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1、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 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
2、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 ABSTRACT With the rapid development of UAV technology, its application has become more
3、 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
4、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 test
5、ing. 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 o
6、f the values of PM2.5(PM10) change with the latitude and longitude, altitude, wind speed. Keywords: Four-rotor UAV；SDS011 laser sensor；STM32 microcontroller；Data storage and display 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
7、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 JLink 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
8、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 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
9、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 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
10、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
11、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
12、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 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
13、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
14、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
15、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
16、。 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： 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 12.45V 电压转换功能，输出的 5V 电压分别给
