基于四旋翼无人机的PM2.5测量论文

..>--.--考试资料.综合论文训练题目：基于四测量..>中文摘要近年来，随着无人航空技术开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开展与日趋完善，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，到达空气质量检测的目的。本文依次介绍系统的硬件局部、软件局部。之后，对传感器的可信度进展评估，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展处理，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：四旋翼无人机；SDS011激光传感器；STM32单片机；数据储存与显示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目录第1章引言11.1课题背景11.1.1无人机概述11.1.2PM2.5〔PM10〕国内外检测现状概述11.2课题的研究的目的和意义21.3工程需求31.4整体工作介绍6第2章系统硬件概述与设计72.1四旋翼无人机搭载平台介绍72.2SDS011高精度激光传感器82.3ATK-NEO-6M-V23定位模块102.4开发板132.4.1开发板简介132.4.2单片机给电模块142.4.3数据存储模块15第3章系统软件概述与设计173.1系统环境与软件开发工具173.1.1RealviewMDK介绍173.1.2J—Link仿真调试193.2串口对数据的输入与查看203.2.1数据输入串口20223.3系统环境与软件开发工具233.3.1软件设计程序设计整体构架233.3.2系统模块初始化243.3.3对空气传感器数据处理243.3.4对GPS定位信息进展处理253.3.5存储局部代码实现27第4章系统实现过程294.1空气传感器数据实现304.2GPS定位模块数据实现314.2.1海拔准确度测量324.2.2地面风速测量33344.3PM2.5〔PM10〕值变化情况研究354.3.1PM2.5〔PM10〕值随海拔变化情况研究354.3.2PM2.5〔PM10〕值随风速变化情况研究374.3.3PM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..>第1章引言1.1课题背景"无人机〔unmannedaerialvehicle，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、降落等根本功能。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，无人机参军用领域逐渐迈入民用领域，民用无人机在航拍、公共平安、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，比方本钱低廉、起飞简单、不需要专用的场地进展起飞与降落等。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。1.1.2PM〔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-100um范围内。习惯上人们一般把空气动力学直径小于um的可吸入颗粒物；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〔、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PM与PM10。本课题利用无人机搭载平台的组成的系统，主要的构成局部包括空气传感器局部，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展环境监测实验，截止到当前该研究已经取得了相比照较完善的研究成就。最近几年以来，随着民用无人机技术的飞速开展与逐步成熟，利用无人机作为搭载平台进展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，随着技术的进一步开展，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，激光传感器作为空气传感器模块局部，STM32F103RCT6开发板核心板单片机实现开发功能，Ublo*NEO-6M带天线5HzGPS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，对所获取数据进展处理，获得需要的数据局部，把提取好的所需数据存储在存储卡。读取数据，在PC端对数据进展处理，通过数据处理软件例如E*cel等对所采数据处理，画出比照趋势曲线，进展比照，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〔PM10〕的测量存在一定的问题，大局部的城市测量只能在选定的地点，固定的高度进展固定的采样。显然，该测量方法在很大程度上存在样本过于集中，不能较为客观的反响事实的问题。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顿，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T*T文件格式存储在SD卡中，返回地面进展处理，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展测量，因为禁飞区的缘故，选择在六环外进展测量。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机进展处理，分别绘制〔PM10〕值随着海拔变化的变化曲线图；在不同的地方，一样的海拔情况下，分别采集数据，绘制〔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展实时测量，可以获取相比照较准确且客观的数据，可以在一定程度上，改善当前客气测量的缺乏，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效劳的目的。本课题是基于无人机平台〔PM10〕测量，空气传感器〔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进展编程，把有用的信息提取出来，以T*T文件形式保存下来，测量完所需数据，拿到PC端进展处理，画出趋势比照图，得出结论。课题的总体框图如下：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s11课题总体框架系统工作过程为：1—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V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展合理的取舍，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展存储，每隔20s〔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，T*T文件自动换行。其中本次课题很重要的局部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，对所获取的数据进展存储。实现过程通过利用KeiluVision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，系统开场自动测量数据，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：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s12毕业设计总体软件设计框架图各个局局部别实现的功能如下：1.启动STM32，运用KeiluVision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根本功能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实现对所需信息的提取，对模块输出的数据进展数据处理，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〔PM10〕数据的输入、处理。把十六进制数转化为十进制，并且的数值与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展舍去。4.获得数据之后，需要通过STM32的中断与停顿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〔PM10〕的形式进展存储，为了便于后期处理，每读取10组数据之后，T*T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E*cel〕绘制表格与趋势变化曲线图，比照得出结论。1.4整体工作介绍本次毕业设计的总体工作表示如下：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s13整体工作介绍框架图第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根底。本局局部模块地对系统的硬件局部进展介绍，并且将各个局部有机的结合在一起，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开展，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拟良好与广泛的应用。"四旋翼飞行器具备4个螺旋桨，四个螺旋桨呈十字形穿插构造分布。相对的螺旋桨具有一样的旋转方向，相反的螺旋桨旋转方向相反。〞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.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，其飞行速度根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：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.图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s11四旋翼无人机实物图2.2SDS011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，可以较为准确得测量出空气中—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，对其测量精度进展评估，可以验证其稳定度与准确度都比拟高。其实物图如下：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s12传感器实物图传感器加上5V电压之后，就会源源不断与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STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s13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：表STYLEREF1\s0.SEQ表\*ARABIC\s11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PM高字节PM10低字节PM10高字节保存位保存位校验和报文尾其中PM2.5值：〔〔PM2.5高字节*256〕+PM2.5低字节〕/10其中PM10值：〔〔PM10高字节*256〕+PM10低字节〕/10比方，上述给出的样例中，第二行的PM值为：〔0*256+55〕；PM10的值为：〔0*256+124〕。2.3ATK-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-BLO*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：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s14定位模块实物图其根本特性如下：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s15ATK-NEO-6M-V23根本特性其电器特性为：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s16ATK-NEO-6M-V23电器特性该模块具备串口输出，加上V的电压之后，即可以通过串口进展数据读取，其格式如下：

图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s17ATK-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方：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。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，根本的中断与停顿，数据存储等，该开发板都可以比拟好的满足。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STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s18开发板实物图与管脚定义本次课题主要应用的模块局部有三个串口，串口1〔PA10〕〔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，即可以进展数据存储。2单片机给电模块本课题设计的系统需要给电的局部包括STM32单片机局部，SDS011高精度激光传感器，ATK-NEO-6M-V23定位模块三局部。无人机给出的是V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展，该模块参数如下：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s19降压模块技术参数该降压模块的正反面实物图如下：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s110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V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microSD卡作为存储器，其实物图如下：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s111存储卡实物图本模块比拟简单，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展直接读取即可。*E"图2.2.1透视投影的几何关系图"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，软件局部是本系统的核心的局部，只有完善的软件，才能保证本次课题的最终完成。本课题的软件局部采用最常见的C语言作为编程语言，应用KeiluVisionn5作为编程软件，主要涉及串口通信，中断与停顿，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Corte*—M3作为内核，同时，Corte*—M3采用目前最为主流的ARMV7—M构架。采用的主要开发工具为RealviewMDK，其功能强大，包括uVisionIDE，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，可以满足大局部用户的工程需要。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.RealviewMDK介绍"RealviewMDK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uVisionIDE，ARM编译器，中间库，调试跟踪支持等局部组成。〞本课题采用最新的Uvision5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，Corte*芯片构造如下：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s11Corte*—M3芯片构造基于Corte*—M3有一套标准，一般命名为CMSIS〔Corte*MicrocontrollerSoftwareInterfaceStandard〕，其应用程序的一般构造如下：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s12CMSIS程序根本构造使用MDK开发的一般流程如下：新建工程〔工程〕编写目标文件，当前一般采用较为流行的C语言或较为根底的汇编语言编译程序假设有问题，对问题修改链接设备，下载程序，运行一般软件开发的流程如下：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s13Uvision开发一般流程图3.1.2J—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IAREWAR，ADS，KEIL，RealView等连接，支持ARM7/ARM9/ARM11,Corte*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STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s14J—link功能特性本次实验采用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STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s15J—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。假设要在地面端通过PC机实时查看结果，则也可以通过串口直接进展查看，其中的串口定义如下：表STYLEREF1\s0.SEQ表\*ARABIC\s11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〔PM10〕进展输入，接收到的信息主要是s为周期的16进制字符串，我们需要对其进展处理。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展解析与提取，并且把一些不需要的数据进展合理的取舍。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：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s16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S，当低于时候，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，假设从开场到当前时间小于TM2，则选择一直读下去，否则空行，进展下一组测量。考虑到无人机上天之后，无法进展控制，本次课题中也就没有增设其他的控制信号。以上的局部的关键代码如下：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s17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拟直观的认识与保证，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。其关键局部代码为：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s18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，并且对所采数据进展十六进制转化，通过FATS文件格式进程存储，其总体构架如下：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s19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，则系统在开场运行的时候的首要工作就是对串口数据进展初始化，如果系统初始化成功，则久可以直接通过串口空气质量数据与GPS定位信息进展数据传输。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，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进制的进展表示，这些局部我们都通过编程实现。采用一个数组pm25buf[10]用于〔PM10〕值，并且通过截断，保存其中的五组值，五组的高字节与低字节，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STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s110程序设计总体框架3.3.4对GPS定位信息进展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展适当去提取。该算法参考战舰给的例程进展，主要的代码如下：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s111定位信息获取关键代码图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s112单个卫星信息图图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s113卫星精度分析局部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存储局部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，对大局部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准确度。本次实验，在参照战舰提供的实验根底上进展。以下为主要存储局部的代码名称与其实现的主要功能：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s114FATFS代码功能对应图其中主要的关键代码如下：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s115FATFS关键代码第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展数据采集，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，在进展测量之前，对传感器与定位模块都进展校准。在所有系统搭建完成之后，为了验证可行性，先在地面端进展数据采集，并且得出一定的结论，之后在把平台搭建到无人机进展空中采集数据。总体实物图为：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s11系统整体实物图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准确度的考虑，本次实验选择以光学散射原理的传感器。为了准确的验证其准确度，在拿到传感器之后，选择在实验室首先对传感器的准确度进展验证，如果误差范围较大，则不予采用；假设误差在可以忍受的范围内，则对其精度进展校准，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值进展比照，得出结论。可以得出如下的走势图：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s12改变室内环境所得的PM曲线图在上述曲线图中，系列1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根本一致。通过屡次实验数据的采集，以及最后的仿真数据的查看，我们可以知道，该传感器根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拟符合要求。故，最终选择SDS011吃传感器作为最终的数据收集模块。数据实现该GPS模块为战舰开发板的一个小模块，准确度很高，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STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s13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对模块进展测量。数据的接入主要采用实验所给的串口调试助手进展，可以看出翻开的u-center效果如下：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s14u-center测量GPS定位模块的输出界面效果.1海拔准确度测量为了验证测量的可靠性，首先在实验室进展测量，因为实验在9楼，可以北京市的平均海拔大概在m，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，对数据进展描图如下：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s15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，其误差比拟大，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展，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：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s16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拟准确的，满足课题要求。.2地面风速测量我们〔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，需要对其精度进展评估，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，以取代比拟客观数据，如果在采集到的数据与实际情况比拟接近，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：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s17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，一开场上路的时候，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5，与实际情况比拟符合。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，是可以承受的，故本次实验可以采用本模块进展。.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展测量，比方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展比照，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，应选择在北京市郊区进展测量，测得点1：昌平区的居民区，南邵镇〔北纬N40°12′″东经E116°16′″〕，测量点2：西山农场〔北纬N40°06′″东经E116°05′″〕，测量点3：定福庄乡〔北纬N39°36′″东经E116°16′″〕，测量点4：甘棠镇〔北纬N39°51′″东经E116°48′″〕。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，进展测量，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展数据测量。4.3PM〔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，之后读取值与PM10值，依次进展，其形式如下：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s18SD卡数据存储形式同时，为了便于观察，我们可以通过串口3在地面端对数据进展读取，其形式如下：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s19串口3数据读取形式.1PM〔PM10〕值随海拔变化情况研究我们知道，在海拔比拟低的情况下，随着海拔〔〔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展测量。选择在2016年5月11日分别在不同的地方〔改变经纬度〕进展测量，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，即是雾霾不是则严重的5月11日进展测量，其变化的趋势图如下：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s110四个地点图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s111四个地点PM10随海拔变化曲线图由上图可以知道，在PM10与在一定的高度下，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，在四个不同的地方因为当地本身的气候条件不一样，也即是各地的污染情况有区别，所以其值会有一定的差异；再者，在一样的高度下，PM10的值一般会比PM2.5小一些；同时，由图可以看出来，随着高度的增加，PM10的减少明显，其实也是可以理解，毕竟随着高度的增加，空气动力学直径大的颗粒减少的显然会更明显。.2PM〔PM10〕值随风速变化情况研究PM与PM10作为固体物质，显然会受到风速的影响，因为系统自带速度测量模块，并且前面已经历证过其速度测量值的可信性，所以本次实验中可以直接读取其速度值，研究速度〔PM10〕的变化趋势图。测量时间依然是在2016年5月11日分别在不同的地方〔改变经纬度〕进展测量，其趋势图如下：图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s112四个地点图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s113四个地点由上述两图观测可以知道，随着当地相应的速度的增加，PM2.5与PM10的值都呈下降与PM10都是颗粒物质，当增加风速的时候，其扩散程度显然会更明显，故颗粒物运动得会更快，则在单位面积内的颗粒物的数量也就会相应的减少，所以其值会相应的降低。.3PM值在不同的天气条件下随风速变化情况研究在不同的天气条件下，PM或者PM10的值受到海拔与速度的影响也有一定的区别。为了具体研究其中的规律，分别在2016年5月12日，天气较好的情况下采集数据，与2016年5月17日采集数据，研究在不同情况下PM值随速度的变化情况。图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s114趋势图图STYLEREF1\s0.SEQ图\*ARABIC\s115PM10值在两种不同天气情况下随速度变化趋势图由上述两图可以看出，蓝色变化曲线表示在天气较坏的情况下采集的数据，由趋势图可以看出，在天气较好的情况下〔PM值较小〕，无论是PM2.5还是PM10的变化趋势都比拟平缓；而在天气情况本身就比拟坏的情况下，PM与PM10值都随着速度的逐渐变化而有比拟明显的变化趋势。具体满足，速度越大PM2.5与PM10的值都减少。第5章结论与展望本次毕业设计课题实现了用单片机实现了对空气传感器获取的数据与通过GPS定位信息的处理并且存储的功能。系统实现了对所获取的16进制的数据的处理，转换为我们易读易记的10进制，同时，对我们不需要的数据，也进展适当的取舍。最后，通过Uvision把程序下载到单片机，并且把空气传感器与GPS定位模块都搭载在一起，实现系统的级联。系统搭建好之后，借助四旋翼无人机平台，在不同的地方对数据进展采集，采集完数据之后，并且通过表格与趋势图的形式，得出我们所需的结论。本文主要对系统硬件，软件进展介绍，同时为了保证所测数据的可靠性，在进展数据采集之前，需对所采用的传感器与GPS定位器件进展评估，主要是采用动态图的形式进展。当系统搭建完成之后，随着几个改变〔PM10〕随着这几个变量的变化曲线图，通过对曲线图的飞行，得出一定的结论。由于实验条件与毕业设计时间等方面的条件限制，本次课题也有一些不完善与可以改进的地方。无人机限高120m，这给测量带来一定的限制，本来一开场的设想是绝不止这么低的，但是因为实验室条件只能提供这样条件。其次，因为北京市对无人机的禁飞区的存在，只能到郊区采集数据，这也在一定程度上束缚了本次课题的较为完美的实现。如果能够解决上述的一些缺乏之处，那本课题还是有望取得更为完善的结果！插图索引TOC\c"图"图2.1课题总体框架 3图2.2毕业设计总体软件设计框架图 5图2.3整体工作介绍框架图 6图2.1四旋翼无人机实物图 8图2.2传感器实物图 9图2.3空气传感器输出16进制数 9图2.4定位模块实物图 11图2.5ATK-NEO-6M-V23根本特性 11图2.6ATK-NEO-6M-V23电器特性 12图2.7ATK-NEO-6M-V23原始数据输出 12图2.8开发板实物图与管脚定义 13图2.9降压模块技术参数 14图2.10降压模块技术参数 15图2.11存储卡实物图 16图3.1Corte*—M3芯片构造 18图3.2CMSIS程序根本构造 18图3.3Uvision开发一般流程图 19图3.4J—link功能特性 19图3.5J—link管脚功能图 20图3.6接收串口时序图 21图3.7接收串口关键代码 22图3.8查看串口关键代码 23图3.9程序设计总体框架 24图3.10程序设计总体框架 25图3.11定位信息获取关键代码 26图3.12单个卫星信息图 26图3.13卫星精度分析局部 27图3.14FATFS代码功能对应图 28图3.15FATFS关键代码 28图4.1系统整体实物图 29图4.2改变室内环境所得的PM曲线图 30图4.3单片机与定位模块的典型连接 31图4.4u-center测量GPS定位模块的输出界面效果 31图4.5实验室测量海拔对时间变化曲线图 32图4.6校园海拔监测数据变化趋势图 33图4.7校园速度监测数据变化趋势图 34图4.8SD卡数据存储形式 35图4.9串口3数据读取形式 35图4.10四个地点PM2.5随海拔变化曲线图 36图4.11四个地点PM10随海拔变化曲线图 36图4.12四个地点PM2.5随速度变化曲线图 37图4.13四个地点PM2.5随速度变化曲线图 38图4.14PM2.5值在两种不同天气情况下随速度变化情况 39图4.15PM10值在两种不同天气情况下随速度变化情况 39表格索引TOC\h\z\c"表"表2.1空气传感器输出位数意义10表3.1系统串口对应功能图20参考文献[1]李德仁,李明,无人机遥感系统的研究进展与应用前景[R],武汉大学学报·信息科学版，第39卷第5期[2]黄泽满，刘勇,周星，陈天伟,梁毅东,民用无人机应用开展概述[J],赤峰学院学报〔自然科学版〕,第30卷第12期〔下〕[3]宁爱民,文军浩,郑德智,樊尚春,PM2.5监测技术及其比对测试研究进展[J],计测技术综合评述[4]郭坚，基于SIM908的无人机空气质量检测系统设计与研究[D],天津大学电子工程学院[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传感器使用手册[Z]，2015年版，济南参谋通讯技术[11]ATK—NEO—6M用户手册[Z]，2014年版，广州市星翼电子科技[12]STM32不完全手册_库函数版本V3.1,2013年版[Z]，广州市星翼电子科技[13]Corte*—M3技术参考手册[Z]，2012年版，广州周立功单片机开展[14]ALIENTE*MiniSTM32开发入门教程[Z]，2014年版，广州市星翼电子科技[15]STM32ReferenceManual(RM0008)[Z],2009年版，stmicroelectronics[16]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.致谢声明附录A外文资料的调研阅读报告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