【《基于stm32单片机的无人机远程通信控制系统设计》8400字（论文）】

基于stm32单片机的无人机远程通信控制系统设计摘要本文基于对STM32的学习，采用C，及JavaScript语言等，设计搭建了一个无人机远程通信控制系统。实现了无人机监测环境参数、监测自身飞行姿态参数并返回于PC客户端以及PC客户端对无人机飞行动作的远程控制等功能。主要工作包含一下三个部分：第一个部分是用JavaScript编写的客户端网页，其作用是接收和显示远程监测到的数据并且完成相关飞行动作控制指令的发送；第二部分是以node为平台用JavaScript编写的后端，是一个本地服务端，作用是以TCP协议建立网络通信，实现与MCU之间的数据通信，以HTTP协议建立网络通信，实现与前端网页的数据交互；第三部分是以STM32F103ZET6作为主控的飞行控制系统，作用是接收环境参数与飞行参数，并返回于客户端，并且解析远程发送来的控制指令完成相应的动作，需要说明的是本设计的飞行动作是由LED灯的闪烁次数来进行模拟。关键词：远程通信控制，STM32F103ZET6，JAVASCRIPT，C语言目录TOC\o"1-3"\h\u27885引言 128429第一章、无人机远程通信控制系统的总体方案设计 2294561.1系统设计功能需求 2264531.2系统总体设计方案 227471第二章、无人机远程通信控制系统的硬件设计 4225152.1主控器的选型及电路 460172.2传感器的选型及电路 6150652.2.1MPU6050加速度传感器及电路 749842.2.2DHT11温湿度传感器及电路 11183222.4远程通信模块的选型及电路 138082第三章、无人机远程通信控制系统的软件设计 15286943.1本地电脑客户端Javascript程序设计 1552943.2创建服务器 15177723.3通信控制程序设计 1829906第四章、系统调试分析 212610结论 2726124参考文献 28引言早期的无人机主要是应用于军事领域，比如：德国的“V-1”导弹，美国的“火峰”无人机，以色列“侦察兵”无人机等。到了20世纪80年代，无人机才开始渐渐民用化，1982年第一款民用无人机D-4型无人机试飞成功，标志着我国民用无人机时代从此到来。不论在哪个国家无人机都是以一种新鲜而高科技的角色存在，因为无人机技术涵盖了许多高科技领域技术，比如：AI技术、镜片组技术、CT技术、IT技术、ISP技术、飞控技术、续航技术等，此外无人机的应用领域也是非常广泛的，比如：军事，航拍，地理测绘，农业植保等各个领域，所以无人机技术必然呈现迅猛的发展之势，其发展也势必会直接影响到我国的经济和科技技术的发展，所以对无人机的研究任重道远。本课题基于对stm32f103ZET6的学习，采用C，及JavaScript语言，设计搭建了一个无人机远程通信控制系统。本文第一章是对无人机远程通信控制系统的总体设计方案进行了系统化的描述；在此基础上第二章从硬件方面展开，对本设计选用的硬件及他们与MCU的通信方式进行了详细介绍；第三章从软件方面展开，介绍了本设计客户端软件的界面设计和对本地服务端的创建，最后又介绍了一下整个过程中涉及到的所有通信控制程序；第四章对系统的调试结果进行了简要的分析；最后系统化地对本设计进行了总结REF_Ref29952\r\h[4]。第一章、无人机远程通信控制系统的总体方案设计1.1系统设计功能需求本文设计的是一个无人机远程通信控制系统，主要完成的功能是接收无人机远程监测到的环境参数和无人机的飞行姿态参数，并且实时显示参数于本地客户端，同时无人机可以完成控制端指令要求的相关任务。无人机远程通信控制系统主要有以下功能REF_Ref30295\r\h[5]：（1）采集环境信息对于无人机的功能最主要，最基础的一个方面就是通过各种传感器对无人机的飞行环境进行实时的数据采集，这一功能在无人机的各方面应用领域必然会涉及，也即无人机必不可少的一项功能。（2）无人机飞行控制在无人机的实际应用里必然会遇到各种复杂的环境，所以对无人机飞行状态的控制就非常的重要了，考虑到学生的能力问题，本文只介绍几种最基本最简单的无人机状态的控制。在竖直方向：持续上升，持续下降，悬停；水平方向：前进，后退，左转，右转。（3）远程通信有些无人机的应用环境是非常复杂多变的，所以无人机远程通信控制系统必须得具有抗干扰强，长距离传输，低时延的特点。1.2系统总体设计方案本课题以stm32单片机作为嵌入式开发平台，该平台通过与wifi模块的连接，实现MCU与服务端的通信，由温湿度传感器监测到当前环境中的温度和湿度，将感知到的数据通过stm32处理发送到PC客户端，PC客户端收到数据后解析并显示；姿态传感器同理。PC客户端也可以发送相关的指令，通过wifi的方式将指令传送到MCU，MCU接收到相关指令后，通过指示灯显示来模拟飞机的飞行姿态。图1.SEQ图\*ARABIC\s11系统整体方案框图

第二章、无人机远程通信控制系统的硬件设计2.1主控器的选型及电路众所周知飞控是无人机的灵魂，它的主要组成单元是IMU和MCUREF_Ref13101\r\h[3]，其中IMU是由一系列的传感器构成，基本包括：三轴陀螺仪，三轴加速计，温度计和气压计，正是因为IMU含有如此丰富的资源才使得其在无人机飞控上扮演着举足轻重的角色。IMU可以非常精确的感知到无人机的飞行姿态、飞行角度、飞行速度以及飞行高度，并将这些大量的高精度参数传送给主控器MCU。当用户在客户端有指令操作时主控器MCU将会根据指令和IMU的数据，再结合pid飞控算法控制无人机稳定工作。所以IMU需要处理大量的数据，而且需要保证数据的实时，所以对主控器MCU的性能要求是非常高的，因为它将决定无人机是否能够稳定灵活的飞行。本设计选用STM32F103ZET6作为主控芯片，表2.1对该芯片的主要功能做出列举：功能型号内核最高工作频率功耗I/O端口定时器通信接口STM32F103ZET6ARM32位的Cortex™-M3CPU72MHZ功耗低多达80个快速I/O端口多达6个定时器多达6个通信接口表2.1STM32F103ZET6主要功能表由表2.1清晰可见STM32F103ZET6的性能优良功能强大，所以本设计选用该芯片作为主控芯片。图2.SEQ图\*ARABIC\s11STM32F103ZET6硬件电路图图2.SEQ图\*ARABIC\s12STM32F103ZET6电路连接图2.2传感器的选型及电路当今世界是一个日新月异的信息化世界，仅靠人类自身的感官早已无法去全面细致可靠地认识世界、研究自然现象和规律了，所以传感器技术的出现与发展是必然，传感器就好比是人类的五官，但是它要比人类的五官更加的精细，能够感受到非常细微的环境变化，在人类认知事物的道路上提供了很大的帮助。传感器可以对周围的环境进行感知，获取非常可靠的信息，每个传感器内部有其特有的电路结构，这些电路结构作为传感器自身的一套信息转换方式固定于传感器内部，各种无形的外界信息通过这套方式被转化为电信号输出，从而得到需要被测信息的参数，可以对这些参数进行数据分析、处理、保存以备后续使用之需，也可根据得到的参数调节环境或者更换场地，以达到实验要求的标准。在市面上我们不难发现，同一种功能的传感器有着各式各样的型号，其实这些不同型号的传感器在结构上，原理上是大相径庭的，因为我们生存的环境就是一个纷繁复杂的环境，所以我们要量体裁衣，根据具体的应用场景、测量的对象、需要得到结果的精确度等，选用合适的传感器。2.2.1MPU6050加速度传感器及电路InvenSense公司的MPU6050模块相比于传统的多模块组合方案，优化了不少，非常大的节省了空间。MPU6050将三轴陀螺仪传感器和三轴加速度传感器一体化，通过一个IIC接口和MCU通信；另一个IIC接口可用于外加其他传感器，实用性很高REF_Ref6933\r\h[1]。本设计MPU6050采用IIC通信协议与MCU进行通信，需要完成的工作REF_Ref8494\r\h[2]：初始化IIC接口。MUC的IIC接口是与MPU6050的SDA和SCL相连接的，MCU通过IIC接口实现对MPU6050的控制。复位MPU6050。（2）唤醒MPU6050，进入正常工作状态。（3）设置陀螺仪和加速度传感器的满量程范围。设置陀螺仪的满量程范围为±2000dps，设置加速度传感器的满量程范围为±2g。（4）设置其他参数对相应寄存器操作关闭所有中断、关闭IIC主模式接口，此接口是用于外接其他的传感器的接口；将FIFO使能寄存器（0X23）保持为默认值，即使FIFO处于关闭状态，因为本设计未使用FIFO存储传感器数据；通过采样率分频寄存器（0X19）控制陀螺仪采样率，一般情况下设置为50HZ；设置DLPF为采样频率的一半。配置系统时钟源并使能角速度传感器和加速度传感器由电源管理寄存器1设置x轴陀螺PLL为时钟源，通过设置电源管理寄存器2使能加速度、角速度传感器，此时MPU6050传感器初始化完毕可以进行工作了，读取相关寄存器，即可得到加速度传感器和角速度传感器的数据。本设计中将MPU6050的P1接口直接插在开发板的ATKMODULE接口上，即可完成MPU6050的连接如图2.4所示。图2.SEQ图\*ARABIC\s13MPU6050硬件电路图图2.SEQ图\*ARABIC\s14MPU6050电路连接图本设计MPU6050与单片机之间采用IIC协议进行通信，IIC总线上所有的从设备都有在当前总线上的唯一个器件地址，作为其在总线的唯一一个标识，具体通信过程如图2.5所示：图2.5IIC通信过程（1）主机（MCU）发送起始条件，占用总线，从机都被唤醒；（2）主机发送器件地址，找到对应从机；（3）从机回应，可以进行数据互传了；（4）通信完毕，释放总线。IIC的数据格式为：起始位（占用总线1bit）+数据位（由发送方发出8bit）+应答位(接收到1Byte数据的一方会1bit的应答)+停止条件（释放总线）由图2.5清晰可见在数据线上面有上拉电阻，所以当无任何数据传送时，数据线处于高电平状态，当主机发送一个字节的起始位，从机成功收到，此时会拉低总线，所以主机收到0表示有应答，收到1表示非应答，当读完数据后，数据总线会被拉高。图2.6标准IIC总线时序图IIC总线上传送的信息类型：起始条件伪代码：SCL=1SDA=0——在SCL为高电平时SDA产生一个下降沿延时——起始条件准备时间SDA=0SCL=1延时——起始条件的保持时间SCL=0——结束起始条件图2.7起始条件 停止条件伪代码：SCL=1SDA=0——在SCL为高电平时，SDA产生一个下降沿延时——停止条件的建立时间SDA=1——产生停止条件延时——本次停止条件开始到下一次起始条件开始图2.8停止条件应答信号：应答方成功接收数据后的响应，数据量为1bit。2.2.2DHT11温湿度传感器及电路DHT11将温度检测与湿度检测一体化，运用了多种技术，如：模拟信号采集、转换技术和温度、温湿度传感技术，正是因为DHT11多措并举才保证了其卓越的品质。使用单总线串行接口协议，系统容易集成。考虑到无人机要求整体质量要轻、功率消耗要尽可能低，即要有较长的续航时间，DHT11正好完美的满足了设计要求REF_Ref30615\r\h[6]，另外DHT11只引出了4个单排引脚，方便连接。图2.9DHTll硬件电路图图2.11DHT11电路连接图本设计DHT11与单片机之间采用单总线的方式进行通信，即一根DATA用于微处理器与DHT11之间的数据通信和同步，进行一次数据交互需要4ms的时间，一次交互数据量为40bit,有整数、小数两个部分如表2.2所示：单总线数据格式湿度整数部分湿度小数部分温度整数部分温度小数部分校验和部分数据量8bit8bit8bit8bit8bit（前四个字节相加所得结果的末8位）表2.2单总线数据格式下面我们来介绍一下单总线通信协议下，DHT11的数据传输时序：图2.12DHT11数据发送流程图主机（MCU）拉低数据线表示发送开始信号（黑线部分），保持t1（t1≥（2）拉高数据线t2（20us≤（3）从设备（DHT11）拉低数据，即DHT11输出的响应，保持t3（40us≤（4）从设备（DHT11）拉高数据线，保持t4（40us≤t4DHT11输出数字‘0’的时序如图2.13所示，DHT11输出数字‘1’的时序如图2.14所示：图2.13DHT11输出数字‘0’时序图图2.14DHT11输出数字‘1’时序图2.3远程通信模块的选型及电路单片机等客户终端通过无线通信模块接入物联网，PC客户端通过与单片机接入同一个网络，达到能够通信的目的。本设计选用的是UART接口WiFi模块ESP8266，其高速率低功耗的数据传输及远程控制性能，是本设计的不二选择。MCU通过USART与ESP8266通信，ESP8266内置TCP/IP协议栈，能够实现串口与WIFI之间的转换。非常简易的对串口设备进行配置操作后，设备即可以依靠网络上传自己的数据。模块默认是AT指令状态，工作模式如表2.3所示。工作模式入网方式STAAPSTA+AP模块通过路由器入网模块作为热点，实现PC或手机直接与其通信两模式共存状态，可以入局域网，也可以入广域网，灵活切换表2.3ESP8266工作模式介绍本设计通过AT指令将ESP8266配置成STA+AP工作模式，再建立TCP连接，启动透传模式，就可以实现MCU与服务器之间的通信了。图2.15WIFI模块硬件电路图图2.16ESP8266WIFI模块接口电路图

无人机远程通信控制系统的软件设计3.1本地电脑客户端Javascript程序设计本设计的软件开发环境如下：编程系统：Window10专业版开发语言：JAVASCRIPT，HTML，CSS开发工具：VSCODE3.1.1UI界面基于学生的能力，本设计只是做了一个简单的静态页面，左侧边设有三个可以跳转的页，分别是飞机飞行姿态控制，传感器实时参数，飞行器实时图像。需要说明的是本实验中飞行器实时图像模块不予实现。打开飞行姿态按钮可以看到页面显示有：垂直方向控制和水平方向控制的字样，总共七个按钮,分别是：REF_Ref11736\r\h[8]持续上升，持续下降，悬停，前进，后退，左转，右转。打开传感器实时参数状态栏，可以看到传感器实时返回的参数，分别是：俯仰角、航偏角、翻滚角、XYZ三个轴的加速度信息以及环境温度信息和湿度信息。具体如图3.1所示：图3.SEQ图\*ARABIC\s11UI界面3.2创建服务器编程思想：使用node.js创建TCP服务器，首先需要获取本地PC机的ip地址及需要监听的端口,（本机连接的局域网IP地址是0，通过代码指定TCP服务器需要监听的端口是6969)然后调用listen函数开始监听端口6969，传入net.createServer()的回调函数作为”connection“事件的处理函数，在每一个“connection”事件中，该回调函数接收socket对象发送来的数据进行处理。HTTP服务器端，调用listen函数开始监听指定端口（通过代码指定为1337），传入http.createServer()的回调函数作为连接事件的处理函数，对前端定时异步数据请求和发送的数据进行处理。其中TCP服务器和HTTP服务器共享一个数据接收区及发送数据缓冲区，实现下位端与上位端数据交互。3.2.1

HTTP请求/响应的过程本设计前端数据获取和指令发送通过HTTP协议异步通信来完成。早期的HTTP协议是无连接的，即每处理完一个请求后就断开连接，这样使得通信开销比较大，比较麻烦，HTTP/1.1解决了这个问题默认所有连接为持久连接，使得一次连接可以处理多个HTTP请求，有效节省了通信时间与网络资源。Web客户端通过按照HTTP协议的标准发送相应的请求到Web服务器，服务器会把相对应的Web页面发送到PC客户端。客户端向服务器发送一HTTP请求，其格式为：请求行请求头请求主题信息其中请求行又包括了请求方法，请求路径，和所用到的HTTP协议版本。服务器收到请求信息会返回一个响应行，包括协议版本、状态码和状态文字，其后便是响应头信息，最后在一个空行后面输出响应主体内容。以下是HTTP请求/响应的步骤：1、客户端连接到Web服务器PC客户端与服务器的HTTP端口（本设计指定为1337）建立一个TCP套接字连接。2、发送HTTP请求通过TCP套接字，客户端向服务器发送一个文本的请求报文，其包括请求行、请求头部、空行和请求数据四个部分。3、服务器接受请求并返回HTTP响应服务器解析请求，定位请求资源。服务器将资源复本写到TCP套接字，由客户端读取。4、释放TCP连接5、客户端浏览器解析HTML内容（1）客户端解析状态行，查看状态码确定是否请求成功（2）解析每一个响应头，响应头告知以下为若干字节的HTML文档和文档的字符集。（3）客户端读取响应HTML数据，通过HTML的相关语法对其进行格式化，然后显示于浏览器。3.2.2TCP服务器的创建在本研究课题中，下位机与上位机进行数据交互是使用TCP/IP协议来完成的，考虑到本系统需要在稳定和可靠性较高的网络环境中工作，下位机与上位机通信采用建立TCP连接来完成。Node.js提供了net模块，所以创建一个TCP服务器是很简单的，需要获取本地的IP地址，和监听指定的端口号。所以先进性IP地址和端口号的设定，IP地址是本地电脑的入网IP，端口号可以自行设定，此处将下位机与上位机的通信端口指定为6969，然后我们获得一个连接，该连接自动关联一个socket对象，为这个socket实例添加一个"data"事件处理函数，当下位机接收到数据，就会触发DATA事件，DATA是下位机发送到服务器的数据，又TCP服务器和HTTP服务器共享一个数据接收区及发送数据缓冲区，所以即可将该数据发送到客户端显示。服务端向客户端发送显示的代码如下：图3.2实现服务端向客户端数据传送的代码为socket实例添加一个，"close"事件处理函数，当数据交互完毕，服务端就会主动的关闭TCP连接，客户端被动关闭连接，从而TCP协议被释放。3.3通信控制程序设计3.3.1系统整体工作流程提前已经将ESP8266通过AT指令设置成STA+AP模式，并且指定从服务器的6969端口联网，与单片机进行通信；电脑连接局域网入网，获得IP地址；1.启动本地服务器，服务端会开启6969端口并且一直处于监听状态；2.启动单片机，各模块初始化，若初始化进程顺利，单片机上的灯会亮，证明单片机已经成功连接到服务端指定的端口6969，处于等待前端指令状态；3.开启本地客户端页面，建立Socket对象连接到服务器的指定端口1337；4.前端按钮按下后异步的向HTTP服务器发送按钮对应的键值；5.HTTP服务器接收到发送的键值后，将数据存储到HTTP服务器和TCP服务器共享的数据缓冲区中将数据更新标志置为1；6.TCP服务器检测到数据更新标志置为1时，将从共享数据缓冲区读取数据并将数据发送到下位TCP客户端（单片机）；7.单片机串口接收到数据后，解析接收到的数据，根据不同的键值驱动LED灯闪烁。图3.3系统通信流程图3.3.2各模块软件流程图图3.4主控器软件流程图图3.5无线通信控制流程图

第四章、系统调试分析4.1串口程序下载软件测试本设计通过MCU的串口1进行程序下载，需要提前安装好CH340G驱动，设置板子上的跳线帽。（RXD和PA9（32的TXD）连接，TXD和PA10（STM32的RXD）连接）作用是把驱动CH340G与MCU的串口1进行连接即达到驱动串口的目的。连接方式：连接板子上的USB-232端口（实质是USB转成串口）下载。串口下载软件：flymcu 图4.SEQ图\*ARABIC\s11串口程序下载 图4.1表示程序下载正常，可以进行下一步测试。4.2nodejs本地服务器运行测试图4.SEQ图\*ARABIC\s12本地服务端通信测试测试结果如图4.3所示，本地服务器正常运行，服务端与上下位机的通信端口均开启正常，上下位机可以通过服务器进行数据交互。4.2客户端软件与硬件入网测试打开串口调试助手，串口选择为COM3：USB-SERIAL，并将其打开，REF_Ref31085\r\h[7]测试结果如图4.4：图4.4硬件电路入网测试其中：（1）CWMODE表示查看本机的配置模式，本设计模式为STA+AP模式。（2）CWJAP表示是否连接到网络，本设计连接到个人手机热点。（3）CRTSTART用于设置所要连接的服务器，本设计建立的是TCP连接。（4）ESP8266InitOK表示ESP8266已经成功连接到TCP服务端，入网成功，此时STM32上的DS0指示灯会闪烁进行提示。此时当客户端有指令按下时，也会在串口调试助手界面显示相应的命令所操作的寄存器如图4.5所示。图4.5客户端软件测试4.4系统通信测试图4.6参数返回图4.7系统整体通信控制测试本设计测试结果返回参数如图4.6所示，可以通过转动单片机来测试无人机的飞行姿态参数的实时性，可以通过长时间手握DHT11温湿度传感器来测试无人机所处环境参数变化的实时性。同时相应的本地电脑端页面也会对无人机的飞行状态进行控制，本设计是由STM32平台上DS0和DS1两个状态指示灯的闪烁次数来进行无人机飞行状态的模拟。下面是具体对无人机飞行状态模拟的设置：垂直方向：（1）持续上升：先红色指示灯DS0闪烁一秒，后绿色指示灯DS1闪烁一秒，二者交替闪烁2次。（2）持续下降：红绿灯交替闪烁3次。（3）悬停：红绿灯交替闪烁4次。水平方向：前进：红绿灯交替闪烁5次。后退：红绿灯交替闪烁6次。左转：红绿灯交替闪烁7次。右转：红绿灯交替闪烁8次。经测试验证了上述设置结果都可以成功实现。综上所述，本设计要求的全部内容已经完成。结论本课以stm32单片机作为嵌入式开发平台，该平台通过与wifi模块的连接，实现MCU与服务端的通信，由温湿度传感器监测到当前环境中的温度和湿度，将感知到的数据通过stm32处理发送到PC客户端，PC客户端收到数据后解析并显示；姿态传感器同理。PC客户端也可以发送相关的指令，通过wifi的方式将指令传送到MCU，MCU接收到相关指令后，通过两个LED灯不同的显示状态来模拟飞机飞行姿态。综上本设计实质是对无人机远程通信控制系统的硬件模拟，主控芯片并不在无人机飞行平台上，核心功能是能够完成上位机与下位机之间的数据交互即可。虽然对于本设计的描述比较简单，但对于学生个人而言也是一个不小的工作量，从刚开始的相关文献与参考资料的查阅到初步方案的制定，从实现过程中的不断改进，到最终成果的出现，无不考验着学生的耐心与能力，好在最终设计都达到了课题要求。本设计还存在的不足是客户端网页的设计较为简单，没有做到很美观，希望以后在对Web界面学习的过程中不断改进，不断的提升学生的设计与创新能力。参考文献王鹏,冯帅,余昌乐,许童羽.基于GPS定位的四旋翼飞行器设计[J]农业科技与装备，2016（263）：28—29正点原子.STM32F4开发指南-库函数[M].深圳.正点原子.2014汤金.基于北斗的无人机高精度自主导航与监控技术研究[D].黑龙江：哈尔滨工程大学,2019申祖辉.基于STM32的四旋翼无人机控制系统设计[D].河南：河南科技大学,2019吴嘉玮.基于嵌入式系统的无人机机载震后搜寻系统的研究与设计[D].武汉:武汉理工大学,2016王铮.牛奶厂环境实时监测与控制系统设计实现[D].安徽：安徽农业大学,2020方圆.棉田土壤温湿度信息监控系统设计与研究[D].新疆：石河子大学,2020步红.