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清 华 大 学 综综 合合 论论 文文 训训 练练 题目 基于四旋翼无人机的 PM2 5 测量 系 别 电子工程系 专 业 电子信息科学与技术 精品文档 I欢迎下载 精品文档 I欢迎下载I欢迎下载 中文摘要 近年来 随着无人航空技术发展的日趋完善与成熟 无人机逐渐受到重视并 且得到广泛应用 无人机凭借其机动强 经济上较为实惠 方便起飞 降落等 方面的优势 越来越受到人们的青睐 同时 无线遥感技术的飞速发展与日趋 完善 也在很大程度推动了无人机的应用 无人搭载平台在空气检测 环境监 测 恶劣条件侦探 航拍等方面都得到广泛应用 本课题以无人机作为搭载平台 搭载空气传感器与 GPS 模块 实现对 PM2 5 与 PM10 数据的采集 在 PC 端通过单片机编程 实现 SD 卡存储所采集的数据 达到空气质量检测的目的 本文依次介绍系统的硬件部分 软件部分 之后 对传感器的可信度进行评 估 介绍如何通过单片机编程实现用 SD 卡存储 PM2 5 PM10 值 最后对采集 的数据进行处理 绘制 PM2 5 PM10 随着不同的经纬度 高度 风速的变化趋 势曲线图 得出结论 关键词 关键词 四旋翼无人机 SDS011 激光传感器 STM32 单片机 数据储存与 显示 精品文档 II欢迎下载II欢迎下载 ABSTRACT With the rapid development of UAV technology its application has become more and more widespread together With its advantage in mobility fastness economy convenience and so on the UAV has been used more widespread With the development of wireless remote sensing technology the UAV has been used in meteorological monitoring resource surveys aerial survey and respond to emergencies widely This topic uses the UAV as carrying platform and equips UAV with air sensor and GPS module implementation of PM2 5 and PM10 data collection through the microcontroller programming to achieve the data stored on the SD card and finally achieve the purpose of air quality testing This paper firstly introduces the hardware part and software part of the system And the evaluates the reliability of the sensor describes how to use the microcontroller to store the value of PM2 5 PM10 in the SD card Finally deal with the data collected and then draw the trends and graph of the values of PM2 5 PM10 change with the latitude and longitude altitude wind speed Keywords Keywords Four rotor UAV SDS011 laser sensor STM32 microcontroller Data storage and display 精品文档 III欢迎下载III欢迎下载 目 录 第 1 章 引言 1 1 1 课题背景 1 1 1 1 无人机概述 1 1 1 2 PM2 5 PM10 国内外检测现状概述 1 1 2 课题的研究的目的和意义 2 1 3 项目需求 3 1 4 整体工作介绍 6 第 2 章 系统硬件概述与设计 7 2 1 四旋翼无人机搭载平台介绍 7 2 2 SDS011 高精度激光传感器 8 2 3 ATK NEO 6M V23 定位模块 10 2 4 开发板 13 2 4 1 开发板简介 13 2 4 2 单片机给电模块 14 2 4 3 数据存储模块 15 第 3 章 系统软件概述与设计 17 3 1 系统环境与软件开发工具 17 3 1 1 Realview MDK 介绍 17 3 1 2 J Link 仿真调试 19 3 2 串口对数据的输入与查看 20 3 2 1 数据输入串口 20 3 2 2 数据查看串口 22 3 3 系统环境与软件开发工具 23 3 3 1 软件设计程序设计整体构架 23 3 3 2 系统模块初始化 24 3 3 3 对空气传感器数据处理 24 3 3 4 对 GPS 定位信息进行处理 25 3 3 5 存储部分代码实现 27 精品文档 IV欢迎下载IV欢迎下载 第 4 章 系统实现过程 29 4 1 空气传感器数据实现 30 4 2 GPS 定位模块数据实现 31 4 2 1 海拔精确度测量 32 4 2 2 地面风速测量 33 4 2 3 经纬度测量 34 4 3 PM2 5 PM10 值变化情况研究 35 4 3 1 PM2 5 PM10 值随海拔变化情况研究 35 4 3 2 PM2 5 PM10 值随风速变化情况研究 37 4 3 3 PM 值在不同的天气条件下随风速变化情况研究 38 第 5 章 结论与展望 40 插图索引 41 表格索引 43 参考文献 44 致谢 45 声明 46 附录 A 外文资料的调研阅读报告 47 精品文档 1欢迎下载1欢迎下载 第 1 章 引言 1 1 课题背景 1 1 1 无人机概述 无人机 unmanned aerial vehicle UAV 是一种带有动力装置 具有 自主导航能力 无人驾驶的不载人航空器 在特定的地域范围与高度范围内 利用无线电实现通信功能 通过预设的计算机程序实现无人机的飞行 悬停 降落等基本功能 无人机最初主要被用于军事 主要用于军事侦查 监视 通 信等 实现一些载人飞机难以实现甚至是无法实现的功能 从投入市场至今都 深受各国军方的青睐 最近几年以来 随着各国政府逐步放开对无人机的限制 无人机从军用领域逐渐迈入民用领域 民用无人机在航拍 公共安全 应急搜 索 环境监测 交通情况监测等方面的应用都日渐广泛 无人机在很多方面有载人飞机无法比拟的优点 比如成本低廉 起飞简单 不需要专用的场地进行起飞与降落等 同时 无人机的控制相对较容易 一般 可以直接通过遥控器实现起飞 悬停 降落 加速 减速等功能 再者 一般 的民用无人机体积相对较小 造价较低廉 实用性也较强 当前国内较受欢迎 的无人机公司主要有大疆 零度智控 智能鸟等 1 1 2 PM2 5 PM10 国内外检测现状概述 总悬浮颗粒物包括漂浮在空气中的固体与液体颗粒物 一般以其空气动力 学直径作为评判依据 其空气动力学直径在0 1 100um范围内 习惯上人们一般 把空气动力学直径小于2 5um的可吸入颗粒物称为PM2 5 相应的 把直径小于 10um的颗粒物称为PM10 最近几年以来 我国的一些城市 北京 上海等 的 雾霾 现象日趋严重 成为威胁人们生活的罪魁祸首 其中最主要的污染 源一般就是指PM2 5与PM10 本课题利用无人机搭载平台的组成的系统 主要的构成部分包括空气传感器 部分 GPS定位模块 数据存储模块 无人机控制模块 整体控制模块等 基 于无人机平台应急监测关键技术与应用研究 课题是我国首次利用无人机进行 环境监测实验 截止到当前该研究已经取得了相对比较完善的研究成就 最近几年以来 随着民用无人机技术的飞速发展与逐步成熟 利用无人机作 精品文档 2欢迎下载2欢迎下载 为搭载平台进行环境监测的应用也逐渐广泛起来 现在一般的测量包括航拍 监控 气体监测等 其应用领域已经涵盖 雾霾 温室气体 水质好坏等等 而且我们有理由相信 随着技术的进一步发展 无人机在环境监测这一块的应 用必将取得更为广阔与成熟的应用 本课题借助零度公司的四旋翼无人机作为搭载平台 SDS018PM2 5 激光传感 器作为空气传感器模块部分 STM32F103RCT6 开发板核心板单片机实现开发功能 Ublox NEO 6M 带天线 5Hz GPS 模块实现 GPS 定位 直接利用无人机电源供电 采用 Mini 360 航模降压电源模块对电源降压 获得所需电压 通过单片机编 程 对所获取数据进行处理 获得需要的数据部分 把提取好的所需数据存储 在存储卡 读取数据 在 PC 端对数据进行处理 通过数据处理软件例如 Excel 等对所采数据处理 画出对比趋势曲线 进行对比 得出结论 1 2 课题的研究的目的和意义 当前的空气监测方法特别是 PM2 5 PM10 的测量存在一定的问题 大部分 的城市测量只能在选定的地点 固定的高度进行固定的采样 显然 该测量方 法在很大程度上存在样本过于集中 不能较为客观的反应事实的问题 基于该 问题 本文企图利用无人机随时悬停 易于控制的优势 更好的 更客观的取 得观测数据 本课题通过嵌入开发平台设计空气质量监测系统 通过无人机的遥控器实现 无人机的起飞与停止 利用 GPS 定位模块实现对无人机位置获取 位置信息一 般包括经度 纬度 高度 当地风速等参数 通过空气传感器实时获取 PM2 5 值 PM10 值 获得在采样点的数据值之后 经过单片机 STM32 编程 把数据 以 TXT 文件格式存储在 SD 卡中 返回地面进行处理 绘制曲线趋势图 得出结 论 把系统总体构架与功能实现之后 在北京市不同的地方分别进行测量 因为 禁飞区的缘故 选择在六环外进行测量 选择不同的天气 改变基值 在不同 的地点 经纬度不同 采集数据 在同一的地点 经纬度不变 通过遥控器 改变无人机飞行的高度 不同的海拔 获取相应的点的采样数据 最终把所有 获取的数据 拿到地面端的 PC 机进行处理 分别绘制出在同一地点 PM2 5 PM10 值随着海拔变化的变化曲线图 在不同的地方 相同的海拔情况 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载 下 分别采集数据 绘制出 PM2 5 PM10 值随着经纬度的变化的曲线图 以及 绘制出不同风速条件下的曲线图等 利用无人机的优点 在不同的气候条件下 原则上在任意位置进行实时测量 可以获取相对比较精确且客观的数据 可以在一定程度上 改善当前客气测量 的不足 能够优化空气测量研究与探索 能够更好的利用无人机实现为人类服 务的目的 1 3 项目需求 本课题是基于无人机平台的 PM2 5 PM10 测量 空气传感器读取 PM2 5 PM10 值 输出 16 进制数字 GPS 模块输出一系列信息 其中都以 16 进制形式呈现 通过 STM32 进行编程 把有用的信息提取出来 以 TXT 文件形 式保存下来 测量完所需数据 拿到 PC 端进行处理 画出趋势对比图 得出结 论 课题的总体框图如下 无无人人机机模模块块 降降压压模模块块 S ST TM M3 32 2单单片片 机机 P PM M2 2 5 5传传感感器器 数数据据传传入入 串串口口1 1 单单片片机机5 5V V 电电压压接接出出 来来 G GP PS S定定位位 模模块块 数数据据输输入入 串串口口2 2 3 3 3 3V V 电电压压接接出出 按按下下 r re es se et t 键键 存存 储储 数数 据据 S SD D卡卡 图 0 1 课题总体框架 系统工作过程为 精品文档 4欢迎下载4欢迎下载 1 直接把无人机输出的 12 4V 电压作为整体电压 通过 Mini 360 航模降压 电源模块实现由 12 4 5V 电压转换功能 输出的 5V 电压分别给单片机供电 从单片机的两个输出端口接出一个 5V 给空气传感器供电 接出一个 3 3V 电压 给 GPS 定位模块供电 2 通过两个串口把两个模块输出的十六进制数据分别输入到 STM32 单片机 3 编程实现对两组十六进制的数据分别转化为可视性的 10 进制数 并且把 一些不必要的数据进行合理的取舍 获得所提取的数据 4 通过编程 利用 STM32 开发板对所获取的数据进行存储 每隔 20s 分别 存储一次 PM2 5 PM10 的数据值 一次 GPS 信息值 经纬度 海拔 地面速度 时间等 交替循环实现数据的存储 为了便于显示与读取的方便 每 20s 之后 TXT 文件自动换行 其中本次课题很重要的部分是编程代码实现对数据的提取 获取实验需要的 必要数据 同时 对所获取的数据进行存储 实现过程通过利用 Keil uVision 实现程序的编写与程序的加载 烧录 采用 C 语言编写 调试完成之后 把代 码烧进开发板 每次上电之后 按下 reset 键 系统开始自动测量数据 此时 在地面端 通过串口 3 可以收到 OK 确认符号 在串口可以直接看出数据存储情 况 软件编码模块的主要框架如下 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载 M Ma ai in n函函数数实实 现现整整体体控控制制 G GP PS S c c U Us sa ar rt t2 2 c c实实现现 对对串串口口定定义义 接接口口等等一一等等 F Fl la as sh h c c M MM MC C S SD D c c 等等实实现现存存储储 m mi is sc c c c S St tm m3 32 2f f1 10 0 x x s sp pi i c c 等等实实现现中中断断与与 停停止止 S ST TM M3 32 2f f1 10 0 x x c c 等等启启动动软软件件 G GP PS S信信息息输输到到单单片片机机 图 0 2 毕业设计总体软件设计框架图 各个部分分别实现的功能如下 1 启动 STM32 运用 Keil uVision 官方网站自带的启动文件实现 实现单 片机的启动功能与中断等基本功能 2 因为 GPS 模块输出的数据较多较杂 而且是以十六进制的形式呈现 通 过 GPS C 实现对所需信息的提取 对模块输出的数据进行数据处理 包括 16 进 制转 10 进制 去掉无用信息 提取其中有用信息包括经度 纬度 高度 风速 日期等 3 通过串口 2 实现对 PM2 5 PM10 数据的输入 处理 把十六进制数转 化为十进制 并且去掉帧头与帧尾 留下 PM2 5 的数值与 PM10 数值 同时 为 了保证准确度 也读取出校验和 对其他无用的数据进行舍去 4 获得数据之后 需要通过 STM32 的中断与停止等功能实现对数据的合理 输入与处理 因为两组数据都是每 20 秒发十次 出于显示的方便 每 20 秒选 择分别采十组数据 然后以接收一组定位信息 之后接收一组 PM2 5 PM10 的 精品文档 6欢迎下载6欢迎下载 形式进行存储 为了便于后期处理 每读取 10 组数据之后 TXT 文件空一行 一次读取 5 采集完数据 通过数据处理软件 MATLAB 或 Excel 绘制表格与趋势变 化曲线图 对比得出结论 1 4 整体工作介绍 本次毕业设计的总体工作表示如下 传传感感器器数数据据的的获获取取 十十六六进进制制数数据据转转换换 为为十十进进制制并并且且中中断断 对对获获得得的的数数据据进进行行 存存储储 后后期期对对所所采采集集数数据据 对对比比 获获取取G GP PS S信信息息 以以十十六六进进制制形形式式呈呈现现 获获取取P PM M2 2 5 5 P PM M1 10 0 值值 验验证证上上述述数数据据的的可可行行性性 提提取取出出有有用用数数据据 并并且且转转换换为为十十进进制制 获获取取P PM M2 2 5 5 P PM M1 10 0 值值 分分别别进进行行中中断断控控制制 通通过过中中断断完完成成 每每2 20 0s s存存1 10 0组组 F FA AT TF FS S格格式式进进程程数数据据存存储储 保保存存为为T TX XT T格格式式形形式式 改改变变经经纬纬度度 海海拔拔 风风速速中中的的一一个个变变量量 对对所所采采集集数数据据进进行行对对比比 以以表表格格 图图像像等等形形式式对对数数据据进进行行对对比比 吗吗 得得出出结结论论 整整体体工工 作作 图 0 3 整体工作介绍框架图 精品文档 7欢迎下载7欢迎下载 第 2 章 系统硬件概述与设计 完善的软硬件配合是系统能否正常工作的必要条件 硬件作为系统的必要的 躯干或框架 是系统可以正常运行的基础 本部分分模块地对系统的硬件部分 进行介绍 并且将各个部分有机的结合在一起 用以构建一个完整的空气检测 系统 2 1 四旋翼无人机搭载平台介绍 随着各国政府对无人机的管制逐步放松 无人机技术如雨后春笋般飞速发展 无论是国内还是国外 无人机技术都取得了长足的进步 并且得到较好的应有 当前无人机无论是在航拍 紧急情况侦探 地震 火山等 环境监测等方面 都逐步取得比较良好与广泛的应用 四旋翼飞行器具备 4 个螺旋桨 四个螺旋桨呈十字形交叉结构分布 相对 的螺旋桨具有相同的旋转方向 相反的螺旋桨旋转方向相反 1 本文采用的无 人机是 零度智控 捐赠给实验室的小型的无人机 除去本身自带的云台之外 可以额外搭载 200g 的物体 满足实验所需要求 无人机最高垂直速度为 3m s 最高水平速度为 8m s 其飞行速度基本上可以满足本次实验要求 无人机自带 电源 可以外接 单片机与几个传感器所需电压由无人机外接电源直接引出 通过降压模块可以得到所需电压 无人机实物图如下 1 吴东国 基于四旋翼飞行器平台的低空遥感技术在公路环境调查中的应用 J 2012 1 2 精品文档 8欢迎下载8欢迎下载 图 0 1 四旋翼无人机实物图 2 2 SDS011 高精度激光传感器 出于实验方便考虑以及由于实验室条件限制 本次实验只研究比较常见的 PM2 5 值与 PM10 的值 实验采用 SDS011 高精度空气质量传感器 该传感器采用 激光散射原理 可以较为精确得测量出空气中 0 3 10um 的颗粒物 内置风扇 上电就直接可以输出 16 进制数据 经过在实验室的观测测量 对其测量精度进 行评估 可以验证其稳定度与精确度都比较高 其实物图如下 精品文档 9欢迎下载9欢迎下载 图 0 2 传感器实物图 传感器加上 5V 电压之后 就会源源不断输出所测的 PM2 5 与 PM10 的值 以 16 进制形式呈现 每一行代表一组输出 通过串口小助手则可以直接查看其 输出形式 其数据原始输出如下 图 0 3 空气传感器输出 16 进制数 其串口速率为 9600 串口上报通讯周期为 1 5s 即是每一分钟可以收到 40 组数据 其数据定义如下 精品文档 10欢迎下载10欢迎下载 表 0 1 空气传感器输出位数意义 列号12345678910 意义报文 头 指令 号 PM2 5 低字节 PM2 5 高字节 PM10 低字 节 PM10 高字 节 保留 位 保留 位 校验 和 报文 尾 其中 PM2 5 值 PM2 5 高字节 256 PM 2 5 低字节 10 其中 PM10 值 PM10 高字节 256 PM 10 低字节 10 比如 上述给出的样例中 第二行的 PM2 5 值为 0 256 55 10 5 5 PM10 的值为 0 256 124 10 12 4 2 3 ATK NEO 6M V23 定位模块 ATK NEO 6M V2 3 是一款高性能 GPS 定位模块 采用 U BLOX NEO 6M 模组 该模块使用方便 模块支持多种波特率传输 在使用之前 可以通过串口设置 各种参数 并且可以把各类参数保存在 EEPROM 中 模块自带充电电池 支持冷 启动与热启动两种各种模式 其实物图如下 精品文档 11欢迎下载11欢迎下载 图 0 4 定位模块实物图 其基本特性如下 图 0 5 ATK NEO 6M V23 基本特性 其电器特性为 精品文档 12欢迎下载12欢迎下载 图 0 6 ATK NEO 6M V23 电器特性 该模块具备串口输出 加上 3 3V 或 5V 的电压之后 即可以通过串口进行数 据读取 其格式如下 图 0 7 ATK NEO 6M V23 原始数据输出 由上图可以知 输出的数据是一组星历值 其中的很多数据对本次课题无用 甚至对本次实验而已是冗杂的 为了实验研究方便 需要把需要的数据比如 时间 日期 经纬度 高度 风速等信息提取出来 把不需要的数据直接舍去 供本次实验使用 精品文档 13欢迎下载13欢迎下载 2 4 开发板 为了实验研究方便 本次实验采用正点原子 STM32F103RCT6 开发板核心板 该开发板功能较强大 应用较广 常见的单片机开发功能都具备 其中 本次 实验需要的主要功能为 外接电源 数据提取 16 进制转换为 10 进制 基本的 中断与停止 数据存储等 该开发板都可以比较好的满足 2 4 1 开发板简介 开发板重约 50g 面积较小 满足本次实验中无人机搭载物体重量与面积的 需求 单片机的整体实物图与管脚定义图如下 图 0 8 开发板实物图与管脚定义 本次课题主要应用的模块部分有三个串口 串口 1 PA10 用于 PM2 5 PM10 的数据输入 串口 2 PC11 用于定位信息输入 串口 3 PC10 用于直接实时的在 PC 端查看数据的采集情况 单片机的给电 通过 5V 电源输出 输入进程给电 金士顿 64G 的存储卡固定在 SD 卡接口 即可以进 行数据存储 精品文档 14欢迎下载14欢迎下载 2 4 2 单片机给电模块 本课题设计的系统需要给电的部分包括 STM32 单片机部分 SDS011 高精度 激光传感器 ATK NEO 6M V23 定位模块三部分 无人机给出的是 12 4V 的输出 电压 为了实现实验的要求 选择采用降压模块 考虑到实验方便与实验的功 率要求 实验采用 Mini 360 航模降压电源模块进行 该模块参数如下 图 0 9 降压模块技术参数 该降压模块的正反面实物图如下 精品文档 15欢迎下载15欢迎下载 图 0 10 降压模块技术参数 通过降压模块之后 得到 5V 的输出电压 把 5V 的稳定电压给到单片机的 5V 电源输出 输入接口 即实现对单片机的供电 同时 从单片机的 3 3V 电源 输出 输入口接出电源 给定位模块供电 从 5V 电源输出 输入口接出电源 把 5V 电压加到 SDS011 高精度激光传感器 即实现本次课题的供电情况 2 4 3 数据存储模块 考虑到实验采集数据的量的需要 本次实验采用金士顿 64G 的 micro SD 卡 作为存储器 其实物图如下 精品文档 16欢迎下载16欢迎下载 图 0 11 存储卡实物图 本模块比较简单 当需要的实验的时候 直接把卡插到单片机的 SD 卡槽即 可 当需要读取数据的时候 用手机或打卡器对数据进行直接读取即可 精品文档 17欢迎下载17欢迎下载 第 3 章 系统软件概述与设计 如果硬件是系统的躯干或者是主体构架 软件则是系统的血与肉 只有硬件 的系统显然是不完善的 只有配备较完善的软件方能较为完善的工作 因此 软件部分是本系统的核心的部分 只有完善的软件 才能保证本次课题的最终 完成 本课题的软件部分采用最常见的 C 语言作为编程语言 应用 Keil uVision n 5 作为编程软件 主要涉及串口通信 中断与停止 数据存储等功能 3 1 系统环境与软件开发工具 本次毕业设计课题系统选用 ST 意式半导体 公司生产的 STM32F103RCT6 核心芯片作为核心微处理器 该微处理器具有较大的优势与便利 核心芯片的 处理器选用当前主流的 Cortex M3 作为内核 同时 Cortex M3 采用目前最为 主流的 ARM V7 M 构架 采用的主要开发工具为 Realview MDK 其功能强大 包括 uVision IDE ARM 编译器 中间库 调试跟踪支持 ARM 处理器支持 操 作系统等 一般而言 该系统支持 C 语言 汇编语言等 可以满足大部分用户 的工程需要 系统支持多种程序下载方式 串口下载 U link 下载 J link 下载等 考虑到方便等因素 本次实验通过 J link 下载 通过 J link 线连接 PC 机与单片机即可 一次下载之后 程序不会消失 之后只要上电就可以直接 运行 给实验与课题的研究都带来一定的方便 3 1 1 Realview MDK 介绍 Realview MDK 是 ARM 公司目前推出的最新的针对各种嵌入式处理器的一 种实用性很强的软件开发工具 ARM 公司的前身是德国的一家软件开发公司 MDK 主要由 uVision IDE ARM 编译器 中间库 调试跟踪支持等部分组成 本课题采用最新的 Uvision 5 作为开发工具 最新的开发工具具有很多优点 延续其前身的各种优点 同时也额外增加很多额外的功能 其中 Cortex 芯片结构如下 精品文档 18欢迎下载18欢迎下载 图 0 1 Cortex M3 芯片结构 基于 Cortex M3 有一套标准 一般命名为 CMSIS Cortex Microcontroller Software Interface Standard 其应用程序的一般结构如 下 图 0 2 CMSIS 程序基本结构 使用 MDK 开发的一般流程如下 1 新建工程 项目 2 编写目标文件 当前一般采用较为流行的 C 语言或较为基础的汇编语言 3 编译程序 4 若有问题 对问题修改 5 链接设备 下载程序 运行 精品文档 19欢迎下载19欢迎下载 一般软件开发的流程如下 图 0 3 Uvision 开发一般流程图 3 1 2 J Link 仿真调试 为了支持 ARM 仿真 并且使其拥有通用的仿真器 SEGGER 公司推出了一款 名为 J link 的通用仿真器 该仿真器支持所有 ARM 内核芯片的仿真 通过专 有接口与 IAR EWAR ADS KEIL RealView 等连接 支持 ARM7 ARM9 ARM11 Cortex M0 M1 M3 M4 等内核芯片的仿真 操作简便 易学易 懂 是 ARM 芯片开发最实用的开发工具 其主要特性如下 图 0 4 J link 功能特性 精品文档 20欢迎下载20欢迎下载 本次实验采用 20 管脚的 J link 连接器 采用 USB 口直接供电 也即是采 用 5V 供电 通过 USB 转接实现 PC 机与的 J link 的通信 调试 控制等工作 当用作 J link 时 其管脚定义如下所示 图 0 5 J link 管脚功能图 3 2 串口对数据的输入与查看 本次课题 数据的输入主要采用的是单片机的两个串口 其中 为了地面端 验证系统与程序的正确性 增加了在地面端通过串口查看数据的功能 该功能 实现在地面端直接通过串口 3 查看的功能 当系统的 SD 卡连接成功并且初始化 成功 数据的输入都正确实现的情况下 可以在串口每隔 20s 收到一组数据 若要在地面端通过 PC 机实时查看结果 则也可以通过串口直接进行查看 其中 的串口定义如下 表 0 1 系统串口对应功能图 串口代码123 对应端口号PA10PC11PC10 功能实现PM2 4 PM10 数据 输入端口 GPS 定位信息输入端 口 地面端通过 PC 机查 看系统运行情况 3 2 1 数据输入串口 数据的输入主要是借助单片机的两个串口实现 其中串口 1 用于对 PM2 5 PM10 进行输入 接收到的信息主要是以 1 5s 为周期的 16 进制字符串 精品文档 21欢迎下载21欢迎下载 我们需要对其进行处理 串口 2 主要接收的是 GPS 定位信息 显然 收到的也 是一些 16 进制呈现的字符串 我们需要做的后续工作是对其进行解析与提取 并且把一些不需要的数据进行合理的取舍 在该过程中 因为涉及到两个串口的输入 则会有时序问题 本次实验考虑 到数据读取与显示方便 时序逻辑如下 读读取取P PM M2 2 5 5 P PM M1 10 0 值值 读读取取G GP PS S定定位位信信息息 1 1 5 5s s 1 1 5 5s s 判判断断时时间间是是否否 超超过过2 20 0S S N N 空空一一行行 并并 且且重重新新开开始始 Y Y 图 0 6 接收串口时序图 具体到代码实现过程中 用两个时间来计数 TM1 作为每次轮换的时间 其阈值为 1 5S 当低于 1 5 的时候 则继续读取 否则转换为另外一组数据的 读取 为了使读取数据可读性更好 定义 TM2 TM2 作为是否空行的时间点 其 阈值为 20s 若从开始到当前时间小于 TM2 则选择一直读下去 否则空行 进 行下一组测量 考虑到无人机上天之后 无法进行控制 本次课题中也就没有 增设其他的控制信号 以上的部分的关键代码如下 精品文档 22欢迎下载22欢迎下载 图 0 7 接收串口关键代码 3 2 2 数据查看串口 为了在无人机起飞之前对系统的正确性与准确性有一个比较直观的认识 与保证 在地面对通过串口 3 直接查看数据存储情况 其查看的原理为 当地 面端的加电 并且初始化成功 所谓初始化成功指的是 两个传感器可以正确 的获取数据 并且 SD 卡初始化没有问题 当按下单片机的 reset 键之后 在串 口 3 看到返回一个 OK 的提示符 提示系统初始化成功 并且准备下一期的数据 读取与存储 其关键部分代码为 精品文档 23欢迎下载23欢迎下载 图 0 8 查看串口关键代码 3 3 系统环境与软件开发工具 3 3 1 软件设计程序设计整体构架 空气监测系统的主要工作是完成对空气中的 PM2 5 与 PM10 的数据的获取与 采集 并且实时的获得当地的定位信息 包括经纬度 高度 当地风速 时间 等 获得数据之后 把数据传给单片机的串口 通过编程实现对数据提取 并 且对所采数据进行十六进制转化 通过 FATS 文件格式进程存储 其总体构架如 下 精品文档 24欢迎下载24欢迎下载 上上电电 系系统统模模块块初初 始始化化 G GP PS S信信息息获获取取 N N 定定位位信信息息获获 取取成成功功 Y Y 传传感感器器数数据据 采采集集 数数据据处处理理 数数据据存存储储S SD D 卡卡 P PC C端端串串口口3 3查查 看看 Y Y 图 0 9 程序设计总体框架 3 3 2 系统模块初始化 系统模块初始化作为实验的根本条件 完善的并且正确的初始化 才能保证 系统准确的运行 该系统因为应用 STM32F103RCT6 如果涉及用 PC 机观测数据 的则需要三个串口 不需要直接观测则需要应用两个串口 STM32 系列核心芯片 有 5 个串口 则系统在开始运行的时候的首要工作就是对串口数据进行初始化 如果系统初始化成功 那么久可以直接通过串口空气质量数据与 GPS 定位信息 进行数据传输 再者 因为涉及到上电与下电问题 当系统初始话 发现 SD 卡 没有数据的时候 会重新自动创建一个 data txt 并且把所读取数据依次保存 下来 当然 当遇到突发情况 中途意外断电有上电的时候 则可以直接把数 据存储到 SD 里 3 3 3 对空气传感器数据处理 加电之后 空气传感器输出的数据是一组 10 位的 16 进制数 然而本次实验 并不都需要 我们可以应该考虑用 10 进制的进行表示 这些部分我们都通过编 程实现 精品文档 25欢迎下载25欢迎下载 采用一个数组 pm25buf 10 用于保存 PM2 5 PM10 值 并且通过截断 保 留其中的五组值 五组值分别为 PM2 5 的高字节与低字节 PM10 的高字节与低 字节 以及其中的校验和 直接通过printf s p 把数据转换为 10 进制并且保 存 其主要代码如下 图 0 10 程序设计总体框架 3 3 4 对 GPS 定位信息进行处理 由前面的介绍可以知道 GPS 输出的数据是一组很不完善的以 16 进制显示 的数据 本次实验只需要经纬度 高度 地面风速等 故在实际的过程中 需 要设计适当的程序对数据进行适当去提取 该算法参考战舰给的例程进行 主 要的代码如下 精品文档 26欢迎下载26欢迎下载 图 0 11 定位信息获取关键代码 图 0 12 单个卫星信息图 精品文档 27欢迎下载27欢迎下载 图 0 13 卫星精度分析部分 这样最后输出的输出结果就是理想的需要的结果 亦即是最终获取的是经纬 度 海拔 地面速度 时间 3 3 5 存储部分代码实现 获取数据之后 剩下的重点工作是如何实现对数据的存储 本次课题采用的 是基于 FATFS 的文档存储 其中 FATFS 是一个完全开源的基于 C 语言编写的 FAT 文件系统 对大部分的单片机开发系统都具有较强的实用性 具有良好的硬件 平台独立性与可移植性 对 51 系列单片机 ARM 系列单片机等都有很强的适用 性与较好的精确度 本次实验 在参照战舰提供的实验基础上进行 以下为主要存储部分的代码名称与其实现的主要功能 精品文档 28欢迎下载28欢迎下载 F FA AT TF FS S S SP PI I c c 实实现现单单片片机机所所有有的的对对外外接接口口 f fl la as sh h c c 实实现现对对单单片片机机本本身身自自己己开开辟辟小小内内存存的的应应用用 f ff f c c F FA AT TF FS S 模模块块 o op pt ti io on n 可可选选的的外外部部功功能能 比比如如支支持持中中文文等等 d di is sk ki io o h h c c F FA AT TF FS S和和 d di is sk k I I O O 模模块块公公用用的的包包含含文文件件 f ff fc co on nf f h h c c F FA AT TF FS S配配置置文文件件模模块块 m ma al ll lo oc c c c 用用于于实实现现单单片片机机临临时时开开辟辟空空间间 e ex xf fu un ns s c c 用用于于外外部部开开辟辟空空间间 m mi is sc c c c 实实现现存存储储 图 0 14 FATFS 代码功能对应图 其中主要的关键代码如下 图 0 15 FATFS 关键代码 精品文档 29欢迎下载29欢迎下载 第 4 章 系统实现过程 对整体系统而言 涉及到对元器件的拆卸与装载 以及把系统部件安装到无 人机进行数据采集 不适合用 PCB 板子把所有器件都焊接到固定在一起 出于 方便与重量限制的考虑 用较轻的转接板搭载所需的元器件 同时 为了验证 器件的正确性 在进行测量之前 对传感器与定位模块都进行校准 在所有系 统搭建完成之后 为了验证可行性 先在地面端进行数据采集 并且得出一定 的结论 之后在把平台搭建到无人机进行空中采集数据 总体实物图为 图 0 1 系统整体实物图 精品文档 30欢迎下载30欢迎下载 4 1 空气传感器数据实现 当前市面上的空气传感器较多 一般也空气动力学直径作为衡量标准 出于 实验方便与实验精确度的考虑 本次实验选择以光学散射原理的传感器 为了 准确的验证其精确度 在拿到传感器之后 选择在实验室首先对传感器的精确 度进行验证 如果误差范围较大 则不予采用 若误差在可以忍受的范围内 则对其精度进行校准 直到获得较为客观与准确的测量精度为止 拿到传感器 在实验室营造一个环境 在适当改变传感器周围的空气状况的 情况下 通过串口获取每时每刻的测量值 并且与当时所给的官方的 PM 值进行 对比 得出结论 可以得出如下的走势图 图 0 2 改变室内环境所得的 PM 曲线图 在上述曲线图中 系列 1 代表 PM2 5 值 系列 2 代表 PM10 值 与当时 2016 4 18 10 北京市天气预报中心所给数据基本一致 通过多次实验数据 的采集 以及最后的仿真数据的查看 我们可以知道 该传感器基本上满足本 次课题的需求 无论从其实验精度 实验数据的可读性 实验数据的发送的频 率等方面都比较符合要求 故 最终选择 SDS011 吃传感器作为最终的数据收集 模块 精品文档 31欢迎下载31欢迎下载 4 2 GPS 定位模块数据实现 该 GPS 模块为战舰开发板的一个小模块 精确度很高 同时也与所买的单片 机可以完美的结合 获取数据简单 在室内通过外接天线就可以实现定位 在 室外测量直接上电 当指示灯指示正确工作之后 就可以读取数据 以下是单 片机与 GPS 定位模块一般的连接示意图 图 0 3 单片机与定位模块的典型连接示意图 为了评估测量精度与保证课题的准确性 在选定该定位模块之前 采用软件 u center 对模块进行测量 数据的接入主要采用实验所给的串口调试助手进行 可以看出打开的 u center 效果如下 图 0 4 u center 测量 GPS 定位模块的输出界面效果 精品文档 32欢迎下载32欢迎下载 4 2 1 海拔精确度测量 为了验证测量的可靠性 首先在实验室进行测量 因为实验在 9 楼 可以北 京市的平均海拔大概在 43 5m 可以算出实验室的高度大概为 43 3 9 70 m 左右 在实验室采集数据十分钟 对数据进行描图如下 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0510152025 下 下 下 m 2016 5 18 10 min 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 图 0 5 实验室测量海拔对时间变化曲线图 由上图可知 模块在初始化的时候 其误差比较大 当随着模块逐渐稳定之 后 其总体海拔大概在 70m 左右细微飘动 与预期相符 当然 上图只是当模块的地理位置没有发生变化时的曲线图 本次实验是在 动态情况下进行 为了验证该要求 用自行车载着模块在校园测量了一圈 得 出曲线图如下 精品文档 33欢迎下载33欢迎下载 0 20 40 60 80 100 120 05101520253035 下 下 下 m 2016 5 11 11 min 下 下 下 下 下 下 下 下 下 图 0 6 校园海拔监测数据变化趋势图 由上图可以看出 在校园用自行车采集的半小时的数据 虽然过程中也出现 一些误差较大的数据 整体大致在 45m 左右 符合实际情况 而且也没有急剧 变化这些恶性数据 去掉一些特殊点之后 发现模块的海拔测量无论在动态还 是在静态测量都是比较精确的 满足课题要求 4 2 2 地面风速测量 我们知道 PM2 5 PM10 值与观测点的风速或者观测点本身的运动速度有 关 为了更客观的研究 我们需要研究无人机的飞行过程甚至是悬停过程中观 测点的实时速度 该 GPS 模块刚好自带速度测量仪 在采用其数据之前 需要 对其精度进行评估 我们可以用骑车在校园里 或者是把模块本身搭载到无人 机上 通过改变自行车车速或者无人机的飞行速度 以取代比较客观数据 如 果在采集到的数据与实际情况比较接近 则模块的评估可靠 该模块的速度数 据也可以直接采用 以下是 2016 5 11 日在校园采集的数据 精品文档 34欢迎下载34欢迎下载 0 2 4 6 8 10 12 14 05101520253035 下 下 下 Km h 2016 5 11 11 min 下 下 下 下 下 下 下 下 下 图 0 7 校园速度监测数据变化趋势图 由上图可以看出 因为是在校园骑车 一开始上路的时候 速度较慢 中途 遇到行人 遇到其他的货车等原因 可以看出 前进速度大致为 5km h 5 3 6m s 1 38m s 与实际情况比较符合 同时 由上图可以看出 在 逐渐改变速度的过程中 速度的读取值的变化范围较小 是可以接受的 故本 次实验可以采用本模块进行 4 2 3 经纬度测量 课题的最初目的是想测量在不同的区域 通过改变不同的经纬度进行测量 比如在清华校园内改变不同的地点 把中央主楼与五道口测得的数据进行对比 得出结论 可惜的是 北京市六环以内是禁飞区 所给无人机并不能实现起飞 的目的 故选择在北京市郊区进行测量 测得点 1 昌平区的居民区 南邵镇 北纬 N40 12 27 23 东经 E116 16 33 36 测量点 2 西山农场 北纬 N40 06 30 18 东经 E116 05 54 08 测量点 3 定福庄乡 北纬 N39 36 9 45 东经 E116 16 30 56 测量点 4 甘棠镇 北纬 N39 51 14 89 东经 E116 48 53 14 分别在四个测量点 分别改变 其经纬度 在不同的天气情况下 进行测量 得出结论 并且绘制表格 在本次实验中 因为 GPS 模块本身自带经纬度测量 我们可以看出 分别在 四个点甚至是更多的点读取数据 与当前主流的 APP 给出的经纬度是吻合的 故我们可以采用其经纬度的数据直接进行数据测量 精品文档 35欢迎下载35欢迎下载 4 3 PM2 5 PM10 值变化情况研究 通过上面的分析可以获知 最终存储在 SD 卡的数据主要以 10 进制形式呈现 每 20s 读取一次数据 读取一次 GPS 定位信息 之后读取一次 PM2 5 值与 PM10 值 依次进行 其形式如下 图 0 8 SD 卡数据存储形式 同时 为了便于观察 我们可以通过串口 3 在地面端对数据进行读取 其形 式如下 图 0 9 串口 3 数据读取形式 4 3 1 PM2 5 PM10 值随海拔变化情况研究 我们知道 在海拔比较低的情况下 随着海拔 高度 的变化 PM2 5 PM10 会随着高度的增加而减少 在本次课题中 考虑到不同天气情况 精品文档 36欢迎下载36欢迎下载 下 PM2 5 PM10 的值会有差异 可能会使其变化曲线图也不准确 故在两个 不同的天气分别在不同的区域进行测量 选择在 2016 年 5 月 11 日分别在不同 的地方 改变经纬度 进行测量 出于实验方便 选择的地点即是前文提出的 四个观测点 在天气条件不较好 即是雾霾不是那么严重的 5 月 11 日进行测量 其变化 的趋势图如下 0 10 20 30 40 50 60 020406080100120140 PM2 5下 下 下 下 下 下 下 m 下 下 下 下 下 下 PM2 5下 下 下 下 下 下 下 下 1下 下 2下 下 3下 下 4 图 0 10 四个地点 PM2 5 随海拔变化曲线图 0 20 40 60 80 100 120 020406080100120140 PM10下 下 下 下 下 下 下 m 下 下 下 下 下 下 PM10下 下 下 下 下 下 下 下 1下 下 2下 下 3下 下 4 图 0 11 四个地点 PM10 随海拔变化曲线图 精品文档 37欢迎下载37欢迎下载 由上图可以知道 在 PM10 与 PM2 5 在一定的高度下 都随着高度的增高而 减少 其中在不同的区域 其减少的情况不一样 同时 在四个不同的地