CN105383696A - 一种基于手机客户端空气质量监测飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于手机客户端空气质量监测飞行器，包括飞行器监测终端和移动控制终端。所述飞行器监测终端包括ARM处理器，所述ARM处理器通过电源线和空气质量数据采集系统、DSP处理器、太阳能供电系统、SD存储模块、改造版WiFi路由和实时时钟模块连接。所述DSP处理器和飞行姿态监测系统、导航辅助系统和电机控制系统通过电源线相连。所述移动控制终端采用Android智能手机，通过开发相应监测系统的APP来控制飞行器和获取空气质量参数。通过在飞行器上搭载监测设备，可以覆盖更广的监测范围。采用ARM+DSP主从体系结构，既发挥DSP处理器采样频率高、运算速度快的特点，又能充分利用嵌入式芯片ARM处理器的资源，系统更加智能和完善。

Description

一种基于手机客户端空气质量监测飞行器

技术领域

本发明涉及空气质量监测技术领域，尤其是一种基于手机客户端空气质量监测飞行器。

背景技术

近年来伴随着科技的日益发展，人民生活水平的不断提高，人类越来越关注自身的生存环境和生活质量。随之而来的各种各样的负面问题，如食品安全问题，环境生态问题等等，而近几年来大气污染给人类的人身安全造成了不可磨灭的影响。PM2.5、PM10、雾霾等新兴词汇不断涌现，特别是近两年来许多城市出现的PM2.5危害着人们的生活和健康。因此对空气质量的准确监测获取实时有效的数据，从而采取有效的预防和治理措施，对人们的生活安排和自身健康具有重要意义。

目前，现有的空气质量数据，一般通过环保部门架设的监测基站采集，但是架设基站的造价昂贵，需要专门的技术人员监测和维护，运用成本高。而且由于城市规模较大，监测传感器无法被广泛部署，部署的传感器监测范围十分有限不利于实时数据的广泛采集和全面分析。另外采用人工手持监测设备进行人工监测，设备采集到数据后再集中上报和统一发布，这种方式不仅需要投入大量的人力和物力，而且从数据的采集、分析和处理，再到最后的发布，时间较长，不能做到数据采集和检测的实时性。而随着无线网络的普及以及智能手机的强大功能，本发明通过开发手机APP应用程序和借助无线通信网络，通过对四旋翼飞行器的升级和改造，搭载空气质量监测装置和通信设备，能够很好的实现对空气质量的监测。

发明内容

本发明的目的则是克服了现有技术的不足，提供一种基于手机客户端空气质量监测飞行器。为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明是一种基于手机客户端空气质量监测飞行器，包括飞行器监测终端和移动控制终端。所述飞行器监测终端包括ARM处理器，所述ARM处理器通过电源线和空气质量数据采集系统、DSP处理器、太阳能供电系统、SD存储模块、改造版WiFi路由和实时时钟模块连接。

所述DSP处理器和飞行姿态监测系统、导航辅助系统和电机控制系统通过电源线相连。

进一步，所述空气质量数据采集系统包括温湿度传感器、气压传感器、气体传感器、PM2.5传感器、信号调理模块和A/D模数转换芯片。所述温湿度传感器、气压传感器、气体传感器、PM2.5传感器和信号调理模块输入端相连，传感器分别将采集到的空气质量的温湿度参数、气压参数、气体参数和PM2.5参数传送至信号调理模块，所述信号调理模块作用是将传送来的的模拟信号进行滤波、放大和偏置处理。所述信号调理模块输出端与A/D模数转换芯片输入端相连，信号调理模块处理完成后将信号传送给A/D模数转换芯片，所述A/D模数转换芯片输出端和ARM处理器输入端相连，A/D模数转换芯片将模拟信号转换成数字信号后传送给ARM处理器，ARM处理器将数据分析处理后转存到SD存储模块，完成整个空气质量数据的采集和分析工作。

进一步，所述飞行姿态监测系统包三轴MENS陀螺仪、三轴MENS加速度计、三轴磁阻传感器和A/D模数转换芯片。所述三轴MENS陀螺仪、三轴MENS加速度计、三轴磁阻传感器和A/D模数转换芯片输入端相连，将传感器监测到的飞行器角速度参数、飞行器加速度参数和地磁信息传送给A/D模数转换芯片，所述A/D模数转换芯片输出端和DSP处理器相连，A/D模数转换芯片将模拟信号转换成数字信号后传送给DSP处理器，DSP处理器通过飞行姿态控制算法对数据进行分析处理，从而通过控制电机驱动模块，以PWM控制方式调整相应直流无刷电机转速完成飞行器姿态调整工作。

进一步，所述导航辅助系统包括GPS模块和气压高度计，所述GPS模块通过RS232接口和DSP处理器相连。所述GPS模块和气压高度计分别将采集到的飞行器位置信息和高度信息传送给DSP处理器，同样DSP处理器通过控制算法对数据进行分析处理，判断飞行器所在位置和高度，通过控制电机驱动模块，以PWM控制方式调整相应直流无刷电机转速到达预定位置和高度，完成整个飞行器的导航工作。

进一步，所述ARM处理器和DSP处理器为整个系统的核心。所述ARM处理器为整个系统的管理控制中心，选用Samsung公司的ARM920T内核的16/32位RISC处理器S3C2410，协调管理各模块的运作和通信。所述DSP处理器为整个系统控制算法运算和分析处理中心，选用TI公司的TM320F2812定点DSP芯片。

进一步，所述改造版WiFi路由通过USB接口接入摄像头，摄像头将采集到的视频数据通过路由传送到智能手机上显示。所述改造版WiFi路由刷入了一个开源的openWRT系统。所述改造版WiFi路由和移动控制终端之间通过TCP/UDP方式实现通信，移动控制终端通过按键触发发送指令，将指令转换成相应的数据包，通过WiFi网络传输到路由上，路由从传输信道中提取数据包到TTL串口，所述改造版WiFi路由TTL串口和ARM处理器串口相连，通过串口通信的方式进行数据传输，ARM处理器通过接收的数据指令协调相应模块完成动作。并且可以将采集到的空气质量数据转换成数据包以同样的方式回传给移动控制终端，从而实现了数据的双向通信，功能简便高效且功耗低。

进一步，所述移动控制终端采用Android智能手机,智能手机安装有监测系统App应用程序,监测系统的应用程序在Eclipse的开发环境中运用Java语言编写,可以将传送来的空气质量数据以曲线或者图表等形式显示。

进一步，所述空气质量监测飞行器采用太阳能供电方式为整个系统的运行提供电能，所述太阳能供电系统包括太阳能光伏板、光伏控制器、锂电池组和电源变换器。

进一步，所述电机控制系统包括电机驱动模块和直流无刷电机，所述电机驱动模块采用BTN7971B驱动芯片，以PWM方式控制驱动芯片的导通和关断，进而达到调节电机转速的目的。

进一步，所述空气质量数据采集系统中，温湿度传感器选择SHT11用来检测采集点的温度和湿度、气压传感器选择BA580305用来检测采集点的压力值、气体传感器选择TGS2442用来检测采集点的CO含量和PM2.5传感器选择DSM501用来检测采集点可吸入颗粒物PM2.5的含量。

进一步，所述飞行姿态监测系统中，三轴MENS陀螺仪选择MPU3050用于检测飞行器的角速度、三轴MENS加速度计选择ADXL345用于检测飞行器的加速度和三轴磁阻传感器选择HMC5883L用于检测地磁信息。

进一步，所述导航辅助系统中，GPS模块选择LEA-5A定位飞行器的位置、气压高度计选择MPX4115A检测飞行器的所在高度。

所述实时时钟模块采用DS1302芯片，所述SD存储模块采用TXS02612芯片。

比到已有技术，本发明有益效果是：

本发明通过在飞行器上搭载监测设备实现了对空气质量的监测，比到已有的通过架设基站点监测方式，飞行器的飞行距离远，可以覆盖更广的监测范围，体积轻巧灵活，成本低便于携带，可以将采集到的视频数据和监测数据同步回传实时性好。同时采用ARM+DSP主从体系结构处理器，既可以发挥DSP芯片数字处理能力强、运算速度快的特点，又能充分利用嵌入式芯片ARM处理器的资源，协调整个系统运行，使得整个空气质量监测系统更加高效和完善。监测人员不必携带其他遥控和显示设备，只需携带一部智能手机，通过手机控制飞行器和获取空气质量参数的实时曲线和图表，使得整个监测系统更加智能和人性化。

附图说明

附图1为本发明的连接框图，用于表明系统各模块的连接结构。

附图2为本发明太阳能供电系统的连接框图，用于表明太阳能供电系统的连接结构。

附图3为本发明飞行器飞行控制的工作流程图，用于表明飞行器飞行控制原理及各模块工作顺序和流程。

附图4为本发明空气质量数据采集系统的工作流程图，用于表明系统采集空气质量参数时各模块工作顺序和流程。

附图5为本发明手机APP应用程序运行界面分布图，用于表明整个监测系统参数的显示以及飞行器控制和运行状态。

图中：10、空气质量数据采集系统，11、温湿度传感器、12、气压传感器，13、气体传感器，14、PM2.5传感器，15、信号调理模块，16、A/D模数转换芯片，20、飞行姿态监测系统，21、三轴MENS陀螺仪，22、三轴MENS加速度计，23、三轴磁阻传感器，30、导航辅助系统，31、GPS模块，32、气压高度计，40、电机控制系统，41、电机驱动模块，42、直流无刷电机，50、ARM处理器，60、DSP处理器，70、太阳能供电系统，71、太阳能光伏板，72、光伏控制器，73、锂电池组，74、电源变换器，80、改造版WiFi路由，81、摄像头，82、SD存储模块，83、实时时钟模块，90、智能手机。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

参照附图1和2所示，本发明是一种基于手机客户端空气质量监测飞行器，包括飞行器监测终端和移动控制终端。所述飞行器监测终端包括ARM处理器50，所述ARM处理器50通过电源线和空气质量数据采集系统10、DSP处理器60、太阳能供电系统70、SD存储模块82、改造版WiFi路由80和实时时钟模块83连接。所述DSP处理器60和飞行姿态监测系统20、导航辅助系统30和电机控制系统40通过电源线相连。

所述空气质量数据采集系统10包括温湿度传感器11、气压传感器12、气体传感器13、PM2.5传感器14、信号调理模块15和A/D模数转换芯片16。所述温湿度传感器11、气压传感器12、气体传感器13、PM2.5传感器14和信号调理模块15输入端相连，传感器分别将采集到的空气质量的温湿度参数、气压参数、气体参数和PM2.5参数传送至信号调理模块15，所述信号调理模块15作用是将传送来的模拟信号进行滤波、放大和偏置处理。所述信号调理模块15输出端与A/D模数转换芯片16输入端相连，信号调理模块15处理完成后将信号传送给A/D模数转换芯片16，所述A/D模数转换芯片16输出端和ARM处理器50输入端相连，A/D模数转换芯片16将模拟信号转换成数字信号后传送给ARM处理器50，ARM处理器50将数据分析处理后转存到SD存储模块82，完成整个空气质量数据的采集和分析工作。

所述飞行姿态监测系统20包三轴MENS陀螺仪21、三轴MENS加速度计22、三轴磁阻传感器23和A/D模数转换芯片16。所述三轴MENS陀螺仪21、三轴MENS加速度计22、三轴磁阻传感器23和A/D模数转换芯片16输入端相连，将传感器监测到的飞行器角速度参数、飞行器加速度参数和地磁信息传送给A/D模数转换芯片16，所述A/D模数转换芯片16输出端和DSP处理器60相连，A/D模数转换芯片16将模拟信号转换成数字信号后传送给DSP处理器60，DSP处理器60通过飞行姿态控制算法对数据进行分析处理，从而通过控制电机驱动模块42，以PWM控制方式调整相应直流无刷电机41转速完成飞行器姿态调整工作。

所述导航辅助系统30包括GPS模块31和气压高度计32，所述GPS模块31通过RS232接口和DSP处理器60相连。所述GPS模块31和气压高度计32分别将采集到的飞行器位置信息和高度信息传送给DSP处理器60，同样DSP处理器60通过控制算法对数据进行分析处理，判断飞行器所在位置和高度，通过控制电机驱动模块42，以PWM控制方式调整相应直流无刷电机41转速到达预定位置和高度，完成整个飞行器的导航工作。

所述ARM处理器50和DSP处理器60为整个系统的核心。所述ARM处理器50为整个系统的管理控制中心，选用Samsung公司的ARM920T内核的16/32位RISC处理器S3C2410，协调管理各模块的运作和通信。所述DSP处理器60为整个系统控制算法运算和分析处理中心，选用TI公司的TM320F2812定点DSP芯片,DSP处理器60和ARM处理器50以双端口RAM方式实现数据通信。

所述空气质量监测飞行器采用太阳能供电方式为整个系统的运行提供电能，所述太阳能供电系统70包括太阳能光伏板71、光伏控制器72、锂电池组73和电源变换器74。通过光伏控制器72控制，将采集的太阳能一部分转换成电能存储在锂电池组73中，一部分电能通过电源变换器74通过DC-DC变换，转换成系统各模块所需电压值为整个系统供电。

所述改造版WiFi路由80作为整个监测系统通信枢纽，而普通路由不能直接应用于监测系统。所述改造版WiFi路由80刷入了一个开源的openWRT系统，等于给路由安装了一个微型软件操作系统。openWRT是一个高度模块化、高度自动化的嵌入式Linux系统,拥有强大的网络组件和扩展性,常常被用于工控设备、电话、小型机器人、智能家居、路由器和其他电子设备。在开源的Linux系统Ubuntu环境下编译好所需的openWRT固件。

所述改造版WiFi路由80和移动控制终端之间通过TCP/UDP方式实现通信，摄像头81通过USB接口接入改造版WiFi路由80，摄像头81采集的实时视频数据量一般较大，改造版WiFi路由80将视频数据进行压缩编码，再通过WiFi网络发送给智能手机90，经过数据解压、解码将视频数据显示到手机监测屏幕上。移动控制终端通过按键触发发送指令，将指令转换成相应的数据包，通过WiFi网络传输到路由上，路由从传输信道中提取数据包到TTL串口，所述改造版WiFi路由80的TTL串口和ARM处理器50串口相连，通过串口通信的方式进行数据传输，ARM处理器50通过接收的数据指令协调相应模块完成动作。并且可以将采集到的空气质量数据转换成数据包以同样的方式回传给移动控制终端，从而实现了数据的双向通信，功能简便高效且功耗低。

所述移动控制终端采用Android智能手机,智能手机安装有监测系统App应用程序,监测系统的应用程序在Eclipse的开发环境中运用Java语言编写,可以将传送来的空气质量数据以曲线或者图表等形式显示。所述实时时钟模块83采用DS1302芯片，为整个系统提供统一的时间。

参照附图3和5所示，当监测人员控制四旋翼飞行器飞行时，监测人员只需携带一部智能手机90，通过手机APP界面发送启动指令，所述改造版WiFi路由80从信道中接受到手机指令，通过TTL串口通信方式传输给ARM处理器50，ARM处理器50通过双端口RAM通信方式和DSP处理器60建立连接，DSP处理器60协调飞行姿态监测系统20和导航辅助系统30进行参数检测工作，将检测到的飞行姿态数据包括飞行器的角速度、飞行器加速度和地磁参数，以及导航辅助数据包括飞行器位置和高度参数回传到DSP处理器60中，DSP处理器60根据回传的数据进行控制算法分析和处理，判断出飞行器当前的飞行姿态、飞行位置和飞行高度，并以PWM方式控制电机驱动模块42的导通和关断，进而对无刷直流电机41进行调速控制，调整飞行器的姿态、位置和高度达到预定值。并将飞行参数通过WiFi网络回传到智能手机90屏幕上显示，完成对整个空气质量监测飞行器的控制工作。

参照附图4和5所示，当系统采集空气质量数据时，监测人员只需携带一部智能手机90，通过手机APP启动发送指令，所述改造版WiFi路由80从信道中接受到手机指令，通过TTL串口通信方式传输给ARM处理器50，ARM处理器50协调相应模块进行数据采集工作，将采集到的空气质量参数通过信号调理模块15和A/D模数转换芯片16处理和模数转换后，传送到ARM处理器50运算和分析，将计算处理得到的监测点的温湿度参数、气压参数、气体参数和PM2.5含量参数存储到SD存储模块82中，并通过WiFi路由回传到智能手机90终端，通过APP应用程序绘制曲线/图表在屏幕上显示。

参照附图5所示，本发明手机APP应用程序运行界面分布图，监测人员可以通过方向控制和速度控制按键控制四旋翼飞行器飞行的方向和速度，也可通过实时录像和实时拍照按键操控飞行器对采集点进行录像和拍照功能。主屏幕下方四个副显示窗口，可以显示回传回来的采集点的温湿度参数、气体参数、气压参数和PM2.5参数。通过主屏幕上方的飞行姿态显示键、飞行位置显示键、飞行高度显示键和电池电量显示键，可以将四旋翼飞行器的飞行姿态、飞行位置、飞行高度和飞行器锂电池含量参数显示在主屏幕上。

本发明中涉及的未说明部份与现有技术相同或采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种基于手机客户端空气质量监测飞行器，其特征在于，包括飞行器监测终端和移动控制终端，所述飞行器监测终端包括空气质量数据采集系统（10）、飞行姿态监测系统（20）、导航辅助系统（30）、电机控制系统（40）、ARM处理器（50）、DSP处理器（60）、太阳能供电系统（70）、改造版WiFi路由（80）、摄像头（81）、SD存储模块（82）、实时时钟模块（83），

其中：

所述ARM处理器（50）通过电源线和空气质量数据采集系统（10）、DSP处理器（60）、太阳能供电系统（70）、SD存储模块（82）、改造版WiFi路由（80）和实时时钟模块（83）连接；

所述DSP处理器（60）和飞行姿态监测系统（20）、导航辅助系统（30）和电机控制系统（40）通过电源线相连；

所述空气质量数据采集系统（10），包括温湿度传感器（11）、气压传感器（12）、气体传感器（13）、PM2.5传感器（14）、信号调理模块（15）、A/D模数转换芯片（16），温湿度传感器（11）、气压传感器（12）、气体传感器（13）、PM2.5传感器（14）和信号调理模块（15）输入端相连，所述信号调理模块（15）输出端与A/D模数转换芯片（16）输入端相连,A/D模数转换芯片（16）输出端与ARM处理器（50）相连，用于完成整个空气质量数据的采集和分析工作；

所述飞行姿态监测系统（20）包括三轴MENS陀螺仪（21）、三轴MENS加速度计（22）、三轴磁阻传感器（23）和A/D模数转换芯片（16），所述三轴MENS陀螺仪（21）、三轴MENS加速度计（22）、三轴磁阻传感器（23）和A/D模数转换芯片（16）输入端相连，所述A/D模数转换芯片（16）输出端和DSP处理器（60）相连，用于完成飞行器姿态调整工作；

所述导航辅助系统（30）包括GPS模块（31）和气压高度计（32），所述GPS模块（31）通过RS232接口和DSP处理器（60）相连，用于完成整个飞行器的导航工作。

2.根据权利要求1所述的一种基于手机客户端空气质量监测飞行器，其特征在于，所述太阳能供电系统（70）包括太阳能光伏板（71）、光伏控制器（72）、锂电池组（73）和电源变换器（74），通过光伏控制器（72）控制将太阳能转换成电能为整个系统供电。

3.根据权利要求1所述的一种基于手机客户端空气质量监测飞行器，其特征在于，所述改造版WiFi路由（80）刷入了一个开源的openWRT系统，所述改造版WiFi路由（80）和移动控制终端之间通过TCP/UDP方式实现通信。

4.根据权利要求1所述的一种基于手机客户端空气质量监测飞行器，其特征在于，所述移动控制终端采用Android智能手机（90）,智能手机(90)安装有监测系统App应用程序,监测系统的应用程序在Eclipse的开发环境中运用Java语言编写，可以通过APP控制飞行器的飞行和将回传的空气质量参数在屏幕上显示。

5.根据权利要求1所述的一种基于手机客户端空气质量监测飞行器，其特征在于，所述ARM处理器（50）为整个系统的管理控制中心，选用Samsung公司的ARM920T内核的16/32位RISC处理器S3C2410，协调管理各模块的运作和通信；

所述DSP处理器（60）为整个系统控制算法运算和分析处理中心，选用TI公司的TM320F2812定点DSP芯片,DSP处理器（60）和ARM处理器（50）以双端口RAM方式实现数据通信。