单位文秘网 2021-10-27 08:11:10 点击: 次
农业部已开始应用无人机装载数码近红外相机采集田间作物信息,并取得了较好的结果。美国运输部示范性地建立了基于无人机的遥感系统,将其应用于快速获取道路运输网络的图像并对所得信息进行快速分析,应用无人机取得近实时遥感影像对地震后出现问题的道路、桥梁进行评估,用以快速确定震后救灾的路线。日本减灾组织使用RPHl和YANMAHA无人机携带高精度数码摄像机和雷达扫描仪对正在喷发的火山进行调查,抵达人们难以进入的地区快速获取现场实况,对灾情进行评估。之后,又利用YANMAHA无人机加载核生化传感器进行核污染监测,对不同地理环境,不同埋藏深度的辐射源的辐射强度的反映能力进行量化研究,为核电站及其他核设施的管理提供基础数据。
国内无人机的应用主要是利用固定翼无人机系统获得遥感信息,用于资源调查、环境监测、气象灾害评估等。轻小型无人航空遥感系统也已开始应用于国内的抗震救灾、低空航测、国土测绘等领域。韩杰等[6]分析了无人机的技术优势,阐述了无人机遥感技术的主要研究目标和研究内容,探讨我国使用无人机遥感技术的国土资源快速监察机制;马瑞升等[7]开发了一套微型无人机空中火情监测系统,并开发了相应的地面监测软件,经过试验该系统已具备单架次可完成半径30 km以内,面积80~100 km2林区巡护任务。
四旋翼飞行器是20世纪90年代后发展起来的新一代能够垂直起降(VTOL)的、多旋翼式遥控自主飞行器,其成本低、适用性强、性能稳定,特别适合在近地面环境中执行监视、侦察任务,具有广阔的军用和民用前景,已经成为国内国际各研究机构、高校的开发热点。由于四旋翼飞行器具有以下特点:①可在云下低空飞行,弥补卫星遥感在有云覆盖地区上空不能有效采集数据的缺陷。②采用四旋翼飞行器作为飞行平台,遥感数据采集成本比航天航空遥感平台低。③采用数码相机模块或高性能视频采集模块作为传感器采集数据,采集速度快分辨率高(可达10 cm以内)。④四旋翼飞行器构成的遥测遥感平台机动性强,气候适应性高,起降场地要求低。其可以作为卫星遥感的有效补充手段,将四旋翼飞行器与遥感传感器技术、远程数据传输技术、GPS定位技术相结合,可以快速获取国土、资源、环境等的空间遥感信息,具有低成本、低损耗、可重复使用且风险小等诸多优势[8,9]。
随着无人自主飞行器技术的快速发展,国内的四旋翼飞行器相关技术研究的主要内容涉及机构设计和基于惯性飞行控制等方面[10-12]。但未见运用低成本的四旋翼飞行器替代无人驾驶飞机或飞艇构建无人遥感平台的报道,将低成本、高稳定性的四旋翼飞行器和高性能嵌入式DSP数据测量处理系统、数据监控处理平台进行集成开发,实现远程、低成本航空监测是未来的发展趋势[13-15]。
2 监控预警系统方案设计
基于低空遥感技术的秸秆焚烧监控系统的研究以低成本四旋翼飞行器为载体,结合现代电子技术、物联网技术、传感技术、通信技术和计算机技术,实现秸秆焚烧火点的定位与监测信息数据的实时采集,并完成监测信息数据的无线远程传输和地面数据监控处理。秸秆焚烧监测预警系统原理框图如图1所示。整体系统可分为低空四旋翼飞行器遥感平台和地面数据监控处理中心两部分,低空四旋翼飞行器遥感平台是以四旋翼飞行器搭载高速DSP数据处理系统为核心模块的遥感数据电子采集、处理、传输系统构成[16,17];地面数据监控处理中心通过无线通信技术实现四旋翼飞行器的远程监控和GPS定位,通过嵌入式远程传输模块接收监测数据,存储多个四旋翼飞行器对多片监测区域秸秆焚烧火点的监测信息,采用计算机终端处理监测数据和视频信息[18-20]。
遥感数据电子采集、处理、传输系统中的遥感数据采集模块利用红外诊断技术监测地面秸秆堆放地区温度,通过CCD摄像头和红外热成像对秸秆焚烧火点现场进行空中遥测,获取火点评估的实时图像,利用GPS定位模块获取飞行器和火点地理坐标(经、纬度)信息[21,22];无线远程数据传输模块采用中心点对多点的方式,压缩、打包传输不同监测区域的秸秆焚烧火点信息,负责地面数据监控处理中心对遥测数据的接收,同时也上传地面数据监控处理中心的监控指令,以实现四旋翼飞行器的导航控制、遥感数据采集模块的工作状态检测、参数设定、系统维护和故障诊断功能[23,24]。
3 高速DSP数据处理系统的设计
3.1 硬件平台设计
高速DSP硬件平台是整个数据处理系统实现的硬件基础,主要由高速DSP系统、SPI通信总线、单片机通信系统构成。高速DSP系统核心模块采用TI公司的TMS320VC5416-160定点DSP芯片,分为DSP基本系统设计和DSP存储器及外部扩展设计两个部分。实际电路设计中,使用拨码开关对TMS320VC5416的MP/MC引脚、时钟模式引脚CLKMD1、CLKMD2、CLKMD3进行连接,使得在使用中具有更多的灵活性[25]。
3.1.1 DSP系统供电系统的设计 DSP的双电源可采用TI公司的电源芯片TPS73HD318实现,其输出电压分别为3.3 V和1.5 V,每路电源的最大输出电流为1 000 mA,并且带有宽度为200 ms的低电平复位脉冲,也可以直接连接到DSP芯片的复位端,在系统设计中则采用了看门狗电路,采用MAX706T芯片组成自动复位电路,实现上电复位、手动复位、电源监测、看门狗监测等功能。由TPS73HD318芯片组成的DSP双电源供电电路如图2所示。外部扩展的RAM、FLASH芯片、电平缓冲接口芯片均使用 +3.3 V电源。单片机通信系统供电,包括时钟/日历芯片、PROFIBUS-DP总线控制芯片、RS232电平转换芯片、双端口RAM等都是使用+5 V供电。
3.1.2 DSP存储器及外部扩展 TMS320VC5416己经有比较丰富的片内存储器资源,但为了使该DSP满足整个数据处理系统的需要,同时也为了满足将来对系统扩展的需要,在其外部的程序空间和数据空间分别扩展了FLASH和RAM存储器。根据DSP内存储器的映射,外部存储器地址及数据分配时把系统使用的外部存储器FLASH和RAM分配到DSP的数据区和程序区。
FLASH接口设计时主要考虑以下几个方面:DSP的引导程序采用外部16位并行Boot方式;通过DSP的仿真系统,能将程序和数据写入FLASH中;系统运行时,能从FLASH中读出程序装入到内部RAM中。在引导方式上,本设计采用外部16位并行Boot方式[26]。硬件上FLASH的接口设计选用Am29LV800B,构成512 K×16的存储空间,用来存储程序及初始化数据。FLASH与DSP的接口如图3所示。
3.1.3 单片机通信系统 单片机系统的主要是为了便于管理系统与外部的通信,STC89C58芯片具有一个双工的标准串行口,只需要外部再增加一个RS232驱动芯片就可以直接和上位机进行串行通信。STC89C58芯片内部集成MAX810专用复位电路及看门狗电路,有32 kb FLASH及1 280字节的片内RAM,FLASH可以在线擦除和写入。使用双端口RAM作为单片机与DSP的数据接口,双端口RAM芯片选用IDT公司的IDT7130LA。IDT7130LA与DSP的连接存在电平转换的问题,可以使用专门的电平转换芯片或者CPLD的IO口线进行转换,而IDT7130LA与单片机的接口就比较简单,可以直接连接,使用双端口RAM芯片两侧的中断信号INT作为单片机与DSP共享数据的同步信号。实时时钟/日历芯片选用DS12C887芯片,是美国DALLAS半导体公司推出的实时时钟芯片,DS12C887的内部采用地址/数据线复用,对它的访问需要用到单片机的ALE锁存信号[27]。
为了适应高速数据通信的需要,高速通信总线选用PROFIBUS-DP总线,使用SIEMENS公司的PROFIBUS智能控制器芯片SPC3进行设计。SPC3有8根数据线与11根地址线,其中低8位地址线与数据线复用,可连接51系列及其他多种系列类型的单片机。
3.1.4 基于McBSP的SPI总线接口设计 SPI是一种主从配置、支持一个主器件、一个或多个从器件的串行通信协议,标准的SPI协议一般使用4条信号线,即串行移位时钟线(SCK)、主机输入/从机输出线(MISO)、主机输出/从机输入线(MOSI)、低电平有效的使能信号线(S)。TMS320VC5416的多通道带缓冲的串口(McBSP)由引脚、接收发送部分、时钟与帧同步信号发生器、多通道选择以及CPU中断信号和DMA同步信号组成。McBSP工作在SPI模式时既可以作为主器件也可以作为从器件,作为主器件时发送输出信号线BDX充当主机输出从机输入MOSI的角色,而接收输入信号线BDR则充当从机输出主机输入MISO的功能。使用DSP配置而成的SPI工作于主器件模式,把McBSP配置成时钟停止模式,对串口进行初始化[28]。
在DSP外部的IO空间中利用CPLD逻辑设置一个四位的寄存器,并且利用DSP输出线设置一个开关信号控制其输出。这样当DSP(此处作为主器件)要访问某个外部从器件时,首先把输出的从器件地址写入这个IO寄存器中,然后在适当的时候打开输出使能,使4位从器件片选总线有效,这样主器件与从器件的SPI通信就可以开始了。DSP片外扩展的SPI片选总线的逻辑图如图4所示。
3.2 软件处理系统及应用
TMS320VC16-160 DSP的软件开发环境为Code Composer Studio 2.2,软件处理系统在进行监测数据处理任务之前,DSP数据处理系统先进行初始化工作,再完成SPI通信总线的任务、与单片机通信系统的数据通信任务。
3.2.1 DSP与单片机通信系统的数据通信任务 DSP与单片机的通信和数据交换主要通过中间的高速双端口RAM IDT7130LA进行,为了交换数据方便,尽量避免双端口RAM的访问冲突,根据两边数据交换数量的大小,把双端口RAM的数据单元进行了功能上的划分,规定0x000-0x2FF的数据单元归DSP输出数据使用,0x300—0x3FD的数据单元留给单片机向DSP写入数据使用。
IDT7130LA具有硬件上的邮箱功能,即该器件最高地址的两个数据字节单元(即0x3FE和0x3FF)具有特殊的同步功能。双端口RAM为左右两侧相连的处理器各提供了一组地址、数据和控制线。对单片机来讲,它向0x3FF字节单元进行一次写操作,就会触发右侧中断线向DSP发出中断信号,而在DSP响应中断后,只要对0x3FF数据单元进行一次读操作,就可以复位此中断信号;如果DSP向0x3FE字节单元进行一次写操作,就会触发左侧中断线向单片机发出中断信号,并且在单片机响应中断后,只要对0x3FE数据单元进行一次读操作,就可以复位左侧的中断信号。
3.2.2 单片机通信系统的软件处理 单片机通信部分的功能主要包括3个方面:①直接处理与上位机监控系统的串行通信,与上位机系统进行PROFIBUS-DP高速总线通信;②处理与DSP系统的数据交换;③负责处理系统的实时时钟。为了完成单片机通信系统的这些功能,在单片机程序中建立了发送及接收数据队列,单片机通过中断接收到的上位机命令及配置数据,先存储在接收队列中等待处理。为了方便处理串行通信的命令和数据,在单片机与上位机的通信中,采用自定义协议包的方式进行,单片机和上位机监控程序的设计都要遵照相同的通信协议和数据帧格式进行。
在单片机程序中建立了专门的命令解释程序,它的主要作用是完成对接收到的命令数据包进行解析,从命令字符串中分解出命令串和数据串,并根据特定命令按照事先定义好的格式完成字符串到相应数据类型的数据转换,然后再把转换好的数据写入双端口RAM的地址单元中,接着把命令字写入到双端口RAM的0x3FF地址单元,这样会触发DSP侧的中断信号。
如果DSP中断打开并且没有忙于更高级别的中断服务,DSP会响应双端口RAM中断,读取0x3FF单元中的命令码并复位此次通信中断,在SPI通信采集数据的中间空闲时间,DSP调度命令处理程序执行该命令,把上位机请求的数据写入双端口RAM中,随后向0x3FE单元写入上行命令。同样,当DSP输出数据并触发单片机侧的中断后,单片机响应中断,读取0x3FE单元的命令并复位中断信号,然后把数据和命令移入单片机RAM单元中,在附加了实时时钟数据后进行数据转换和打包处理,最后加入发送队列等待串行发送。
4 小结
基于低空遥感技术的秸秆焚烧监控系统设计方案以四旋翼飞行器为载体,整合高速DSP数据处理系统为核心模块的遥感数据电子采集、处理、传输系统,可以实现监控现场视频画面的远距离无线传输处理。该系统首次以低成本、高适应性的四旋翼飞行器为载体设计开发应用于秸秆焚烧火点监控的环境监测预警系统,填补了卫星遥感环境监测的短板,确保火点通报的准确性。目前,国内尚缺少该方面技术整合的研究报道,监控系统的研究对提升秸秆焚烧的监控力度,节省各级政府部门的行政管理成本具有显著的效果。
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