基于四旋翼無人機(jī)的PM2.5測(cè)量論文

..>--.--考試資料.綜合論文訓(xùn)練題目：基于四測(cè)量..>中文摘要近年來，隨著無人航空技術(shù)開展的日趨完善與成熟，無人機(jī)逐漸受到重視并且得到廣泛應(yīng)用。無人機(jī)憑借其機(jī)動(dòng)強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)上較為實(shí)惠、方便起飛、降落等方面的優(yōu)勢(shì)，越來越受到人們的青睞。同時(shí)，無線遙感技術(shù)的飛速開展與日趨完善，也在很大程度推動(dòng)了無人機(jī)的應(yīng)用，無人搭載平臺(tái)在空氣檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、惡劣條件偵探、航拍等方面都得到廣泛應(yīng)用。本課題以無人機(jī)作為搭載平臺(tái)，搭載空氣傳感器與GPS模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)PM2.5與PM10數(shù)據(jù)的采集，在PC端通過單片機(jī)編程，實(shí)現(xiàn)SD卡存儲(chǔ)所采集的數(shù)據(jù)，到達(dá)空氣質(zhì)量檢測(cè)的目的。本文依次介紹系統(tǒng)的硬件局部、軟件局部。之后，對(duì)傳感器的可信度進(jìn)展評(píng)估，介紹如何通過單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)用SD卡存儲(chǔ)PM2.5〔PM10〕值。最后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)展處理，繪制PM2.5〔PM10〕隨著不同的經(jīng)緯度、高度、風(fēng)速的變化趨勢(shì)曲線圖，得出結(jié)論。關(guān)鍵詞：四旋翼無人機(jī)；SDS011激光傳感器；STM32單片機(jī)；數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與顯示ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofUAVtechnology,itsapplicationhasbecomemoreandmorewidespreadtogether.Withitsadvantageinmobility,fastness,economy,convenienceandsoon,theUAVhasbeenusedmorewidespread.Withthedevelopmentofwirelessremotesensingtechnology,theUAVhasbeenusedinmeteorologicalmonitoring,resourcesurveys,aerialsurveyandrespondtoemergencieswidely.ThistopicusestheUAVascarryingplatform,andequipsUAVwithairsensorandGPSmodule,implementationofPM2.5andPM10datacollection,throughthemicrocontrollerprogrammingtoachievethedatastoredontheSDcard,andfinallyachievethepurposeofairqualitytesting.(PM10)changewiththelatitudeandlongitude,altitude,windspeed.Keywords:Four-rotorUAV；SDS011lasersensor；STM32microcontroller；Datastorageanddisplay目錄第1章引言11.1課題背景11.1.1無人機(jī)概述11.1.2PM2.5〔PM10〕國內(nèi)外檢測(cè)現(xiàn)狀概述11.2課題的研究的目的和意義21.3工程需求31.4整體工作介紹6第2章系統(tǒng)硬件概述與設(shè)計(jì)72.1四旋翼無人機(jī)搭載平臺(tái)介紹72.2SDS011高精度激光傳感器82.3ATK-NEO-6M-V23定位模塊102.4開發(fā)板132.4.1開發(fā)板簡(jiǎn)介132.4.2單片機(jī)給電模塊142.4.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊15第3章系統(tǒng)軟件概述與設(shè)計(jì)173.1系統(tǒng)環(huán)境與軟件開發(fā)工具173.1.1RealviewMDK介紹173.1.2J—Link仿真調(diào)試193.2串口對(duì)數(shù)據(jù)的輸入與查看203.2.1數(shù)據(jù)輸入串口20223.3系統(tǒng)環(huán)境與軟件開發(fā)工具233.3.1軟件設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)整體構(gòu)架233.3.2系統(tǒng)模塊初始化243.3.3對(duì)空氣傳感器數(shù)據(jù)處理243.3.4對(duì)GPS定位信息進(jìn)展處理253.3.5存儲(chǔ)局部代碼實(shí)現(xiàn)27第4章系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程294.1空氣傳感器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)304.2GPS定位模塊數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)314.2.1海拔準(zhǔn)確度測(cè)量324.2.2地面風(fēng)速測(cè)量33344.3PM2.5〔PM10〕值變化情況研究354.3.1PM2.5〔PM10〕值隨海拔變化情況研究354.3.2PM2.5〔PM10〕值隨風(fēng)速變化情況研究374.3.3PM值在不同的天氣條件下隨風(fēng)速變化情況研究38第5章結(jié)論與展望40插圖索引41表格索引43參考文獻(xiàn)44致謝45聲明46附錄A外文資料的調(diào)研閱讀報(bào)告47..>第1章引言1.1課題背景"無人機(jī)〔unmannedaerialvehicle，UAV〕是一種帶有動(dòng)力裝置，具有自主導(dǎo)航能力，無人駕駛的不載人航空器。〞在特定的地域范圍與高度范圍內(nèi)，利用無線電實(shí)現(xiàn)通信功能，通過預(yù)設(shè)的計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)無人機(jī)的飛行、懸停、降落等根本功能。無人機(jī)最初主要被用于軍事，主要用于軍事偵查、監(jiān)視、通信等，實(shí)現(xiàn)一些載人飛機(jī)難以實(shí)現(xiàn)甚至是無法實(shí)現(xiàn)的功能，從投入市場(chǎng)至今都深受各國軍方的青睞。最近幾年以來，隨著各國政府逐步放開對(duì)無人機(jī)的限制，無人機(jī)參軍用領(lǐng)域逐漸邁入民用領(lǐng)域，民用無人機(jī)在航拍、公共平安、應(yīng)急搜索、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通情況監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用都日漸廣泛。無人機(jī)在很多方面有載人飛機(jī)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，比方本錢低廉、起飛簡(jiǎn)單、不需要專用的場(chǎng)地進(jìn)展起飛與降落等。同時(shí)，無人機(jī)的控制相對(duì)較容易，一般可以直接通過遙控器實(shí)現(xiàn)起飛、懸停、降落、加速、減速等功能。再者，一般的民用無人機(jī)體積相對(duì)較小，造價(jià)較低廉，實(shí)用性也較強(qiáng)。當(dāng)前國內(nèi)較受歡迎的無人機(jī)公司主要有大疆、零度智控、智能鳥等。1.1.2PM〔PM10〕國內(nèi)外檢測(cè)現(xiàn)狀概述"總懸浮顆粒物包括漂浮在空氣中的固體與液體顆粒物，一般以其空氣動(dòng)力學(xué)直徑作為評(píng)判依據(jù)，其空氣動(dòng)力學(xué)直徑在-100um范圍內(nèi)。習(xí)慣上人們一般把空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于um的可吸入顆粒物；相應(yīng)的，把直徑小于10um的顆粒物稱為PM10。〞最近幾年以來，我國的一些城市〔、上海等〕的"霧霾〞現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，成為威脅人們生活的罪魁禍?zhǔn)祝渲凶钪饕奈廴驹匆话憔褪侵窹M與PM10。本課題利用無人機(jī)搭載平臺(tái)的組成的系統(tǒng)，主要的構(gòu)成局部包括空氣傳感器局部，GPS定位模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，無人機(jī)控制模塊，整體控制模塊等。"基于無人機(jī)平臺(tái)應(yīng)急監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究〞課題是我國首次利用無人機(jī)進(jìn)展環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，截止到當(dāng)前該研究已經(jīng)取得了相比照較完善的研究成就。最近幾年以來，隨著民用無人機(jī)技術(shù)的飛速開展與逐步成熟，利用無人機(jī)作為搭載平臺(tái)進(jìn)展環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用也逐漸廣泛起來?，F(xiàn)在一般的測(cè)量包括航拍，監(jiān)控，氣體監(jiān)測(cè)等，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)涵蓋"霧霾〞，溫室氣體，水質(zhì)好壞等等，而且我們有理由相信，隨著技術(shù)的進(jìn)一步開展，無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測(cè)這一塊的應(yīng)用必將取得更為廣闊與成熟的應(yīng)用。本課題借助零度公司的四旋翼無人機(jī)作為搭載平臺(tái)，激光傳感器作為空氣傳感器模塊局部，STM32F103RCT6開發(fā)板核心板單片機(jī)實(shí)現(xiàn)開發(fā)功能，Ublo*NEO-6M帶天線5HzGPS模塊實(shí)現(xiàn)GPS定位，直接利用無人機(jī)電源供電，采用Mini-360航模降壓電源模塊對(duì)電源降壓，獲得所需電壓。通過單片機(jī)編程，對(duì)所獲取數(shù)據(jù)進(jìn)展處理，獲得需要的數(shù)據(jù)局部，把提取好的所需數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)卡。讀取數(shù)據(jù)，在PC端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展處理，通過數(shù)據(jù)處理軟件例如E*cel等對(duì)所采數(shù)據(jù)處理，畫出比照趨勢(shì)曲線，進(jìn)展比照，得出結(jié)論。1.2課題的研究的目的和意義當(dāng)前的空氣監(jiān)測(cè)方法特別〔PM10〕的測(cè)量存在一定的問題，大局部的城市測(cè)量只能在選定的地點(diǎn)，固定的高度進(jìn)展固定的采樣。顯然，該測(cè)量方法在很大程度上存在樣本過于集中，不能較為客觀的反響事實(shí)的問題?；谠搯栴}，本文企圖利用無人機(jī)隨時(shí)懸停，易于控制的優(yōu)勢(shì)，更好的、更客觀的取得觀測(cè)數(shù)據(jù)。本課題通過嵌入開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過無人機(jī)的遙控器實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的起飛與停頓，利用GPS定位模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)位置獲取，位置信息一般包括經(jīng)度，緯度，高度，當(dāng)?shù)仫L(fēng)速等參數(shù)，通過空氣傳感器實(shí)時(shí)獲取值，PM10值，獲得在采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)值之后，經(jīng)過單片機(jī)〔STM32〕編程，把數(shù)據(jù)以T*T文件格式存儲(chǔ)在SD卡中，返回地面進(jìn)展處理，繪制曲線趨勢(shì)圖，得出結(jié)論。把系統(tǒng)總體構(gòu)架與功能實(shí)現(xiàn)之后，在北京市不同的地方分別進(jìn)展測(cè)量，因?yàn)榻w區(qū)的緣故，選擇在六環(huán)外進(jìn)展測(cè)量。選擇不同的天氣〔改變基值〕，在不同的地點(diǎn)〔經(jīng)緯度不同〕采集數(shù)據(jù)；在同一的地點(diǎn)〔經(jīng)緯度不變〕，通過遙控器，改變無人機(jī)飛行的高度〔不同的海拔〕獲取相應(yīng)的點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)。最終把所有獲取的數(shù)據(jù)，拿到地面端的PC機(jī)進(jìn)展處理，分別繪制〔PM10〕值隨著海拔變化的變化曲線圖；在不同的地方，一樣的海拔情況下，分別采集數(shù)據(jù)，繪制〔PM10〕值隨著經(jīng)緯度的變化的曲線圖；以及繪制出不同風(fēng)速條件下的曲線圖等。利用無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，在不同的氣候條件下，原則上在任意位置進(jìn)展實(shí)時(shí)測(cè)量，可以獲取相比照較準(zhǔn)確且客觀的數(shù)據(jù)，可以在一定程度上，改善當(dāng)前客氣測(cè)量的缺乏，能夠優(yōu)化空氣測(cè)量研究與探索，能夠更好的利用無人機(jī)實(shí)現(xiàn)為人類效勞的目的。本課題是基于無人機(jī)平臺(tái)〔PM10〕測(cè)量，空氣傳感器〔PM10〕值，輸出16進(jìn)制數(shù)字。GPS模塊輸出一系列信息，其中都以16進(jìn)制形式呈現(xiàn)，通過STM32進(jìn)展編程，把有用的信息提取出來，以T*T文件形式保存下來，測(cè)量完所需數(shù)據(jù)，拿到PC端進(jìn)展處理，畫出趨勢(shì)比照?qǐng)D，得出結(jié)論。課題的總體框圖如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s11課題總體框架系統(tǒng)工作過程為：1—5V電壓轉(zhuǎn)換功能，輸出的5V電壓分別給單片機(jī)供電，從單片機(jī)的兩個(gè)輸出端口接出一個(gè)5V給空氣傳感器供電，接出一個(gè)V電壓給GPS定位模塊供電。2．通過兩個(gè)串口把兩個(gè)模塊輸出的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)分別輸入到STM32單片機(jī)3．編程實(shí)現(xiàn)對(duì)兩組十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)化為可視性的10進(jìn)制數(shù)，并且把一些不必要的數(shù)據(jù)進(jìn)展合理的取舍，獲得所提取的數(shù)據(jù)4．通過編程，利用STM32開發(fā)板對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)展存儲(chǔ)，每隔20s〔PM10〕的數(shù)據(jù)值，一次GPS信息值〔經(jīng)緯度，海拔，地面速度，時(shí)間等〕，交替循環(huán)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。為了便于顯示與讀取的方便，每20s之后，T*T文件自動(dòng)換行。其中本次課題很重要的局部是編程代碼實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的提取，獲取實(shí)驗(yàn)需要的必要數(shù)據(jù)，同時(shí)，對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)展存儲(chǔ)。實(shí)現(xiàn)過程通過利用KeiluVision實(shí)現(xiàn)程序的編寫與程序的加載〔燒錄〕，采用C語言編寫，調(diào)試完成之后，把代碼燒進(jìn)開發(fā)板。每次上電之后，按下"reset〞鍵，系統(tǒng)開場(chǎng)自動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)，此時(shí)在地面端，通過串口3可以收到"OK〞確認(rèn)符號(hào)，在串口可以直接看出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)情況。軟件編碼模塊的主要框架如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s12畢業(yè)設(shè)計(jì)總體軟件設(shè)計(jì)框架圖各個(gè)局局部別實(shí)現(xiàn)的功能如下：1.啟動(dòng)STM32，運(yùn)用KeiluVision官方網(wǎng)站自帶的啟動(dòng)文件實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的啟動(dòng)功能與中斷等根本功能2.因?yàn)镚PS模塊輸出的數(shù)據(jù)較多較雜，而且是以十六進(jìn)制的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)所需信息的提取，對(duì)模塊輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)展數(shù)據(jù)處理，包括16進(jìn)制轉(zhuǎn)10進(jìn)制，去掉無用信息，提取其中有用信息包括經(jīng)度、緯度、高度、風(fēng)速、日期等。3.通過串口2實(shí)現(xiàn)〔PM10〕數(shù)據(jù)的輸入、處理。把十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制，并且的數(shù)值與PM10數(shù)值，同時(shí)，為了保證準(zhǔn)確度，也讀取出校驗(yàn)和，對(duì)其他無用的數(shù)據(jù)進(jìn)展舍去。4.獲得數(shù)據(jù)之后，需要通過STM32的中斷與停頓等功能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的合理輸入與處理，因?yàn)閮山M數(shù)據(jù)都是每20秒發(fā)十次，出于顯示的方便，每20秒選擇分別采十組數(shù)據(jù)，然后以接收一組定位信息，之后接收〔PM10〕的形式進(jìn)展存儲(chǔ)，為了便于后期處理，每讀取10組數(shù)據(jù)之后，T*T文件空一行，一次讀取。5.采集完數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理軟件〔MATLAB或E*cel〕繪制表格與趨勢(shì)變化曲線圖，比照得出結(jié)論。1.4整體工作介紹本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的總體工作表示如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s13整體工作介紹框架圖第2章系統(tǒng)硬件概述與設(shè)計(jì)完善的軟硬件配合是系統(tǒng)能否正常工作的必要條件，硬件作為系統(tǒng)的必要的軀干或框架，是系統(tǒng)可以正常運(yùn)行的根底。本局局部模塊地對(duì)系統(tǒng)的硬件局部進(jìn)展介紹，并且將各個(gè)局部有機(jī)的結(jié)合在一起，用以構(gòu)建一個(gè)完整的空氣檢測(cè)系統(tǒng)。2.1四旋翼無人機(jī)搭載平臺(tái)介紹隨著各國政府對(duì)無人機(jī)的管制逐步放松，無人機(jī)技術(shù)如雨后春筍般飛速開展，無論是國內(nèi)還是國外，無人機(jī)技術(shù)都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，并且得到較好的應(yīng)有。當(dāng)前無人機(jī)無論是在航拍、緊急情況偵探〔地震，火山等〕、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面都逐步取得比擬良好與廣泛的應(yīng)用。"四旋翼飛行器具備4個(gè)螺旋槳，四個(gè)螺旋槳呈十字形穿插構(gòu)造分布。相對(duì)的螺旋槳具有一樣的旋轉(zhuǎn)方向，相反的螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相反。〞吳東國，基于四旋翼飛行器平臺(tái)的低空遙感技術(shù)在公路環(huán)境調(diào)查中的應(yīng)用[J]，2012，1~2.本文采用的無人機(jī)是"零度智控〞捐贈(zèng)給實(shí)驗(yàn)室的小型的無人機(jī)，除去本身自帶的云臺(tái)之外，可以額外搭載200g的物體，滿足實(shí)驗(yàn)所需要求。無人機(jī)最高垂直速度為3m/s，最高水平速度為8m/s，其飛行速度根本上可以滿足本次實(shí)驗(yàn)要求。無人機(jī)自帶電源，可以外接，單片機(jī)與幾個(gè)傳感器所需電壓由無人機(jī)外接電源直接引出，通過降壓模塊可以得到所需電壓。無人機(jī)實(shí)物圖如下：吳東國，基于四旋翼飛行器平臺(tái)的低空遙感技術(shù)在公路環(huán)境調(diào)查中的應(yīng)用[J]，2012，1~2.圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s11四旋翼無人機(jī)實(shí)物圖2.2SDS011高精度激光傳感器出于實(shí)驗(yàn)方便考慮以及由于實(shí)驗(yàn)室條件限制，本次實(shí)驗(yàn)只值與PM10的值。實(shí)驗(yàn)采用SDS011高精度空氣質(zhì)量傳感器，該傳感器采用激光散射原理，可以較為準(zhǔn)確得測(cè)量出空氣中—10um的顆粒物，內(nèi)置風(fēng)扇，上電就直接可以輸出16進(jìn)制數(shù)據(jù)。經(jīng)過在實(shí)驗(yàn)室的觀測(cè)測(cè)量，對(duì)其測(cè)量精度進(jìn)展評(píng)估，可以驗(yàn)證其穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度都比擬高。其實(shí)物圖如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s12傳感器實(shí)物圖傳感器加上5V電壓之后，就會(huì)源源不斷與PM10的值，以16進(jìn)制形式呈現(xiàn)，每一行代表一組輸出，通過串口小助手則可以直接查看其輸出形式，其數(shù)據(jù)原始輸出如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s13空氣傳感器輸出16進(jìn)制數(shù)其串口速率為9600，串口上報(bào)通訊周期為1.5s，即是每一分鐘可以收到40組數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)定義如下：表STYLEREF1\s0.SEQ表\*ARABIC\s11空氣傳感器輸出位數(shù)意義列號(hào)12345678910意義報(bào)文頭指令號(hào)PM2.5低字節(jié)PM高字節(jié)PM10低字節(jié)PM10高字節(jié)保存位保存位校驗(yàn)和報(bào)文尾其中PM2.5值：〔〔PM2.5高字節(jié)*256〕+PM2.5低字節(jié)〕/10其中PM10值：〔〔PM10高字節(jié)*256〕+PM10低字節(jié)〕/10比方，上述給出的樣例中，第二行的PM值為：〔0*256+55〕；PM10的值為：〔0*256+124〕。2.3ATK-NEO-6M-V23定位模塊ATK-NEO-6M-V2.3是一款高性能GPS定位模塊，采用U-BLO*NEO-6M模組。該模塊使用方便，模塊支持多種波特率傳輸，在使用之前，可以通過串口設(shè)置各種參數(shù)，并且可以把各類參數(shù)保存在EEPROM中，模塊自帶充電電池，支持冷啟動(dòng)與熱啟動(dòng)兩種各種模式。其實(shí)物圖如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s14定位模塊實(shí)物圖其根本特性如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s15ATK-NEO-6M-V23根本特性其電器特性為：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s16ATK-NEO-6M-V23電器特性該模塊具備串口輸出，加上V的電壓之后，即可以通過串口進(jìn)展數(shù)據(jù)讀取，其格式如下：

圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s17ATK-NEO-6M-V23原始數(shù)據(jù)輸出由上圖可以知，輸出的數(shù)據(jù)是一組星歷值，其中的很多數(shù)據(jù)對(duì)本次課題無用，甚至對(duì)本次實(shí)驗(yàn)而已是冗雜的。為了實(shí)驗(yàn)研究方便，需要把需要的數(shù)據(jù)比方：時(shí)間、日期、經(jīng)緯度、高度、風(fēng)速等信息提取出來，把不需要的數(shù)據(jù)直接舍去，供本次實(shí)驗(yàn)使用。2.4開發(fā)板為了實(shí)驗(yàn)研究方便，本次實(shí)驗(yàn)采用正點(diǎn)原子STM32F103RCT6開發(fā)板核心板。該開發(fā)板功能較強(qiáng)大，應(yīng)用較廣，常見的單片機(jī)開發(fā)功能都具備。其中，本次實(shí)驗(yàn)需要的主要功能為：外接電源，數(shù)據(jù)提取，16進(jìn)制轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制，根本的中斷與停頓，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，該開發(fā)板都可以比擬好的滿足。2.4.1開發(fā)板簡(jiǎn)介開發(fā)板重約50g，面積較小，滿足本次實(shí)驗(yàn)中無人機(jī)搭載物體重量與面積的需求。單片機(jī)的整體實(shí)物圖與管腳定義圖如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s18開發(fā)板實(shí)物圖與管腳定義本次課題主要應(yīng)用的模塊局部有三個(gè)串口，串口1〔PA10〕〔PM10〕的數(shù)據(jù)輸入，串口2〔PC11〕用于定位信息輸入，串口3〔PC10〕用于直接實(shí)時(shí)的在PC端查看數(shù)據(jù)的采集情況。單片機(jī)的給電，通過5V電源輸出/輸入進(jìn)程給電。金士頓64G的存儲(chǔ)卡固定在SD卡接口，即可以進(jìn)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。2單片機(jī)給電模塊本課題設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要給電的局部包括STM32單片機(jī)局部，SDS011高精度激光傳感器，ATK-NEO-6M-V23定位模塊三局部。無人機(jī)給出的是V的輸出電壓，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的要求，選擇采用降壓模塊，考慮到實(shí)驗(yàn)方便與實(shí)驗(yàn)的功率要求，實(shí)驗(yàn)采用Mini-360航模降壓電源模塊進(jìn)展，該模塊參數(shù)如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s19降壓模塊技術(shù)參數(shù)該降壓模塊的正反面實(shí)物圖如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s110降壓模塊技術(shù)參數(shù)通過降壓模塊之后，得到5V的輸出電壓，把5V的穩(wěn)定電壓給到單片機(jī)的5V電源輸出/輸入接口，即實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的供電。同時(shí)，從單片機(jī)的V電源輸出/輸入口接出電源，給定位模塊供電，從5V電源輸出/輸入口接出電源，把5V電壓加到SDS011高精度激光傳感器，即實(shí)現(xiàn)本次課題的供電情況。2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊考慮到實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)的量的需要，本次實(shí)驗(yàn)采用金士頓64G的microSD卡作為存儲(chǔ)器，其實(shí)物圖如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s111存儲(chǔ)卡實(shí)物圖本模塊比擬簡(jiǎn)單，當(dāng)需要的實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，直接把卡插到單片機(jī)的SD卡槽即可，當(dāng)需要讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候，用手機(jī)或打卡器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展直接讀取即可。*E"圖2.2.1透視投影的幾何關(guān)系圖"第3章系統(tǒng)軟件概述與設(shè)計(jì)如果硬件是系統(tǒng)的軀干或者是主體構(gòu)架，軟件則是系統(tǒng)的血與肉，只有硬件的系統(tǒng)顯然是不完善的，只有配備較完善的軟件方能較為完善的工作。因此，軟件局部是本系統(tǒng)的核心的局部，只有完善的軟件，才能保證本次課題的最終完成。本課題的軟件局部采用最常見的C語言作為編程語言，應(yīng)用KeiluVisionn5作為編程軟件，主要涉及串口通信，中斷與停頓，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。3.1系統(tǒng)環(huán)境與軟件開發(fā)工具本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題系統(tǒng)選用ST〔意式半導(dǎo)體〕公司生產(chǎn)的STM32F103RCT6核心芯片作為核心微處理器，該微處理器具有較大的優(yōu)勢(shì)與便利，核心芯片的處理器選用當(dāng)前主流的Corte*—M3作為內(nèi)核，同時(shí)，Corte*—M3采用目前最為主流的ARMV7—M構(gòu)架。采用的主要開發(fā)工具為RealviewMDK，其功能強(qiáng)大，包括uVisionIDE，ARM編譯器，中間庫，調(diào)試跟蹤支持，ARM處理器支持，操作系統(tǒng)等，一般而言，該系統(tǒng)支持C語言，匯編語言等，可以滿足大局部用戶的工程需要。系統(tǒng)支持多種程序下載方式，串口下載、U—link下載、J-link下載等，考慮到方便等因素，本次實(shí)驗(yàn)通過J-link下載，通過J-link線連接PC機(jī)與單片機(jī)即可，一次下載之后，程序不會(huì)消失，之后只要上電就可以直接運(yùn)行，給實(shí)驗(yàn)與課題的研究都帶來一定的方便。3.RealviewMDK介紹"RealviewMDK是ARM公司目前推出的最新的針對(duì)各種嵌入式處理器的一種實(shí)用性很強(qiáng)的軟件開發(fā)工具，ARM公司的前身是德國的一家軟件開發(fā)公司。MDK主要由uVisionIDE，ARM編譯器，中間庫，調(diào)試跟蹤支持等局部組成。〞本課題采用最新的Uvision5作為開發(fā)工具，最新的開發(fā)工具具有很多優(yōu)點(diǎn)，延續(xù)其前身的各種優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也額外增加很多額外的功能。其中，Corte*芯片構(gòu)造如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s11Corte*—M3芯片構(gòu)造基于Corte*—M3有一套標(biāo)準(zhǔn)，一般命名為CMSIS〔Corte*MicrocontrollerSoftwareInterfaceStandard〕，其應(yīng)用程序的一般構(gòu)造如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s12CMSIS程序根本構(gòu)造使用MDK開發(fā)的一般流程如下：新建工程〔工程〕編寫目標(biāo)文件，當(dāng)前一般采用較為流行的C語言或較為根底的匯編語言編譯程序假設(shè)有問題，對(duì)問題修改鏈接設(shè)備，下載程序，運(yùn)行一般軟件開發(fā)的流程如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s13Uvision開發(fā)一般流程圖3.1.2J—Link仿真調(diào)試為了支持ARM仿真，并且使其擁有通用的仿真器，SEGGER公司推出了一款名為J—link的通用仿真器，該仿真器支持所有ARM內(nèi)核芯片的仿真，通過專有接口與IAREWAR，ADS，KEIL，RealView等連接，支持ARM7/ARM9/ARM11,Corte*M0/M1/M3/M4等內(nèi)核芯片的仿真，操作簡(jiǎn)便，易學(xué)易懂，是ARM芯片開發(fā)最實(shí)用的開發(fā)工具。其主要特性如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s14J—link功能特性本次實(shí)驗(yàn)采用20管腳的J—link連接器，采用USB口直接供電，也即是采用5V供電，通過USB轉(zhuǎn)接實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與的J—link的通信、調(diào)試、控制等工作，當(dāng)用作J—link時(shí)，其管腳定義如下所示：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s15J—link管腳功能圖3.2串口對(duì)數(shù)據(jù)的輸入與查看本次課題，數(shù)據(jù)的輸入主要采用的是單片機(jī)的兩個(gè)串口。其中，為了地面端驗(yàn)證系統(tǒng)與程序的正確性，增加了在地面端通過串口查看數(shù)據(jù)的功能，該功能實(shí)現(xiàn)在地面端直接通過串口3查看的功能，當(dāng)系統(tǒng)的SD卡連接成功并且初始化成功，數(shù)據(jù)的輸入都正確實(shí)現(xiàn)的情況下，可以在串口每隔20s收到一組數(shù)據(jù)。假設(shè)要在地面端通過PC機(jī)實(shí)時(shí)查看結(jié)果，則也可以通過串口直接進(jìn)展查看，其中的串口定義如下：表STYLEREF1\s0.SEQ表\*ARABIC\s11系統(tǒng)串口對(duì)應(yīng)功能圖串口代碼123對(duì)應(yīng)端口號(hào)PA10PC11PC10功能實(shí)現(xiàn)PM2.4〔PM10〕數(shù)據(jù)輸入端口GPS定位信息輸入端口地面端通過PC機(jī)查看系統(tǒng)運(yùn)行情況3.2.1數(shù)據(jù)輸入串口數(shù)據(jù)的輸入主要是借助單片機(jī)的兩個(gè)串口實(shí)現(xiàn)，其中串口1用于〔PM10〕進(jìn)展輸入，接收到的信息主要是s為周期的16進(jìn)制字符串，我們需要對(duì)其進(jìn)展處理。串口2主要接收的是GPS定位信息，顯然，收到的也是一些16進(jìn)制呈現(xiàn)的字符串，我們需要做的后續(xù)工作是對(duì)其進(jìn)展解析與提取，并且把一些不需要的數(shù)據(jù)進(jìn)展合理的取舍。在該過程中，因?yàn)樯婕暗絻蓚€(gè)串口的輸入，則會(huì)有時(shí)序問題。本次實(shí)驗(yàn)考慮到數(shù)據(jù)讀取與顯示方便，時(shí)序邏輯如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s16接收串口時(shí)序圖具體到代碼實(shí)現(xiàn)過程中，用兩個(gè)時(shí)間來計(jì)數(shù)，TM1，作為每次輪換的時(shí)間，其閾值為S，當(dāng)?shù)陀跁r(shí)候，則繼續(xù)讀取，否則轉(zhuǎn)換為另外一組數(shù)據(jù)的讀取。為了使讀取數(shù)據(jù)可讀性更好，定義TM2，TM2作為是否空行的時(shí)間點(diǎn)，其閾值為20s，假設(shè)從開場(chǎng)到當(dāng)前時(shí)間小于TM2，則選擇一直讀下去，否則空行，進(jìn)展下一組測(cè)量?？紤]到無人機(jī)上天之后，無法進(jìn)展控制，本次課題中也就沒有增設(shè)其他的控制信號(hào)。以上的局部的關(guān)鍵代碼如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s17接收串口關(guān)鍵代碼3.2.2數(shù)據(jù)查看串口為了在無人機(jī)起飛之前對(duì)系統(tǒng)的正確性與準(zhǔn)確性有一個(gè)比擬直觀的認(rèn)識(shí)與保證，在地面對(duì)通過串口3直接查看數(shù)據(jù)存儲(chǔ)情況，其查看的原理為：當(dāng)?shù)孛娑说募与?，并且初始化成功，所謂初始化成功指的是，兩個(gè)傳感器可以正確的獲取數(shù)據(jù)，并且SD卡初始化沒有問題，當(dāng)按下單片機(jī)的"reset〞鍵之后，在串口3看到返回一個(gè)"OK〞的提示符，提示系統(tǒng)初始化成功，并且準(zhǔn)備下一期的數(shù)據(jù)讀取與存儲(chǔ)。其關(guān)鍵局部代碼為：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s18查看串口關(guān)鍵代碼3.3系統(tǒng)環(huán)境與軟件開發(fā)工具3.3.1軟件設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)整體構(gòu)架空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要與PM10的數(shù)據(jù)的獲取與采集，并且實(shí)時(shí)的獲得當(dāng)?shù)氐亩ㄎ恍畔ⅲń?jīng)緯度、高度、當(dāng)?shù)仫L(fēng)速、時(shí)間等。獲得數(shù)據(jù)之后，把數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)的串口，通過編程實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)提取，并且對(duì)所采數(shù)據(jù)進(jìn)展十六進(jìn)制轉(zhuǎn)化，通過FATS文件格式進(jìn)程存儲(chǔ)，其總體構(gòu)架如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s19程序設(shè)計(jì)總體框架3.3.2系統(tǒng)模塊初始化系統(tǒng)模塊初始化作為實(shí)驗(yàn)的根本條件，完善的并且正確的初始化，才能保證系統(tǒng)準(zhǔn)確的運(yùn)行。該系統(tǒng)因?yàn)閼?yīng)用STM32F103RCT6，如果涉及用PC機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)的則需要三個(gè)串口，不需要直接觀測(cè)則需要應(yīng)用兩個(gè)串口，STM32系列核心芯片有5個(gè)串口，則系統(tǒng)在開場(chǎng)運(yùn)行的時(shí)候的首要工作就是對(duì)串口數(shù)據(jù)進(jìn)展初始化，如果系統(tǒng)初始化成功，則久可以直接通過串口空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)與GPS定位信息進(jìn)展數(shù)據(jù)傳輸。再者，因?yàn)樯婕暗缴想娕c下電問題，當(dāng)系統(tǒng)初始話，發(fā)現(xiàn)SD卡沒有數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)重新，并且把所讀取數(shù)據(jù)依次保存下來，當(dāng)然，當(dāng)遇到突發(fā)情況，中途意外斷電有上電的時(shí)候，則可以直接把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD里。3.3.3對(duì)空氣傳感器數(shù)據(jù)處理加電之后，空氣傳感器輸出的數(shù)據(jù)是一組10位的16進(jìn)制數(shù)，然而本次實(shí)驗(yàn)并不都需要，我們可以應(yīng)該考慮用10進(jìn)制的進(jìn)展表示，這些局部我們都通過編程實(shí)現(xiàn)。采用一個(gè)數(shù)組pm25buf[10]用于〔PM10〕值，并且通過截?cái)?，保存其中的五組值，五組的高字節(jié)與低字節(jié)，PM10的高字節(jié)與低字節(jié)，以及其中的校驗(yàn)和。直接通過printf("%s",p)，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制并且保存，其主要代碼如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s110程序設(shè)計(jì)總體框架3.3.4對(duì)GPS定位信息進(jìn)展處理由前面的介紹可以知道，GPS輸出的數(shù)據(jù)是一組很不完善的以16進(jìn)制顯示的數(shù)據(jù)，本次實(shí)驗(yàn)只需要經(jīng)緯度，高度，地面風(fēng)速等，故在實(shí)際的過程中，需要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)某绦驅(qū)?shù)據(jù)進(jìn)展適當(dāng)去提取。該算法參考戰(zhàn)艦給的例程進(jìn)展，主要的代碼如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s111定位信息獲取關(guān)鍵代碼圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s112單個(gè)衛(wèi)星信息圖圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s113衛(wèi)星精度分析局部這樣最后輸出的輸出結(jié)果就是理想的需要的結(jié)果，亦即是最終獲取的是經(jīng)緯度，海拔，地面速度，時(shí)間。3.3.5存儲(chǔ)局部代碼實(shí)現(xiàn)獲取數(shù)據(jù)之后，剩下的重點(diǎn)工作是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，本次課題采用的是基于FATFS的文檔存儲(chǔ)。其中FATFS是一個(gè)完全開源的基于C語言編寫的FAT文件系統(tǒng)，對(duì)大局部的單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)都具有較強(qiáng)的實(shí)用性，具有良好的硬件平臺(tái)獨(dú)立性與可移植性，對(duì)51系列單片機(jī)，ARM系列單片機(jī)等都有很強(qiáng)的適用性與較好的準(zhǔn)確度。本次實(shí)驗(yàn)，在參照戰(zhàn)艦提供的實(shí)驗(yàn)根底上進(jìn)展。以下為主要存儲(chǔ)局部的代碼名稱與其實(shí)現(xiàn)的主要功能：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s114FATFS代碼功能對(duì)應(yīng)圖其中主要的關(guān)鍵代碼如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s115FATFS關(guān)鍵代碼第4章系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程對(duì)整體系統(tǒng)而言，涉及到對(duì)元器件的拆卸與裝載，以及把系統(tǒng)部件安裝到無人機(jī)進(jìn)展數(shù)據(jù)采集，不適合用PCB板子把所有器件都焊接到固定在一起，出于方便與重量限制的考慮，用較輕的轉(zhuǎn)接板搭載所需的元器件。同時(shí)，為了驗(yàn)證器件的正確性，在進(jìn)展測(cè)量之前，對(duì)傳感器與定位模塊都進(jìn)展校準(zhǔn)。在所有系統(tǒng)搭建完成之后，為了驗(yàn)證可行性，先在地面端進(jìn)展數(shù)據(jù)采集，并且得出一定的結(jié)論，之后在把平臺(tái)搭建到無人機(jī)進(jìn)展空中采集數(shù)據(jù)。總體實(shí)物圖為：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s11系統(tǒng)整體實(shí)物圖空氣傳感器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)當(dāng)前市面上的空氣傳感器較多，一般也空氣動(dòng)力學(xué)直徑作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，出于實(shí)驗(yàn)方便與實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度的考慮，本次實(shí)驗(yàn)選擇以光學(xué)散射原理的傳感器。為了準(zhǔn)確的驗(yàn)證其準(zhǔn)確度，在拿到傳感器之后，選擇在實(shí)驗(yàn)室首先對(duì)傳感器的準(zhǔn)確度進(jìn)展驗(yàn)證，如果誤差范圍較大，則不予采用；假設(shè)誤差在可以忍受的范圍內(nèi)，則對(duì)其精度進(jìn)展校準(zhǔn)，直到獲得較為客觀與準(zhǔn)確的測(cè)量精度為止。拿到傳感器，在實(shí)驗(yàn)室營造一個(gè)環(huán)境，在適當(dāng)改變傳感器周圍的空氣狀況的情況下，通過串口獲取每時(shí)每刻的測(cè)量值，并且與當(dāng)時(shí)所給的官方的PM值進(jìn)展比照，得出結(jié)論?？梢缘贸鋈缦碌淖邉?shì)圖：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s12改變室內(nèi)環(huán)境所得的PM曲線圖在上述曲線圖中，系列1值，系列2代表PM10值，與當(dāng)時(shí)〔2016/4/18/10〕北京市天氣預(yù)報(bào)中心所給數(shù)據(jù)根本一致。通過屢次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，以及最后的仿真數(shù)據(jù)的查看，我們可以知道，該傳感器根本上滿足本次課題的需求，無論從其實(shí)驗(yàn)精度，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可讀性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送的頻率等方面都比擬符合要求。故，最終選擇SDS011吃傳感器作為最終的數(shù)據(jù)收集模塊。數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)該GPS模塊為戰(zhàn)艦開發(fā)板的一個(gè)小模塊，準(zhǔn)確度很高，同時(shí)也與所買的單片機(jī)可以完美的結(jié)合，獲取數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單，在室內(nèi)通過外接天線就可以實(shí)現(xiàn)定位，在室外測(cè)量直接上電，當(dāng)指示燈指示正確工作之后，就可以讀取數(shù)據(jù)。以下是單片機(jī)與GPS定位模塊一般的連接示意圖：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s13單片機(jī)與定位模塊的典型連接示意圖為了評(píng)估測(cè)量精度與保證課題的準(zhǔn)確性，在選定該定位模塊之前，采用軟件u-center對(duì)模塊進(jìn)展測(cè)量。數(shù)據(jù)的接入主要采用實(shí)驗(yàn)所給的串口調(diào)試助手進(jìn)展，可以看出翻開的u-center效果如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s14u-center測(cè)量GPS定位模塊的輸出界面效果.1海拔準(zhǔn)確度測(cè)量為了驗(yàn)證測(cè)量的可靠性，首先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)展測(cè)量，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)在9樓，可以北京市的平均海拔大概在m，可以算出實(shí)驗(yàn)室的高度大概為〔43+3*9〕=(70)m左右，在實(shí)驗(yàn)室采集數(shù)據(jù)十分鐘，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展描圖如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s15實(shí)驗(yàn)室測(cè)量海拔對(duì)時(shí)間變化曲線圖由上圖可知，模塊在初始化的時(shí)候，其誤差比擬大，當(dāng)隨著模塊逐漸穩(wěn)定之后，其總體海拔大概在70m左右細(xì)微飄動(dòng)，與預(yù)期相符。當(dāng)然，上圖只是當(dāng)模塊的地理位置沒有發(fā)生變化時(shí)的曲線圖，本次實(shí)驗(yàn)是在動(dòng)態(tài)情況下進(jìn)展，為了驗(yàn)證該要求，用自行車載著模塊在校園測(cè)量了一圈，得出曲線圖如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s16校園海拔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)圖由上圖可以看出，在校園用自行車采集的半小時(shí)的數(shù)據(jù)，雖然過程中也出現(xiàn)一些誤差較大的數(shù)據(jù)，整體大致在45m左右，符合實(shí)際情況，而且也沒有急劇變化這些惡性數(shù)據(jù)，去掉一些特殊點(diǎn)之后，發(fā)現(xiàn)模塊的海拔測(cè)量無論在動(dòng)態(tài)還是在靜態(tài)測(cè)量都是比擬準(zhǔn)確的，滿足課題要求。.2地面風(fēng)速測(cè)量我們〔PM10〕值與觀測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速或者觀測(cè)點(diǎn)本身的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，為了更客觀的研究，我們需要研究無人機(jī)的飛行過程甚至是懸停過程中觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)速度。該GPS模塊剛好自帶速度測(cè)量?jī)x，在采用其數(shù)據(jù)之前，需要對(duì)其精度進(jìn)展評(píng)估，我們可以用騎車在校園里，或者是把模塊本身搭載到無人機(jī)上，通過改變自行車車速或者無人機(jī)的飛行速度，以取代比擬客觀數(shù)據(jù)，如果在采集到的數(shù)據(jù)與實(shí)際情況比擬接近，則模塊的評(píng)估可靠，該模塊的速度數(shù)據(jù)也可以直接采用。以下是2016/5/11日在校園采集的數(shù)據(jù)：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s17校園速度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)圖由上圖可以看出，因?yàn)槭窃谛@騎車，一開場(chǎng)上路的時(shí)候，速度較慢，中途遇到行人，遇到其他的貨車等原因，可以看出：前進(jìn)速度大致為5，與實(shí)際情況比擬符合。同時(shí)，由上圖可以看出，在逐漸改變速度的過程中，速度的讀取值的變化范圍較小，是可以承受的，故本次實(shí)驗(yàn)可以采用本模塊進(jìn)展。.3經(jīng)緯度測(cè)量課題的最初目的是想測(cè)量在不同的區(qū)域，通過改變不同的經(jīng)緯度進(jìn)展測(cè)量，比方在清華校園內(nèi)改變不同的地點(diǎn)，把中央主樓與五道口測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)展比照，得出結(jié)論。可惜的是，北京市六環(huán)以內(nèi)是禁飛區(qū)，所給無人機(jī)并不能實(shí)現(xiàn)起飛的目的，應(yīng)選擇在北京市郊區(qū)進(jìn)展測(cè)量，測(cè)得點(diǎn)1：昌平區(qū)的居民區(qū)，南邵鎮(zhèn)〔北緯N40°12′″東經(jīng)E116°16′″〕，測(cè)量點(diǎn)2：西山農(nóng)場(chǎng)〔北緯N40°06′″東經(jīng)E116°05′″〕，測(cè)量點(diǎn)3：定福莊鄉(xiāng)〔北緯N39°36′″東經(jīng)E116°16′″〕，測(cè)量點(diǎn)4：甘棠鎮(zhèn)〔北緯N39°51′″東經(jīng)E116°48′″〕。分別在四個(gè)測(cè)量點(diǎn)，分別改變其經(jīng)緯度，在不同的天氣情況下，進(jìn)展測(cè)量，得出結(jié)論，并且繪制表格。在本次實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)镚PS模塊本身自帶經(jīng)緯度測(cè)量，我們可以看出，分別在四個(gè)點(diǎn)甚至是更多的點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)，與當(dāng)前主流的APP給出的經(jīng)緯度是吻合的，故我們可以采用其經(jīng)緯度的數(shù)據(jù)直接進(jìn)展數(shù)據(jù)測(cè)量。4.3PM〔PM10〕值變化情況研究通過上面的分析可以獲知，最終存儲(chǔ)在SD卡的數(shù)據(jù)主要以10進(jìn)制形式呈現(xiàn)，每20s讀取一次數(shù)據(jù)，讀取一次GPS定位信息，之后讀取值與PM10值，依次進(jìn)展，其形式如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s18SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式同時(shí)，為了便于觀察，我們可以通過串口3在地面端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展讀取，其形式如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s19串口3數(shù)據(jù)讀取形式.1PM〔PM10〕值隨海拔變化情況研究我們知道，在海拔比擬低的情況下，隨著海拔〔〔PM10〕會(huì)隨著高度的增加而減少。在本次課題中，考慮到不同天氣情況下，PM2.5〔PM10〕的值會(huì)有差異，可能會(huì)使其變化曲線圖也不準(zhǔn)確，故在兩個(gè)不同的天氣分別在不同的區(qū)域進(jìn)展測(cè)量。選擇在2016年5月11日分別在不同的地方〔改變經(jīng)緯度〕進(jìn)展測(cè)量，出于實(shí)驗(yàn)方便，選擇的地點(diǎn)即是前文提出的四個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。在天氣條件不較好，即是霧霾不是則嚴(yán)重的5月11日進(jìn)展測(cè)量，其變化的趨勢(shì)圖如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s110四個(gè)地點(diǎn)圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s111四個(gè)地點(diǎn)PM10隨海拔變化曲線圖由上圖可以知道，在PM10與在一定的高度下，都隨著高度的增高而減少，其中在不同的區(qū)域，其減少的情況不一樣。同時(shí)，在四個(gè)不同的地方因?yàn)楫?dāng)?shù)乇旧淼臍夂驐l件不一樣，也即是各地的污染情況有區(qū)別，所以其值會(huì)有一定的差異；再者，在一樣的高度下，PM10的值一般會(huì)比PM2.5小一些；同時(shí)，由圖可以看出來，隨著高度的增加，PM10的減少明顯，其實(shí)也是可以理解，畢竟隨著高度的增加，空氣動(dòng)力學(xué)直徑大的顆粒減少的顯然會(huì)更明顯。.2PM〔PM10〕值隨風(fēng)速變化情況研究PM與PM10作為固體物質(zhì)，顯然會(huì)受到風(fēng)速的影響，因?yàn)橄到y(tǒng)自帶速度測(cè)量模塊，并且前面已經(jīng)歷證過其速度測(cè)量值的可信性，所以本次實(shí)驗(yàn)中可以直接讀取其速度值，研究速度〔PM10〕的變化趨勢(shì)圖。測(cè)量時(shí)間依然是在2016年5月11日分別在不同的地方〔改變經(jīng)緯度〕進(jìn)展測(cè)量，其趨勢(shì)圖如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s112四個(gè)地點(diǎn)圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s113四個(gè)地點(diǎn)由上述兩圖觀測(cè)可以知道，隨著當(dāng)?shù)叵鄳?yīng)的速度的增加，PM2.5與PM10的值都呈下降與PM10都是顆粒物質(zhì)，當(dāng)增加風(fēng)速的時(shí)候，其擴(kuò)散程度顯然會(huì)更明顯，故顆粒物運(yùn)動(dòng)得會(huì)更快，則在單位面積內(nèi)的顆粒物的數(shù)量也就會(huì)相應(yīng)的減少，所以其值會(huì)相應(yīng)的降低。.3PM值在不同的天氣條件下隨風(fēng)速變化情況研究在不同的天氣條件下，PM或者PM10的值受到海拔與速度的影響也有一定的區(qū)別。為了具體研究其中的規(guī)律，分別在2016年5月12日，天氣較好的情況下采集數(shù)據(jù)，與2016年5月17日采集數(shù)據(jù)，研究在不同情況下PM值隨速度的變化情況。圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s114趨勢(shì)圖圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s115PM10值在兩種不同天氣情況下隨速度變化趨勢(shì)圖由上述兩圖可以看出，藍(lán)色變化曲線表示在天氣較壞的情況下采集的數(shù)據(jù)，由趨勢(shì)圖可以看出，在天氣較好的情況下〔PM值較小〕，無論是PM2.5還是PM10的變化趨勢(shì)都比擬平緩；而在天氣情況本身就比擬壞的情況下，PM與PM10值都隨著速度的逐漸變化而有比擬明顯的變化趨勢(shì)。具體滿足，速度越大PM2.5與PM10的值都減少。第5章結(jié)論與展望本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題實(shí)現(xiàn)了用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣傳感器獲取的數(shù)據(jù)與通過GPS定位信息的處理并且存儲(chǔ)的功能。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)所獲取的16進(jìn)制的數(shù)據(jù)的處理，轉(zhuǎn)換為我們易讀易記的10進(jìn)制，同時(shí)，對(duì)我們不需要的數(shù)據(jù)，也進(jìn)展適當(dāng)?shù)娜∩?。最后，通過Uvision把程序下載到單片機(jī)，并且把空氣傳感器與GPS定位模塊都搭載在一起，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)。系統(tǒng)搭建好之后，借助四旋翼無人機(jī)平臺(tái)，在不同的地方對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展采集，采集完數(shù)據(jù)之后，并且通過表格與趨勢(shì)圖的形式，得出我們所需的結(jié)論。本文主要對(duì)系統(tǒng)硬件，軟件進(jìn)展介紹，同時(shí)為了保證所測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，在進(jìn)展數(shù)據(jù)采集之前，需對(duì)所采用的傳感器與GPS定位器件進(jìn)展評(píng)估，主要是采用動(dòng)態(tài)圖的形式進(jìn)展。當(dāng)系統(tǒng)搭建完成之后，隨著幾個(gè)改變〔PM10〕隨著這幾個(gè)變量的變化曲線圖，通過對(duì)曲線圖的飛行，得出一定的結(jié)論。由于實(shí)驗(yàn)條件與畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間等方面的條件限制，本次課題也有一些不完善與可以改進(jìn)的地方。無人機(jī)限高120m，這給測(cè)量帶來一定的限制，本來一開場(chǎng)的設(shè)想是絕不止這么低的，但是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室條件只能提供這樣條件。其次，因?yàn)楸本┦袑?duì)無人機(jī)的禁飛區(qū)的存在，只能到郊區(qū)采集數(shù)據(jù)，這也在一定程度上束縛了本次課題的較為完美的實(shí)現(xiàn)。如果能夠解決上述的一些缺乏之處，那本課題還是有望取得更為完善的結(jié)果！插圖索引TOC\c"圖"圖2.1課題總體框架 3圖2.2畢業(yè)設(shè)計(jì)總體軟件設(shè)計(jì)框架圖 5圖2.3整體工作介紹框架圖 6圖2.1四旋翼無人機(jī)實(shí)物圖 8圖2.2傳感器實(shí)物圖 9圖2.3空氣傳感器輸出16進(jìn)制數(shù) 9圖2.4定位模塊實(shí)物圖 11圖2.5ATK-NEO-6M-V23根本特性 11圖2.6ATK-NEO-6M-V23電器特性 12圖2.7ATK-NEO-6M-V23原始數(shù)據(jù)輸出 12圖2.8開發(fā)板實(shí)物圖與管腳定義 13圖2.9降壓模塊技術(shù)參數(shù) 14圖2.10降壓模塊技術(shù)參數(shù) 15圖2.11存儲(chǔ)卡實(shí)物圖 16圖3.1Corte*—M3芯片構(gòu)造 18圖3.2CMSIS程序根本構(gòu)造 18圖3.3Uvision開發(fā)一般流程圖 19圖3.4J—link功能特性 19圖3.5J—link管腳功能圖 20圖3.6接收串口時(shí)序圖 21圖3.7接收串口關(guān)鍵代碼 22圖3.8查看串口關(guān)鍵代碼 23圖3.9程序設(shè)計(jì)總體框架 24圖3.10程序設(shè)計(jì)總體框架 25圖3.11定位信息獲取關(guān)鍵代碼 26圖3.12單個(gè)衛(wèi)星信息圖 26圖3.13衛(wèi)星精度分析局部 27圖3.14FATFS代碼功能對(duì)應(yīng)圖 28圖3.15FATFS關(guān)鍵代碼 28圖4.1系統(tǒng)整體實(shí)物圖 29圖4.2改變室內(nèi)環(huán)境所得的PM曲線圖 30圖4.3單片機(jī)與定位模塊的典型連接 31圖4.4u-center測(cè)量GPS定位模塊的輸出界面效果 31圖4.5實(shí)驗(yàn)室測(cè)量海拔對(duì)時(shí)間變化曲線圖 32圖4.6校園海拔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)圖 33圖4.7校園速度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)圖 34圖4.8SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式 35圖4.9串口3數(shù)據(jù)讀取形式 35圖4.10四個(gè)地點(diǎn)PM2.5隨海拔變化曲線圖 36圖4.11四個(gè)地點(diǎn)PM10隨海拔變化曲線圖 36圖4.12四個(gè)地點(diǎn)PM2.5隨速度變化曲線圖 37圖4.13四個(gè)地點(diǎn)PM2.5隨速度變化曲線圖 38圖4.14PM2.5值在兩種不同天氣情況下隨速度變化情況 39圖4.15PM10值在兩種不同天氣情況下隨速度變化情況 39表格索引TOC\h\z\c"表"表2.1空氣傳感器輸出位數(shù)意義10表3.1系統(tǒng)串口對(duì)應(yīng)功能圖20參考文獻(xiàn)[1]李德仁,李明,無人機(jī)遙感系統(tǒng)的研究進(jìn)展與應(yīng)用前景[R],武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，第39卷第5期[2]黃澤滿，劉勇,周星，陳天偉,梁毅東,民用無人機(jī)應(yīng)用開展概述[J],赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)〔自然科學(xué)版〕,第30卷第12期〔下〕[3]寧愛民,文軍浩,鄭德智,樊尚春,PM2.5監(jiān)測(cè)技術(shù)及其比對(duì)測(cè)試研究進(jìn)展[J],計(jì)測(cè)技術(shù)綜合評(píng)述[4]郭堅(jiān)，基于SIM908的無人機(jī)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D],天津大學(xué)電子工程學(xué)院[5]KenzoNONAMI:ProspectandRecentResearch&DevelopmentforCivilUseAutonomousUnmannedAircraftasUAVandMAV[J],JournalofSystemDesignandDynamics,Vol.1,No.2,2007.[6]MiguelAlvarado,FelipeGonzalez,AndrewFletcherandAshrayDoshi,TowardstheDevelopmentofaLowCostAirborneSensingSystemtoMonitorDustParticlesafterBlastingatOpen-PitMineSites[J],Sensors2015,15.[7]VanesaGallego,MaurizioRossiandDavideBrunelli,Unmannedaerialgasleakagelocalizationandmappingusingmicrodrones[J],978-1-4799-6117-7/15/$31.00?2015IEEE[8]PatrickHaas,ChristopheBalistreri,PieroPontelandolfo,GillesTriscone.DevelopmentofanunmannedaerialvehicleUAVforairqualitymeasurementsinurbanareas[J].16-20June2014,Atlanta,GA[9]JenniferYick,BiswanathMukherjee,DipakGhosa,Wirelesssensornetworksurvey[J],Volume52,Issue12,22August2008[10]高精度激光PM2.5傳感器使用手冊(cè)[Z]，2015年版，濟(jì)南參謀通訊技術(shù)[11]ATK—NEO—6M用戶手冊(cè)[Z]，2014年版，廣州市星翼電子科技[12]STM32不完全手冊(cè)_庫函數(shù)版本V3.1,2013年版[Z]，廣州市星翼電子科技[13]Corte*—M3技術(shù)參考手冊(cè)[Z]，2012年版，廣州周立功單片機(jī)開展[14]ALIENTE*MiniSTM32開發(fā)入門教程[Z]，2014年版，廣州市星翼電子科技[15]STM32ReferenceManual(RM0008)[Z],2009年版，stmicroelectronics[16]吳東國，基于四旋翼飛行器平臺(tái)的低空遙感技術(shù)在公路環(huán)境調(diào)查中的應(yīng)用[J]，2012，1~2.致謝聲明附錄A外文資料的調(diào)研閱讀報(bào)告Mini-UAVBasedSensorySystemforMeasuringairqualityIntroductionThehazehasbecomeworseandworseinsomeChinesecitiessuchasBeijing,Shanghaitheseyears,somestudieshaveshownPM2.5playsasignificantroleinhazedisaster.However,therearesomelackingincurrentmainstreammethodsofmeasuringPM2.5.Fore*ample,atlowaltitude,inthecitieswithdensebuildingsandsoon,itisinconvenienttouseasatellitetomeasurePM2.5.Anunmannedaerialvehicle(UAV)isanaircraftcontrolledbyawirelessremoteorapredeterminedprogramandissometimesusedtoperformaspecifictask.Itcannotcarrypeopleandonlycarrysomerelativelylightobjects.TheUAVusethepoweroftheairtofly,itcanflyautomaticallyandremotely.TheapplicationsofUAVhavemadegreatprogress.UAV(UnmannedAerialVehicle)isane*tremelyimportantproductwiththeprogressofscience,theUAVhassomeadvantagessuchasnocasualtiesrisk,versatile,survivalability,lowcost,goodmobility,easytouseandsoon.TheseadvantagesmakeMini-UAVbecomeswidelyusedinvariousareas,suchasRemoteGasSensing,AirPollutantMonitoring,VariablesinGreenhouses,BlastingatOpen-PitMineSitesandsoon.Inthisreview,weaimtohighlightthee*tensiveuseofMini-UAV,thefeasibilityforusingMini-UAVtoachievethispurpose,andthebasicallyrequiredconditionandsoon.ReviewDevelopmentofautonomousuninhabitedaircraft,intheformofUAVs(UnmannedAerialVehicles)andMAVs(MicroAirVehicles)outfittedwithautonomouscontroldeviceshasprogressedquicklyinrecentyears,andinterestinthefieldcontinuestospread.Eventhoughthepremierapplicationisformilitaryuse,itisundeniableautonomousuninhabitedaircraftalsoholdremarkablepotentialforcivilapplicationsindatacollectionandremotesensing.TheuseofMini-UAVforatmosphericresearchhavemadeagreatprogress.Theirhighmaneuverabilityandeaseofdeploymentmakeiteasyforthemtosampleareaswithconventionalandsimpleplatforms.Especiallyappliedtoairtesting,environmentalmonitoringsuchastheearthquakeareaorwherethefirebrokeoutandsoon.UAVplatformshavealsoplayedamoreandmoreimportantandpopularroleinatmosphericchemistryfieldstudies,suchasDustParticlesafterBlastingatOpen-PitMineSites[1].MountingSHARPGP2Y10astheairsensor,intoasmallfour-wingandmulti-rotoraircraft,collectingtheairqualitydatastreamedduringitsflightandcharacterizingblastingplumesinnear-realtime.Andindicatedthatintegrationofairqualitysensorandautopilotdataisfeasibleandwillcharacterizeairborneparticulatesintimeandspace.Simultaneously，Wecanpresentanautonomous-mobilegasdetectionsystemtoassessthemeasurementofspecificgasconcentrationsinawiderangeofoutdoorapplications.Thisisespeciallyofinterestinthoseharshenvironmentswhereitisimpracticaloruneconomicaltoinstallafi*edarrayofgassensors.Thesystemisabletoworkinpotentiallyhazardousemissionsareas-to*icgasleakages-incompletelysecureworkingconditionsfortheoperators.UsedaspayloadonanUnmannedAerialVehicle(UAV),itcanprovidegasmeasurementswithadaptiveandhighresolutionsamplingratesinaccordancetogasconcentrationandcarrierspeed[2].Thispaperusedtwooff-the-shelfavailablesensors,namely,theMiCS-5121forCO/VOCandtheMiCS-5525forCOmeasurement.Fromthispaperwecanconcludethatthesamplingresolutionmustbeasquicklyaspossibletorapidlylocatetheareaofinterestandeventuallytocopewiththerapiddynamicsintrinsictogaspropagationinrealenvironments.Atthesametime,ithasbeenprovedthatwecanuseUAVtomeasureairquality[3].Basedonane*istingUAVplatformfromfly-n-sense,asystemforairqualitymeasurementisdeveloped.Thesystemisa