..>--.--考試資料.綜合論文訓練題目：基于四測量..>中文摘要近年來，隨著無人航空技術開展的日趨完善與成熟，無人機逐漸受到重視并且得到廣泛應用。無人機憑借其機動強、經濟上較為實惠、方便起飛、降落等方面的優勢，越來越受到人們的青睞。同時，無線遙感技術的飛速開展與日趨完善，也在很大程度推動了無人機的應用，無人搭載平臺在空氣檢測、環境監測、惡劣條件偵探、航拍等方面都得到廣泛應用。本課題以無人機作為搭載平臺，搭載空氣傳感器與GPS模塊，實現對PM2.5與PM10數據的采集，在PC端通過單片機編程，實現SD卡存儲所采集的數據，到達空氣質量檢測的目的。本文依次介紹系統的硬件局部、軟件局部。之后，對傳感器的可信度進展評估，介紹如何通過單片機編程實現用SD卡存儲PM2.5〔PM10〕值。最后對采集的數據進展處理，繪制PM2.5〔PM10〕隨著不同的經緯度、高度、風速的變化趨勢曲線圖，得出結論。關鍵詞：四旋翼無人機；SDS011激光傳感器；STM32單片機；數據儲存與顯示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無人機概述11.1.2PM2.5〔PM10〕國內外檢測現狀概述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章系統硬件概述與設計72.1四旋翼無人機搭載平臺介紹72.2SDS011高精度激光傳感器82.3ATK-NEO-6M-V23定位模塊102.4開發板132.4.1開發板簡介132.4.2單片機給電模塊142.4.3數據存儲模塊15第3章系統軟件概述與設計173.1系統環境與軟件開發工具173.1.1RealviewMDK介紹173.1.2J—Link仿真調試193.2串口對數據的輸入與查看203.2.1數據輸入串口20223.3系統環境與軟件開發工具233.3.1軟件設計程序設計整體構架233.3.2系統模塊初始化243.3.3對空氣傳感器數據處理243.3.4對GPS定位信息進展處理253.3.5存儲局部代碼實現27第4章系統實現過程294.1空氣傳感器數據實現304.2GPS定位模塊數據實現314.2.1海拔準確度測量324.2.2地面風速測量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〕值隨風速變化情況研究374.3.3PM值在不同的天氣條件下隨風速變化情況研究38第5章結論與展望40插圖索引41表格索引43參考文獻44致謝45聲明46附錄A外文資料的調研閱讀報告47..>第1章引言1.1課題背景"無人機〔unmannedaerialvehicle，UAV〕是一種帶有動力裝置，具有自主導航能力，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，利用無線電實現通信功能，通過預設的計算機程序實現無人機的飛行、懸停、降落等根本功能。無人機最初主要被用于軍事，主要用于軍事偵查、監視、通信等，實現一些載人飛機難以實現甚至是無法實現的功能，從投入市場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無人機的限制，無人機參軍用領域逐漸邁入民用領域，民用無人機在航拍、公共平安、應急搜索、環境監測、交通情況監測等方面的應用都日漸廣泛。無人機在很多方面有載人飛機無法比擬的優點，比方本錢低廉、起飛簡單、不需要專用的場地進展起飛與降落等。同時，無人機的控制相對較容易，一般可以直接通過遙控器實現起飛、懸停、降落、加速、減速等功能。再者，一般的民用無人機體積相對較小，造價較低廉，實用性也較強。當前國內較受歡迎的無人機公司主要有大疆、零度智控、智能鳥等。1.1.2PM〔PM10〕國內外檢測現狀概述"總懸浮顆粒物包括漂浮在空氣中的固體與液體顆粒物，一般以其空氣動力學直徑作為評判依據，其空氣動力學直徑在-100um范圍內。習慣上人們一般把空氣動力學直徑小于um的可吸入顆粒物；相應的，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〞現象日趨嚴重，成為威脅人們生活的罪魁禍首，其中最主要的污染源一般就是指PM與PM10。本課題利用無人機搭載平臺的組成的系統，主要的構成局部包括空氣傳感器局部，GPS定位模塊，數據存儲模塊，無人機控制模塊，整體控制模塊等。"基于無人機平臺應急監測關鍵技術與應用研究〞課題是我國首次利用無人機進展環境監測實驗，截止到當前該研究已經取得了相比照較完善的研究成就。最近幾年以來，隨著民用無人機技術的飛速開展與逐步成熟，利用無人機作為搭載平臺進展環境監測的應用也逐漸廣泛起來。現在一般的測量包括航拍，監控，氣體監測等，其應用領域已經涵蓋"霧霾〞，溫室氣體，水質好壞等等，而且我們有理由相信，隨著技術的進一步開展，無人機在環境監測這一塊的應用必將取得更為廣闊與成熟的應用。本課題借助零度公司的四旋翼無人機作為搭載平臺，激光傳感器作為空氣傳感器模塊局部，STM32F103RCT6開發板核心板單片機實現開發功能，Ublo*NEO-6M帶天線5HzGPS模塊實現GPS定位，直接利用無人機電源供電，采用Mini-360航模降壓電源模塊對電源降壓，獲得所需電壓。通過單片機編程，對所獲取數據進展處理，獲得需要的數據局部，把提取好的所需數據存儲在存儲卡。讀取數據，在PC端對數據進展處理，通過數據處理軟件例如E*cel等對所采數據處理，畫出比照趨勢曲線，進展比照，得出結論。1.2課題的研究的目的和意義當前的空氣監測方法特別〔PM10〕的測量存在一定的問題，大局部的城市測量只能在選定的地點，固定的高度進展固定的采樣。顯然，該測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的問題。基于該問題，本文企圖利用無人機隨時懸停，易于控制的優勢，更好的、更客觀的取得觀測數據。本課題通過嵌入開發平臺設計空氣質量監測系統，通過無人機的遙控器實現無人機的起飛與停頓，利用GPS定位模塊實現對無人機位置獲取，位置信息一般包括經度，緯度，高度，當地風速等參數，通過空氣傳感器實時獲取值，PM10值，獲得在采樣點的數據值之后，經過單片機〔STM32〕編程，把數據以T*T文件格式存儲在SD卡中，返回地面進展處理，繪制曲線趨勢圖，得出結論。把系統總體構架與功能實現之后，在北京市不同的地方分別進展測量，因為禁飛區的緣故，選擇在六環外進展測量。選擇不同的天氣〔改變基值〕，在不同的地點〔經緯度不同〕采集數據；在同一的地點〔經緯度不變〕，通過遙控器，改變無人機飛行的高度〔不同的海拔〕獲取相應的點的采樣數據。最終把所有獲取的數據，拿到地面端的PC機進展處理，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，分別采集數據，繪制〔PM10〕值隨著經緯度的變化的曲線圖；以及繪制出不同風速條件下的曲線圖等。利用無人機的優點，在不同的氣候條件下，原則上在任意位置進展實時測量，可以獲取相比照較準確且客觀的數據，可以在一定程度上，改善當前客氣測量的缺乏，能夠優化空氣測量研究與探索，能夠更好的利用無人機實現為人類效勞的目的。本課題是基于無人機平臺〔PM10〕測量，空氣傳感器〔PM10〕值，輸出16進制數字。GPS模塊輸出一系列信息，其中都以16進制形式呈現，通過STM32進展編程，把有用的信息提取出來，以T*T文件形式保存下來，測量完所需數據，拿到PC端進展處理，畫出趨勢比照圖，得出結論。課題的總體框圖如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s11課題總體框架系統工作過程為：1—5V電壓轉換功能，輸出的5V電壓分別給單片機供電，從單片機的兩個輸出端口接出一個5V給空氣傳感器供電，接出一個V電壓給GPS定位模塊供電。2．通過兩個串口把兩個模塊輸出的十六進制數據分別輸入到STM32單片機3．編程實現對兩組十六進制的數據分別轉化為可視性的10進制數，并且把一些不必要的數據進展合理的取舍，獲得所提取的數據4．通過編程，利用STM32開發板對所獲取的數據進展存儲，每隔20s〔PM10〕的數據值，一次GPS信息值〔經緯度，海拔，地面速度，時間等〕，交替循環實現數據的存儲。為了便于顯示與讀取的方便，每20s之后，T*T文件自動換行。其中本次課題很重要的局部是編程代碼實現對數據的提取，獲取實驗需要的必要數據，同時，對所獲取的數據進展存儲。實現過程通過利用KeiluVision實現程序的編寫與程序的加載〔燒錄〕，采用C語言編寫，調試完成之后，把代碼燒進開發板。每次上電之后，按下"reset〞鍵，系統開場自動測量數據，此時在地面端，通過串口3可以收到"OK〞確認符號，在串口可以直接看出數據存儲情況。軟件編碼模塊的主要框架如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s12畢業設計總體軟件設計框架圖各個局局部別實現的功能如下：1.啟動STM32，運用KeiluVision官方網站自帶的啟動文件實現，實現單片機的啟動功能與中斷等根本功能2.因為GPS模塊輸出的數據較多較雜，而且是以十六進制的形式實現對所需信息的提取，對模塊輸出的數據進展數據處理，包括16進制轉10進制，去掉無用信息，提取其中有用信息包括經度、緯度、高度、風速、日期等。3.通過串口2實現〔PM10〕數據的輸入、處理。把十六進制數轉化為十進制，并且的數值與PM10數值，同時，為了保證準確度，也讀取出校驗和，對其他無用的數據進展舍去。4.獲得數據之后，需要通過STM32的中斷與停頓等功能實現對數據的合理輸入與處理，因為兩組數據都是每20秒發十次，出于顯示的方便，每20秒選擇分別采十組數據，然后以接收一組定位信息，之后接收〔PM10〕的形式進展存儲，為了便于后期處理，每讀取10組數據之后，T*T文件空一行，一次讀取。5.采集完數據，通過數據處理軟件〔MATLAB或E*cel〕繪制表格與趨勢變化曲線圖，比照得出結論。1.4整體工作介紹本次畢業設計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章系統硬件概述與設計完善的軟硬件配合是系統能否正常工作的必要條件，硬件作為系統的必要的軀干或框架，是系統可以正常運行的根底。本局局部模塊地對系統的硬件局部進展介紹，并且將各個局部有機的結合在一起，用以構建一個完整的空氣檢測系統。2.1四旋翼無人機搭載平臺介紹隨著各國政府對無人機的管制逐步放松，無人機技術如雨后春筍般飛速開展，無論是國內還是國外，無人機技術都取得了長足的進步，并且得到較好的應有。當前無人機無論是在航拍、緊急情況偵探〔地震，火山等〕、環境監測等方面都逐步取得比擬良好與廣泛的應用。"四旋翼飛行器具備4個螺旋槳，四個螺旋槳呈十字形穿插構造分布。相對的螺旋槳具有一樣的旋轉方向，相反的螺旋槳旋轉方向相反。〞吳東國，基于四旋翼飛行器平臺的低空遙感技術在公路環境調查中的應用[J]，2012，1~2.本文采用的無人機是"零度智控〞捐贈給實驗室的小型的無人機，除去本身自帶的云臺之外，可以額外搭載200g的物體，滿足實驗所需要求。無人機最高垂直速度為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驗要求。無人機自帶電源，可以外接，單片機與幾個傳感器所需電壓由無人機外接電源直接引出，通過降壓模塊可以得到所需電壓。無人機實物圖如下：吳東國，基于四旋翼飛行器平臺的低空遙感技術在公路環境調查中的應用[J]，2012，1~2.圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s11四旋翼無人機實物圖2.2SDS011高精度激光傳感器出于實驗方便考慮以及由于實驗室條件限制，本次實驗只值與PM10的值。實驗采用SDS011高精度空氣質量傳感器，該傳感器采用激光散射原理，可以較為準確得測量出空氣中—10um的顆粒物，內置風扇，上電就直接可以輸出16進制數據。經過在實驗室的觀測測量，對其測量精度進展評估，可以驗證其穩定度與準確度都比擬高。其實物圖如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s12傳感器實物圖傳感器加上5V電壓之后，就會源源不斷與PM10的值，以16進制形式呈現，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，其數據原始輸出如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s13空氣傳感器輸出16進制數其串口速率為9600，串口上報通訊周期為1.5s，即是每一分鐘可以收到40組數據。其數據定義如下：表STYLEREF1\s0.SEQ表\*ARABIC\s11空氣傳感器輸出位數意義列號12345678910意義報文頭指令號PM2.5低字節PM高字節PM10低字節PM10高字節保存位保存位校驗和報文尾其中PM2.5值：〔〔PM2.5高字節*256〕+PM2.5低字節〕/10其中PM10值：〔〔PM10高字節*256〕+PM10低字節〕/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，可以通過串口設置各種參數，并且可以把各類參數保存在EEPROM中，模塊自帶充電電池，支持冷啟動與熱啟動兩種各種模式。其實物圖如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s14定位模塊實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，即可以通過串口進展數據讀取，其格式如下：

圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s17ATK-NEO-6M-V23原始數據輸出由上圖可以知，輸出的數據是一組星歷值，其中的很多數據對本次課題無用，甚至對本次實驗而已是冗雜的。為了實驗研究方便，需要把需要的數據比方：時間、日期、經緯度、高度、風速等信息提取出來，把不需要的數據直接舍去，供本次實驗使用。2.4開發板為了實驗研究方便，本次實驗采用正點原子STM32F103RCT6開發板核心板。該開發板功能較強大，應用較廣，常見的單片機開發功能都具備。其中，本次實驗需要的主要功能為：外接電源，數據提取，16進制轉換為10進制，根本的中斷與停頓，數據存儲等，該開發板都可以比擬好的滿足。2.4.1開發板簡介開發板重約50g，面積較小，滿足本次實驗中無人機搭載物體重量與面積的需求。單片機的整體實物圖與管腳定義圖如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s18開發板實物圖與管腳定義本次課題主要應用的模塊局部有三個串口，串口1〔PA10〕〔PM10〕的數據輸入，串口2〔PC11〕用于定位信息輸入，串口3〔PC10〕用于直接實時的在PC端查看數據的采集情況。單片機的給電，通過5V電源輸出/輸入進程給電。金士頓64G的存儲卡固定在SD卡接口，即可以進展數據存儲。2單片機給電模塊本課題設計的系統需要給電的局部包括STM32單片機局部，SDS011高精度激光傳感器，ATK-NEO-6M-V23定位模塊三局部。無人機給出的是V的輸出電壓，為了實現實驗的要求，選擇采用降壓模塊，考慮到實驗方便與實驗的功率要求，實驗采用Mini-360航模降壓電源模塊進展，該模塊參數如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s19降壓模塊技術參數該降壓模塊的正反面實物圖如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s110降壓模塊技術參數通過降壓模塊之后，得到5V的輸出電壓，把5V的穩定電壓給到單片機的5V電源輸出/輸入接口，即實現對單片機的供電。同時，從單片機的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，即實現本次課題的供電情況。2數據存儲模塊考慮到實驗采集數據的量的需要，本次實驗采用金士頓64G的microSD卡作為存儲器，其實物圖如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s111存儲卡實物圖本模塊比擬簡單，當需要的實驗的時候，直接把卡插到單片機的SD卡槽即可，當需要讀取數據的時候，用手機或打卡器對數據進展直接讀取即可。*E"圖2.2.1透視投影的幾何關系圖"第3章系統軟件概述與設計如果硬件是系統的軀干或者是主體構架，軟件則是系統的血與肉，只有硬件的系統顯然是不完善的，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，應用KeiluVisionn5作為編程軟件，主要涉及串口通信，中斷與停頓，數據存儲等功能。3.1系統環境與軟件開發工具本次畢業設計課題系統選用ST〔意式半導體〕公司生產的STM32F103RCT6核心芯片作為核心微處理器，該微處理器具有較大的優勢與便利，核心芯片的處理器選用當前主流的Corte*—M3作為內核，同時，Corte*—M3采用目前最為主流的ARMV7—M構架。采用的主要開發工具為RealviewMDK，其功能強大，包括uVisionIDE，ARM編譯器，中間庫，調試跟蹤支持，ARM處理器支持，操作系統等，一般而言，該系統支持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，本次實驗通過J-link下載，通過J-link線連接PC機與單片機即可，一次下載之后，程序不會消失，之后只要上電就可以直接運行，給實驗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各種嵌入式處理器的一種實用性很強的軟件開發工具，ARM公司的前身是德國的一家軟件開發公司。MDK主要由uVisionIDE，ARM編譯器，中間庫，調試跟蹤支持等局部組成。〞本課題采用最新的Uvision5作為開發工具，最新的開發工具具有很多優點，延續其前身的各種優點，同時也額外增加很多額外的功能。其中，Corte*芯片構造如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s11Corte*—M3芯片構造基于Corte*—M3有一套標準，一般命名為CMSIS〔Corte*MicrocontrollerSoftwareInterfaceStandard〕，其應用程序的一般構造如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s12CMSIS程序根本構造使用MDK開發的一般流程如下：新建工程〔工程〕編寫目標文件，當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有問題，對問題修改鏈接設備，下載程序，運行一般軟件開發的流程如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s13Uvision開發一般流程圖3.1.2J—Link仿真調試為了支持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等內核芯片的仿真，操作簡便，易學易懂，是ARM芯片開發最實用的開發工具。其主要特性如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s14J—link功能特性本次實驗采用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轉接實現PC機與的J—link的通信、調試、控制等工作，當用作J—link時，其管腳定義如下所示：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s15J—link管腳功能圖3.2串口對數據的輸入與查看本次課題，數據的輸入主要采用的是單片機的兩個串口。其中，為了地面端驗證系統與程序的正確性，增加了在地面端通過串口查看數據的功能，該功能實現在地面端直接通過串口3查看的功能，當系統的SD卡連接成功并且初始化成功，數據的輸入都正確實現的情況下，可以在串口每隔20s收到一組數據。假設要在地面端通過PC機實時查看結果，則也可以通過串口直接進展查看，其中的串口定義如下：表STYLEREF1\s0.SEQ表\*ARABIC\s11系統串口對應功能圖串口代碼123對應端口號PA10PC11PC10功能實現PM2.4〔PM10〕數據輸入端口GPS定位信息輸入端口地面端通過PC機查看系統運行情況3.2.1數據輸入串口數據的輸入主要是借助單片機的兩個串口實現，其中串口1用于〔PM10〕進展輸入，接收到的信息主要是s為周期的16進制字符串，我們需要對其進展處理。串口2主要接收的是GPS定位信息，顯然，收到的也是一些16進制呈現的字符串，我們需要做的后續工作是對其進展解析與提取，并且把一些不需要的數據進展合理的取舍。在該過程中，因為涉及到兩個串口的輸入，則會有時序問題。本次實驗考慮到數據讀取與顯示方便，時序邏輯如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s16接收串口時序圖具體到代碼實現過程中，用兩個時間來計數，TM1，作為每次輪換的時間，其閾值為S，當低于時候，則繼續讀取，否則轉換為另外一組數據的讀取。為了使讀取數據可讀性更好，定義TM2，TM2作為是否空行的時間點，其閾值為20s，假設從開場到當前時間小于TM2，則選擇一直讀下去，否則空行，進展下一組測量。考慮到無人機上天之后，無法進展控制，本次課題中也就沒有增設其他的控制信號。以上的局部的關鍵代碼如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s17接收串口關鍵代碼3.2.2數據查看串口為了在無人機起飛之前對系統的正確性與準確性有一個比擬直觀的認識與保證，在地面對通過串口3直接查看數據存儲情況，其查看的原理為：當地面端的加電，并且初始化成功，所謂初始化成功指的是，兩個傳感器可以正確的獲取數據，并且SD卡初始化沒有問題，當按下單片機的"reset〞鍵之后，在串口3看到返回一個"OK〞的提示符，提示系統初始化成功，并且準備下一期的數據讀取與存儲。其關鍵局部代碼為：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s18查看串口關鍵代碼3.3系統環境與軟件開發工具3.3.1軟件設計程序設計整體構架空氣監測系統的主要與PM10的數據的獲取與采集，并且實時的獲得當地的定位信息，包括經緯度、高度、當地風速、時間等。獲得數據之后，把數據傳給單片機的串口，通過編程實現對數據提取，并且對所采數據進展十六進制轉化，通過FATS文件格式進程存儲，其總體構架如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s19程序設計總體框架3.3.2系統模塊初始化系統模塊初始化作為實驗的根本條件，完善的并且正確的初始化，才能保證系統準確的運行。該系統因為應用STM32F103RCT6，如果涉及用PC機觀測數據的則需要三個串口，不需要直接觀測則需要應用兩個串口，STM32系列核心芯片有5個串口，則系統在開場運行的時候的首要工作就是對串口數據進展初始化，如果系統初始化成功，則久可以直接通過串口空氣質量數據與GPS定位信息進展數據傳輸。再者，因為涉及到上電與下電問題，當系統初始話，發現SD卡沒有數據的時候，會重新，并且把所讀取數據依次保存下來，當然，當遇到突發情況，中途意外斷電有上電的時候，則可以直接把數據存儲到SD里。3.3.3對空氣傳感器數據處理加電之后，空氣傳感器輸出的數據是一組10位的16進制數，然而本次實驗并不都需要，我們可以應該考慮用10進制的進展表示，這些局部我們都通過編程實現。采用一個數組pm25buf[10]用于〔PM10〕值，并且通過截斷，保存其中的五組值，五組的高字節與低字節，PM10的高字節與低字節，以及其中的校驗和。直接通過printf("%s",p)，把數據轉換為10進制并且保存，其主要代碼如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s110程序設計總體框架3.3.4對GPS定位信息進展處理由前面的介紹可以知道，GPS輸出的數據是一組很不完善的以16進制顯示的數據，本次實驗只需要經緯度，高度，地面風速等，故在實際的過程中，需要設計適當的程序對數據進展適當去提取。該算法參考戰艦給的例程進展，主要的代碼如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s111定位信息獲取關鍵代碼圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s112單個衛星信息圖圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s113衛星精度分析局部這樣最后輸出的輸出結果就是理想的需要的結果，亦即是最終獲取的是經緯度，海拔，地面速度，時間。3.3.5存儲局部代碼實現獲取數據之后，剩下的重點工作是如何實現對數據的存儲，本次課題采用的是基于FATFS的文檔存儲。其中FATFS是一個完全開源的基于C語言編寫的FAT文件系統，對大局部的單片機開發系統都具有較強的實用性，具有良好的硬件平臺獨立性與可移植性，對51系列單片機，ARM系列單片機等都有很強的適用性與較好的準確度。本次實驗，在參照戰艦提供的實驗根底上進展。以下為主要存儲局部的代碼名稱與其實現的主要功能：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s114FATFS代碼功能對應圖其中主要的關鍵代碼如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s115FATFS關鍵代碼第4章系統實現過程對整體系統而言，涉及到對元器件的拆卸與裝載，以及把系統部件安裝到無人機進展數據采集，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，用較輕的轉接板搭載所需的元器件。同時，為了驗證器件的正確性，在進展測量之前，對傳感器與定位模塊都進展校準。在所有系統搭建完成之后，為了驗證可行性，先在地面端進展數據采集，并且得出一定的結論，之后在把平臺搭建到無人機進展空中采集數據。總體實物圖為：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s11系統整體實物圖空氣傳感器數據實現當前市面上的空氣傳感器較多，一般也空氣動力學直徑作為衡量標準，出于實驗方便與實驗準確度的考慮，本次實驗選擇以光學散射原理的傳感器。為了準確的驗證其準確度，在拿到傳感器之后，選擇在實驗室首先對傳感器的準確度進展驗證，如果誤差范圍較大，則不予采用；假設誤差在可以忍受的范圍內，則對其精度進展校準，直到獲得較為客觀與準確的測量精度為止。拿到傳感器，在實驗室營造一個環境，在適當改變傳感器周圍的空氣狀況的情況下，通過串口獲取每時每刻的測量值，并且與當時所給的官方的PM值進展比照，得出結論。可以得出如下的走勢圖：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s12改變室內環境所得的PM曲線圖在上述曲線圖中，系列1值，系列2代表PM10值，與當時〔2016/4/18/10〕北京市天氣預報中心所給數據根本一致。通過屢次實驗數據的采集，以及最后的仿真數據的查看，我們可以知道，該傳感器根本上滿足本次課題的需求，無論從其實驗精度，實驗數據的可讀性，實驗數據的發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據收集模塊。數據實現該GPS模塊為戰艦開發板的一個小模塊，準確度很高，同時也與所買的單片機可以完美的結合，獲取數據簡單，在室內通過外接天線就可以實現定位，在室外測量直接上電，當指示燈指示正確工作之后，就可以讀取數據。以下是單片機與GPS定位模塊一般的連接示意圖：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s13單片機與定位模塊的典型連接示意圖為了評估測量精度與保證課題的準確性，在選定該定位模塊之前，采用軟件u-center對模塊進展測量。數據的接入主要采用實驗所給的串口調試助手進展，可以看出翻開的u-center效果如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s14u-center測量GPS定位模塊的輸出界面效果.1海拔準確度測量為了驗證測量的可靠性，首先在實驗室進展測量，因為實驗在9樓，可以北京市的平均海拔大概在m，可以算出實驗室的高度大概為〔43+3*9〕=(70)m左右，在實驗室采集數據十分鐘，對數據進展描圖如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s15實驗室測量海拔對時間變化曲線圖由上圖可知，模塊在初始化的時候，其誤差比擬大，當隨著模塊逐漸穩定之后，其總體海拔大概在70m左右細微飄動，與預期相符。當然，上圖只是當模塊的地理位置沒有發生變化時的曲線圖，本次實驗是在動態情況下進展，為了驗證該要求，用自行車載著模塊在校園測量了一圈，得出曲線圖如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s16校園海拔監測數據變化趨勢圖由上圖可以看出，在校園用自行車采集的半小時的數據，雖然過程中也出現一些誤差較大的數據，整體大致在45m左右，符合實際情況，而且也沒有急劇變化這些惡性數據，去掉一些特殊點之后，發現模塊的海拔測量無論在動態還是在靜態測量都是比擬準確的，滿足課題要求。.2地面風速測量我們〔PM10〕值與觀測點的風速或者觀測點本身的運動速度有關，為了更客觀的研究，我們需要研究無人機的飛行過程甚至是懸停過程中觀測點的實時速度。該GPS模塊剛好自帶速度測量儀，在采用其數據之前，需要對其精度進展評估，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上，通過改變自行車車速或者無人機的飛行速度，以取代比擬客觀數據，如果在采集到的數據與實際情況比擬接近，則模塊的評估可靠，該模塊的速度數據也可以直接采用。以下是2016/5/11日在校園采集的數據：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s17校園速度監測數據變化趨勢圖由上圖可以看出，因為是在校園騎車，一開場上路的時候，速度較慢，中途遇到行人，遇到其他的貨車等原因，可以看出：前進速度大致為5，與實際情況比擬符合。同時，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，故本次實驗可以采用本模塊進展。.3經緯度測量課題的最初目的是想測量在不同的區域，通過改變不同的經緯度進展測量，比方在清華校園內改變不同的地點，把中央主樓與五道口測得的數據進展比照，得出結論。可惜的是，北京市六環以內是禁飛區，所給無人機并不能實現起飛的目的，應選擇在北京市郊區進展測量，測得點1：昌平區的居民區，南邵鎮〔北緯N40°12′″東經E116°16′″〕，測量點2：西山農場〔北緯N40°06′″東經E116°05′″〕，測量點3：定福莊鄉〔北緯N39°36′″東經E116°16′″〕，測量點4：甘棠鎮〔北緯N39°51′″東經E116°48′″〕。分別在四個測量點，分別改變其經緯度，在不同的天氣情況下，進展測量，得出結論，并且繪制表格。在本次實驗中，因為GPS模塊本身自帶經緯度測量，我們可以看出，分別在四個點甚至是更多的點讀取數據，與當前主流的APP給出的經緯度是吻合的，故我們可以采用其經緯度的數據直接進展數據測量。4.3PM〔PM10〕值變化情況研究通過上面的分析可以獲知，最終存儲在SD卡的數據主要以10進制形式呈現，每20s讀取一次數據，讀取一次GPS定位信息，之后讀取值與PM10值，依次進展，其形式如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s18SD卡數據存儲形式同時，為了便于觀察，我們可以通過串口3在地面端對數據進展讀取，其形式如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s19串口3數據讀取形式.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〕的值會有差異，可能會使其變化曲線圖也不準確，故在兩個不同的天氣分別在不同的區域進展測量。選擇在2016年5月11日分別在不同的地方〔改變經緯度〕進展測量，出于實驗方便，選擇的地點即是前文提出的四個觀測點。在天氣條件不較好，即是霧霾不是則嚴重的5月11日進展測量，其變化的趨勢圖如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s110四個地點圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s111四個地點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，其中在不同的區域，其減少的情況不一樣。同時，在四個不同的地方因為當地本身的氣候條件不一樣，也即是各地的污染情況有區別，所以其值會有一定的差異；再者，在一樣的高度下，PM10的值一般會比PM2.5小一些；同時，由圖可以看出來，隨著高度的增加，PM10的減少明顯，其實也是可以理解，畢竟隨著高度的增加，空氣動力學直徑大的顆粒減少的顯然會更明顯。.2PM〔PM10〕值隨風速變化情況研究PM與PM10作為固體物質，顯然會受到風速的影響，因為系統自帶速度測量模塊，并且前面已經歷證過其速度測量值的可信性，所以本次實驗中可以直接讀取其速度值，研究速度〔PM10〕的變化趨勢圖。測量時間依然是在2016年5月11日分別在不同的地方〔改變經緯度〕進展測量，其趨勢圖如下：圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s112四個地點圖STYLEREF1\s0.SEQ圖\*ARABIC\s113四個地點由上述兩圖觀測可以知道，隨著當地相應的速度的增加，PM2.5與PM10的值都呈下降與PM10都是顆粒物質，當增加風速的時候，其擴散程度顯然會更明顯，故顆粒物運動得會更快，則在單位面積內的顆粒物的數量也就會相應的減少，所以其值會相應的降低。.3PM值在不同的天氣條件下隨風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別。為了具體研究其中的規律，分別在2016年5月12日，天氣較好的情況下采集數據，與2016年5月17日采集數據，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圖由上述兩圖可以看出，藍色變化曲線表示在天氣較壞的情況下采集的數據，由趨勢圖可以看出，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。具體滿足，速度越大PM2.5與PM10的值都減少。第5章結論與展望本次畢業設計課題實現了用單片機實現了對空氣傳感器獲取的數據與通過GPS定位信息的處理并且存儲的功能。系統實現了對所獲取的16進制的數據的處理，轉換為我們易讀易記的10進制，同時，對我們不需要的數據，也進展適當的取舍。最后，通過Uvision把程序下載到單片機，并且把空氣傳感器與GPS定位模塊都搭載在一起，實現系統的級聯。系統搭建好之后，借助四旋翼無人機平臺，在不同的地方對數據進展采集，采集完數據之后，并且通過表格與趨勢圖的形式，得出我們所需的結論。本文主要對系統硬件，軟件進展介紹，同時為了保證所測數據的可靠性，在進展數據采集之前，需對所采用的傳感器與GPS定位器件進展評估，主要是采用動態圖的形式進展。當系統搭建完成之后，隨著幾個改變〔PM10〕隨著這幾個變量的變化曲線圖，通過對曲線圖的飛行，得出一定的結論。由于實驗條件與畢業設計時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的地方。無人機限高120m，這給測量帶來一定的限制，本來一開場的設想是絕不止這么低的，但是因為實驗室條件只能提供這樣條件。其次，因為北京市對無人機的禁飛區的存在，只能到郊區采集數據，這也在一定程度上束縛了本次課題的較為完美的實現。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果！插圖索引TOC\c"圖"圖2.1課題總體框架 3圖2.2畢業設計總體軟件設計框架圖 5圖2.3整體工作介紹框架圖 6圖2.1四旋翼無人機實物圖 8圖2.2傳感器實物圖 9圖2.3空氣傳感器輸出16進制數 9圖2.4定位模塊實物圖 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原始數據輸出 12圖2.8開發板實物圖與管腳定義 13圖2.9降壓模塊技術參數 14圖2.10降壓模塊技術參數 15圖2.11存儲卡實物圖 16圖3.1Corte*—M3芯片構造 18圖3.2CMSIS程序根本構造 18圖3.3Uvision開發一般流程圖 19圖3.4J—link功能特性 19圖3.5J—link管腳功能圖 20圖3.6接收串口時序圖 21圖3.7接收串口關鍵代碼 22圖3.8查看串口關鍵代碼 23圖3.9程序設計總體框架 24圖3.10程序設計總體框架 25圖3.11定位信息獲取關鍵代碼 26圖3.12單個衛星信息圖 26圖3.13衛星精度分析局部 27圖3.14FATFS代碼功能對應圖 28圖3.15FATFS關鍵代碼 28圖4.1系統整體實物圖 29圖4.2改變室內環境所得的PM曲線圖 30圖4.3單片機與定位模塊的典型連接 31圖4.4u-center測量GPS定位模塊的輸出界面效果 31圖4.5實驗室測量海拔對時間變化曲線圖 32圖4.6校園海拔監測數據變化趨勢圖 33圖4.7校園速度監測數據變化趨勢圖 34圖4.8SD卡數據存儲形式 35圖4.9串口3數據讀取形式 35圖4.10四個地點PM2.5隨海拔變化曲線圖 36圖4.11四個地點PM10隨海拔變化曲線圖 36圖4.12四個地點PM2.5隨速度變化曲線圖 37圖4.13四個地點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意義10表3.1系統串口對應功能圖20參考文獻[1]李德仁,李明,無人機遙感系統的研究進展與應用前景[R],武漢大學學報·信息科學版，第39卷第5期[2]黃澤滿，劉勇,周星，陳天偉,梁毅東,民用無人機應用開展概述[J],赤峰學院學報〔自然科學版〕,第30卷第12期〔下〕[3]寧愛民,文軍浩,鄭德智,樊尚春,PM2.5監測技術及其比對測試研究進展[J],計測技術綜合評述[4]郭堅，基于SIM908的無人機空氣質量檢測系統設計與研究[D],天津大學電子工程學院[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[Z]，2015年版，濟南參謀通訊技術[11]ATK—NEO—6M用戶手冊[Z]，2014年版，廣州市星翼電子科技[12]STM32不完全手冊_庫函數版本V3.1,2013年版[Z]，廣州市星翼電子科技[13]Corte*—M3技術參考手冊[Z]，2012年版，廣州周立功單片機開展[14]ALIENTE*MiniSTM32開發入門教程[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的低空遙感技術在公路環境調查中的應用[J]，2012，1~2.致謝聲明附錄A外文資料的調研閱讀報告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