、田间实验等方面对终端进行详细的阐述。

田间实验表明，植保无人机地面监测终端解析并上传的位置、流量、相对地面高度、电池余量、药箱余量等信息与地面站软件获取的实际数据相一致，可以满足用户对植保无人机作业监管的需求。

由于通信协议的限制，目前只适用于符合Mavlink V1.0协议的植保无人机，对大疆、广州极飞、亿航科技等公司生产的植保无人机还不具备通用性。

参考文献

[1] 杨泽，郑立华，李民赞，等.基于R树空间索引的植保无人机与植保作业匹配算法[J].农业工程学报，2017，33（S1）：92-98.

[2] 王宇，陈海涛，李煜，等.基于Grid-GSA算法的植保无人机路径规划方法[J].农业机械学报，2017，48（7）：29-37.

[3] 袁玉敏.农业植保无人机高精度定位系统研究与设计-基于GPS和GPRS[J].农机化研究，2016（12）：227-231.

[4] 周志艳，明锐，臧禹，等.中国农业航空发展现状及对策建议[J].农业工程学报，2017，33（20）：1-13.

[5] 吕强，倪佩佩，王国胜，等.DSP的MAVLink微型无人机通信协议移植与应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2014（11）：3-8.

[6] 张佳.基于无线通信网络的无人机监控系统设计[J].自动化与仪表，2017，32（5）：22-25.

[7] 骆贞平.多旋翼飞控芯片中MAVLink 协议电路的设计与测试[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.

[8] 孙江正.基于部标的北斗双模行驶记录仪的研究与设计[D].兰州：兰州交通大学，2016.