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功能：本次設(shè)計是一個基于北斗定位的無人機滅火系統(tǒng)，本次設(shè)計主要通過北斗系統(tǒng)定位，能夠?qū)@取到的位置信息通過無線通訊技術(shù)傳輸?shù)綗o人機上，進行火災(zāi)救援。本次設(shè)計需求主要為一下幾點：

緒論
1. 研究背景及研究意義
  1. 研究背景

無人消防技術(shù)在現(xiàn)如今已經(jīng)使一種新型的工業(yè)技術(shù)，被廣泛的使用在工業(yè)生產(chǎn)之中。在國內(nèi)，國外已經(jīng)有許多消防人員使用無人機進行對火災(zāi)現(xiàn)場的勘察，監(jiān)測火災(zāi)現(xiàn)場情況并且通過以上措施保證了大多數(shù)救火人員的安全。

在此之前，基于無線通信勘察火場的科技少之又少，因技術(shù)、工程、資金問題，這樣的技術(shù)很少有人進行嘗試。但是隨著科技的普及，無人機等一眾無線通信技術(shù)進入大眾的視野，而工業(yè)級無人機也在各個工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中發(fā)揮著自己的作用，尤其是在消防這一部分，通過無人機代替人力救火以及投放物資等工作，這對于消防人員來說重要性不言而喻。

無人機在火災(zāi)發(fā)生時可以做到災(zāi)情巡查，監(jiān)控追蹤，輔助救援，輔助監(jiān)督等各項功能，在火災(zāi)發(fā)生時起到了極大的作用，例如在天津大爆炸時，在火災(zāi)救援中我國各部門也曾利用無人機對事故現(xiàn)場進行高空監(jiān)查，為災(zāi)情決策提供了有效地幫助。在火災(zāi)發(fā)生時無人機監(jiān)控具有機動速度快、使用成本低、維護和操作性高等技術(shù)優(yōu)點。也可以對個別干旱地區(qū)對火災(zāi)可以有及時的預(yù)警和對火災(zāi)各種動態(tài)的信息準(zhǔn)確把握和及時的了解。

綜上所述，對災(zāi)情準(zhǔn)確的信息把握和災(zāi)情地理位置的準(zhǔn)確定位是對公民安全的加強保護以及減少火災(zāi)對城市以及工業(yè)火災(zāi)造成的損失。

1. 1. 研究意義

本次設(shè)計是基于北斗衛(wèi)星定位技術(shù)的救火系統(tǒng)。在科技飛速進步的今天，火災(zāi)對國家公民的生命安全的威脅已經(jīng)不容忽視。在火災(zāi)發(fā)生時為了減少火災(zāi)帶來的損失，對于火災(zāi)時信息的獲取以及準(zhǔn)確的災(zāi)情定位是十分關(guān)鍵的一步。在近幾年，在火災(zāi)發(fā)生時救火英雄奮不顧身，身陷火海之中進行災(zāi)情救援以及滅火工作，這對于消防員而言是一個十分危險的救援工作，若可以在火災(zāi)發(fā)生時第一時間獲取火災(zāi)信息并對火災(zāi)地點進行準(zhǔn)確的定位獲取火源位置，這不僅對于公眾來說是安全的保障，對于消防人員來說這更是十分重要的一個救火舉措。

當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時，使用無線通訊技術(shù)進行災(zāi)情偵察，利用北斗定位進行火源定位，這對于一些急難險重的災(zāi)情現(xiàn)場是起到重大作用的，可以有效地避免人員傷亡，避免人員進入有害氣體，易燃易爆的去環(huán)境中進行偵察，又能全面的，細(xì)致的掌握火災(zāi)的動態(tài)信息以及地理位置。

1. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
  1. 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

在國內(nèi)無人機救火技術(shù)已經(jīng)原來越成熟，西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院李占科老師團隊研制了 2款“消防滅火救援無人機”。一款針對高層住宅火災(zāi)，無人機攜帶的4枚滅火彈能破窗而入，15米內(nèi)能做到高精準(zhǔn)度瞄準(zhǔn)；一款針對森林火災(zāi)，無人機能往下投擲滅火彈，至少能覆蓋50平米的范圍。實現(xiàn)無人機救援，不僅需要無線傳輸技術(shù)還需要通過北斗定位對火災(zāi)地點的準(zhǔn)確把控。

北斗衛(wèi)星雖然遠(yuǎn)在天邊，但是北斗技術(shù)卻近在身旁，北斗的定位、導(dǎo)航功能廣泛的應(yīng)用在地圖導(dǎo)航、工業(yè)監(jiān)測等領(lǐng)域，在國內(nèi)一部智能手機就有不少基于北斗衛(wèi)星的應(yīng)用，而且在對地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警中北斗定位也可以24小時不間斷的對災(zāi)害進行實時監(jiān)測，在此次抗擊新冠肺炎疫情之中，北斗也提供了包括無人機精準(zhǔn)噴灑消毒液、物流精準(zhǔn)配送、醫(yī)院數(shù)字施工等“硬核技術(shù)”支持。除此之外，北斗還有最具有特色的功能就是可以進行短報文通信支持1000字內(nèi)容的短報文。

1. 1. 國外研究現(xiàn)狀

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)深入到各國安全、經(jīng)濟、軍事、民用等領(lǐng)域。在國外以產(chǎn)業(yè)化程度較高的GPS定位系統(tǒng)為例，這已經(jīng)是一種全球高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)得以廣泛應(yīng)用的代表。國外在衛(wèi)星定位的系統(tǒng)中，也廣泛用于航空、航海、監(jiān)測以及大多數(shù)工業(yè)和民用領(lǐng)域。

全球共有四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，除了我國的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)之外，還有美國的GPS、俄羅斯的“格洛納斯”、歐洲的“伽利略”，目前技術(shù)最成熟的依然是美國的GPS系統(tǒng)。在2019年底，GPS在工作的衛(wèi)星總共有30顆，可以為超過40億人進行民用、商用以及軍事工業(yè)提供定位導(dǎo)航等服務(wù)。

1. 研究內(nèi)容與研究方法
  1. 研究內(nèi)容

本次設(shè)計是一個基于北斗定位的無人機滅火系統(tǒng)，本次設(shè)計主要通過北斗系統(tǒng)定位，能夠?qū)@取到的位置信息通過無線通訊技術(shù)傳輸?shù)綗o人機上，進行火災(zāi)救援。本次設(shè)計需求主要為一下幾點：

北斗定位獲取火災(zāi)位置信息；
煙霧傳感器，火焰?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測火情；
火災(zāi)位置信息可視化；
無線通訊傳遞火災(zāi)位置信息。

1.3.2? 研究方法

本次設(shè)計主要通過北斗定位模塊獲取火災(zāi)位置，并通過火焰?zhèn)鞲衅骱蜔熿F傳感器進行火情監(jiān)測，通過OLED顯示器將火災(zāi)信息進行可視化顯示，并通過無線傳輸技術(shù)將信息傳遞給無人機模擬模塊。

硬件系統(tǒng)的方案選擇和設(shè)計

2.1? 系統(tǒng)的主控模塊

2.1.1? 主控芯片的方案

方案一：EPSON單片機作為本次設(shè)計的主控芯片。EPSON單片機以低電壓，低功耗和內(nèi)置LCD驅(qū)動器的特點在世界上享有名譽，其廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，醫(yī)療設(shè)備，家用電器，儀器儀表，通信設(shè)備和手持式消費類產(chǎn)品等領(lǐng)域。但是其在軟件編程方面較為復(fù)雜，不利于本次設(shè)計的功能實現(xiàn)，維護消耗較高。

方案二：Scenix單片機作為本次設(shè)計的主控芯片。Scenix單片機優(yōu)點在于其具有柔性化IO端口，每一個IO端口都可以進行單獨的編程設(shè)計，采用專用串行電纜可以對目標(biāo)進行在線實時的仿真，但是此類單片機價格較為昂貴，且功能對于本次設(shè)計而言不需要使用到的功能較多，會造成不必要的資源浪費?？紤]Scenix在制作成本方面較高，并且制造元件的過程對環(huán)境污染較大的情況下，使用Scenix系列單片機作為系統(tǒng)的主控機顯然不符合設(shè)計要求。

方案三：選用STC 89C52RC單片機作為本次設(shè)計的主控芯片。STC89C52RC是一款低功耗、高性能的COMS8位微處理器，該芯片具有經(jīng)典的51內(nèi)核，較傳統(tǒng)的51單片機而言其具有3個16位的定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，并且具有更高的運行速度。且該芯片可以實現(xiàn)本次設(shè)計的全部功能且不會造成資源浪費價格低廉。

綜上所述，本次設(shè)計選擇方案三STC89C52RC芯片作為本次設(shè)計的主控芯片。

2.1.2? 主控模塊的設(shè)計

作為一款多功能、實用性高、高性能的單片機，STC89C52RC具有基本的標(biāo)準(zhǔn)功能。使用一個輕觸按鍵與電容電阻可以組成一個系統(tǒng)的復(fù)位電路。復(fù)位電路在按下按鍵時可以使系統(tǒng)恢復(fù)到最初的數(shù)據(jù)和初始的功能。復(fù)位電路上的電容與電阻主要作用是控制復(fù)位的時間，因此在設(shè)計復(fù)位電路是需要選取合適的電阻和電容，本次設(shè)計選擇10uF的電容和10K的電阻以及一個輕觸按鍵組成復(fù)位電路，其中電阻的作用還有保護IO口。

除了復(fù)位電路之外，STC89C52RC單片機還可以與晶振和電容組成一個外部的時鐘電路，時鐘電路為單片機提供了一個基本的工作時序，在后續(xù)的編程中，單片機的每一次執(zhí)行指令都會按照這個時序進行。在本次設(shè)計中選取11.0592NHz的晶振和30pF的瓷片電容組成一個外部時鐘電路。并采用DC-5V的直流電模塊對本次設(shè)計的主控模塊進行供電。主控模塊的設(shè)計如圖1-1所示。

圖

1-1 單片機最小系統(tǒng)

2.2? 顯示模塊的方案和設(shè)計

2.2.1? 顯示模塊的方案

方案一：選擇LCD1602顯示器作文本次設(shè)計的顯示模塊。LCD1602顯示器具有功耗低，占據(jù)IO口少的優(yōu)點，且其在程序的設(shè)計上較為簡介方便調(diào)用。因此LCD1602廣泛的用于各種電子產(chǎn)品之中。其缺點在于根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，無法在強光之下進行有效的顯示。多用來顯示一些英文、數(shù)字和簡單的符號。

方案二：選在OLED顯示器作為本次設(shè)計的顯示模塊。OLED顯示器具有高性能，多樣化顯示和體積小等優(yōu)點，雖然其編程較為復(fù)雜不利于維護，但是產(chǎn)品本身十分的耐用，可以通過程序的控制進行中文、英文、數(shù)字和復(fù)雜符號的顯示。

綜上所述，根據(jù)本次設(shè)計的需求，需要中文對火情進行更進一步的說明顯示，因此本次設(shè)計選擇使用OLED顯示器作文本次設(shè)計的顯示模塊。

2.2.2? OLED顯示器的硬件設(shè)計

OLED顯示器在本次設(shè)計中OLED顯示器的SLC與SDA腳接在單片機的P2.6和P2.7OI口上，為的是在后續(xù)的編程中可以實現(xiàn)OLED顯示器與主控芯片單片機進行的通信。具體的實現(xiàn)顯示過程將在本文后續(xù)的軟件設(shè)計中闡述，在此不再一一贅述。OLED顯示器的硬件電路如圖1-2所示所示。

圖1-2 OLED顯示模塊

2.3? 煙霧監(jiān)測模塊

在本次設(shè)計中，選擇MQ-2煙霧傳感器作為本次設(shè)計的煙霧監(jiān)測模塊。本次設(shè)計需要煙霧傳感器與ADC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片一起工作，因為MQ-2煙霧傳感器檢測到的煙霧值是模擬量，但是STC89C52RC主控芯片無法直接處理模擬信號，因此需要在MQ-2煙霧傳感器與主控芯片單片機之間串聯(lián)一個ADC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量在送達單片機進行處理。

MQ-2煙霧傳感器是一款靈敏度高且應(yīng)用廣泛的傳感器，該傳感器具有探測范圍廣，靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、壽命長、驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點，其在工業(yè)上用于檢測工業(yè)廢氣的泄露避免造成污染和人員受傷。在生活中該芯片還可以用于檢測家中的有害氣體產(chǎn)生尤其是在冬天時家家戶戶取暖會造成的甲烷中毒等，MQ-2傳感器都可以第一時間監(jiān)測發(fā)現(xiàn)。

ADC0832芯片是一款高效的數(shù)模轉(zhuǎn)化芯片。該芯片具有體積小，性能高，兼容性好，耗能低，性價比高等優(yōu)點。在本次設(shè)計中，MQ-2煙霧傳感器與ADC0832芯片的IN2管腳相連以便將監(jiān)測到的模擬量傳入數(shù)模轉(zhuǎn)化芯片內(nèi)做處理。在ADC0832芯片的使用過程中一般將其DI端口與DO端口相連在一起，因為ADC0832芯片在輸出時DI口可能會與DO口不同時生效會造成數(shù)據(jù)亂碼。隨后將DI口與DO口與主控芯片單片機的P1.4IO口相連，將CS端口與P1.5相連，SCLK端口與P1.3相連，通過DI數(shù)據(jù)輸入端可以實現(xiàn)通道功能的選擇。煙霧監(jiān)測模塊如圖1-3所示。

圖1-3 MQ2煙霧檢測模塊

2.4? ESP8266無線通訊模塊

ESP8266無線通訊模塊在本次設(shè)計中主要是作為整個系統(tǒng)與接收端的通信模擬。ESP8266模塊將主控芯片通過各個子模塊收集到的火災(zāi)動態(tài)情況傳輸給接收端，并進行實時顯示，本次設(shè)計中，使用手機作為接收端，手機上的的顯示與OLED顯示器上的顯

示數(shù)據(jù)進行實時通信，從而達到無人機監(jiān)測火災(zāi)情況的設(shè)計目的。ESP8266模塊與傳統(tǒng)的藍牙模塊相比，ESP8266具有WIFI功能，可以將本次設(shè)計的系統(tǒng)端作為一個局域網(wǎng)之內(nèi)的設(shè)備，該模塊工具有三種通信模式：STATION模式，AT模式，STATION+AT共存模式。本次設(shè)計中使用的是AT模式。

ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透傳模塊，并廣泛地應(yīng)用在生活和工業(yè)的各個領(lǐng)域之中。常應(yīng)用于：智能電網(wǎng)，智能交通，智能家居，手持設(shè)備，工業(yè)控制等。在本次設(shè)計中使用者可以將物理設(shè)備連接到WIFI無線網(wǎng)絡(luò)上，進行互聯(lián)網(wǎng)或者局域網(wǎng)通信。ESP8266可支持板載PCB天線，IPEX接口和郵票孔接口三種形式。ESP8266模塊還具有體積小，維護價格低，性價比高，性能好等優(yōu)點。因為ESP8266無線傳輸模塊的額定工作電壓為3.3V，因此本次設(shè)計需要在ESP8266無線傳輸模塊與電源之間接入一個5V降3.3V的降壓模塊。ESP8266無線通訊硬件設(shè)計如圖1-4所示。

圖1-4 ESP8266無線通信模塊

2.5? 火焰檢測模塊

本次設(shè)計中需要對火災(zāi)的情況進行實時顯示，因此，在本次設(shè)系統(tǒng)的工作過程中，需要火焰?zhèn)鞲衅鲗崟r現(xiàn)場的火焰進行檢測。火焰?zhèn)鞲衅魇怯筛鞣N燃燒生成物、中間物、高溫氣體、碳?xì)湮镔|(zhì)以及無機物質(zhì)為主體的高溫固體微粒構(gòu)成的?；鹧娴娜紵哂羞B續(xù)的光譜和氣體輻射，火焰?zhèn)鞲衅魍ㄟ^火焰的性質(zhì)進行紅外檢測。本次設(shè)計采用的是紅外火焰?zhèn)鞲衅?，該傳感器可以檢測到一些波長在700納米-1000納米范圍內(nèi)的熱源，再熱產(chǎn)生活中和工業(yè)上經(jīng)常使用這一類傳感器制作滅火機器人進行遠(yuǎn)程滅火操作。該傳感器具有體積小，高性能，耐用性強，靈敏度高等優(yōu)點?；鹧?zhèn)鞲衅髂K硬件設(shè)計如圖1-5所示。

圖

1-5 火焰?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測模塊

2.6? 北斗定位模塊

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國正在自主研發(fā)、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由三個部分組成：空間段，用戶段和地面段。北斗定位不僅有可以導(dǎo)航的功能，最主要的是海記游實時定位的功能，由于其性能好，在國內(nèi)已經(jīng)越來越普及，常用于私家車導(dǎo)航，工業(yè)導(dǎo)航，災(zāi)害救援定位等功能，北斗定位系統(tǒng)是一款高性能，誤差小，可靠性強，耐用的系統(tǒng)。在本次設(shè)計中，北斗定位模塊的主要功能在于，使無人機在監(jiān)測火災(zāi)與尋找火源的過程中進行定位，通過定位，將經(jīng)緯度等信息發(fā)送到主控模塊單片機中，并顯示在OLED顯示器上，再通過ESP8266無線傳輸模塊將火情和經(jīng)緯度坐標(biāo)傳輸?shù)绞謾C模擬的接收端。在本次設(shè)計中，北斗模塊和ESP8266連接在同一個繼電器上，模擬無人機在尋找火源和飛行過程中啟用ESP8266模塊，當(dāng)無人機確定火源之后保持飛行狀態(tài)時，北斗定位模塊監(jiān)測到的經(jīng)緯度坐標(biāo)固定，此時單片機發(fā)送指令導(dǎo)通繼電器使北斗定位模塊工作，同時ESP8266無線傳輸模塊工作并對各個模塊的數(shù)據(jù)進行傳輸。北斗定位模塊硬件設(shè)計如圖1-6所示。

圖1-6 北斗定位模塊

2.7? 溫度檢測模塊

本次設(shè)計需要對火災(zāi)現(xiàn)場進行溫度的采集，在火災(zāi)現(xiàn)場需要一個耐高溫，實用性強，可靠性高的溫度監(jiān)測芯片。本次設(shè)計中選取的溫度檢測芯片是由美國DALLS公司制造的DS18B20傳感器，該傳感器具有監(jiān)測范圍廣，且精度高等優(yōu)點，在實際情況中，近距離監(jiān)測火災(zāi)現(xiàn)場現(xiàn)場時，周圍的溫度是十分高的，因此需要一個溫度檢測芯片監(jiān)測現(xiàn)場溫度以達到使用者對于火情的判斷。

DS18B20溫度傳感器是一個單總線協(xié)議的數(shù)字傳感器，該傳感器占用IO口少，且體積小，抗干擾能力強。因為是數(shù)字傳感器，因此檢到的溫度值可以直接在傳感器內(nèi)部生成數(shù)字量傳送到單片機內(nèi)部，而單片機也可以通過總線發(fā)送指令給DS18B20傳感器進行實時的溫度檢測。單總線雙向傳輸信息，當(dāng)單片機接收到來自DS18B20溫度傳感器傳來的溫度時，會將數(shù)據(jù)整理并通過ESP8266無線通信模塊傳輸?shù)浇邮斩松?。DS18B20溫度檢測模塊硬件設(shè)計如圖1-7所示。

圖1-7 溫度檢測模塊

資料包括：