基于單片機的北斗定位無人機救火系統(tǒng)（兩種程序：單片機與android系統(tǒng)app程序源碼）

功能：本次設計是一個基于北斗定位的無人機滅火系統(tǒng)，本次設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，進行火災救援。本次設計需求主要為一下幾點：

1. 北斗定位獲取火災位置信息；
2. 煙霧傳感器，火焰?zhèn)鞲衅?/a>監(jiān)測火情；
3. 火災位置信息可視化；
4. 無線通訊傳遞火災位置信息。

本次設計主要通過北斗定位模塊獲取火災位置，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。

1. 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現(xiàn)場的勘察，監(jiān)測火災現(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)領域當中發(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。

無人機在火災發(fā)生時可以做到災情巡查，監(jiān)控追蹤，輔助救援，輔助監(jiān)督等各項功能，在火災發(fā)生時起到了極大的作用，例如在天津大爆炸時，在火災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，為災情決策提供了有效地幫助。在火災發(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)對火災可以有及時的預警和對火災各種動態(tài)的信息準確把握和及時的了解。

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

1. 1. 1. 研究意義

本次設計是基于北斗衛(wèi)星定位技術(shù)的救火系統(tǒng)。在科技飛速進步的今天，火災對國家公民的生命安全的威脅已經(jīng)不容忽視。在火災發(fā)生時為了減少火災帶來的損失，對于火災時信息的獲取以及準確的災情定位是十分關(guān)鍵的一步。在近幾年，在火災發(fā)生時救火英雄奮不顧身，身陷火海之中進行災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，若可以在火災發(fā)生時第一時間獲取火災信息并對火災地點進行準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。

當災害發(fā)生時，使用無線通訊技術(shù)進行災情偵察，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，細致的掌握火災的動態(tài)信息以及地理位置。

1. 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)大學航空學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，無人機攜帶的4枚滅火彈能破窗而入，15米內(nèi)能做到高精準度瞄準；一款針對森林火災，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地點的準確把控。

北斗衛(wèi)星雖然遠在天邊，但是北斗技術(shù)卻近在身旁，北斗的定位、導航功能廣泛的應用在地圖導航、工業(yè)監(jiān)測等領域，在國內(nèi)一部智能手機就有不少基于北斗衛(wèi)星的應用，而且在對地質(zhì)災害預警中北斗定位也可以24小時不間斷的對災害進行實時監(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噴灑消毒液、物流精準配送、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. 1. 國外研究現(xiàn)狀

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)已經(jīng)深入到各國安全、經(jīng)濟、軍事、民用等領域。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)和民用領域。

全球共有四大衛(wèi)星導航系統(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)提供定位導航等服務。

1. 1. 研究內(nèi)容與研究方法
      1. 研究內(nèi)容

本次設計是一個基于北斗定位的無人機滅火系統(tǒng)，本次設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，進行火災救援。本次設計需求主要為一下幾點：

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

1.3.2? 研究方法

本次設計主要通過北斗定位模塊獲取火災位置，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。

1. 硬件系統(tǒng)的方案選擇和設計

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，其廣泛應用于工業(yè)控制，醫(yī)療設備，家用電器，儀器儀表，通信設備和手持式消費類產(chǎn)品等領域。但是其在軟件編程方面較為復雜，不利于本次設計的功能實現(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計，采用專用串行電纜可以對目標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計要求。

方案三：選用STC89C52RC單片機作為本次設計的主控芯片。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，本次設計選擇方案三STC89C52RC芯片作為本次設計的主控芯片。

2.1.2? 主控模塊的設計

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

除了復位電路之外，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計的主控模塊進行供電。主控模塊的設計如圖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)字和復雜符號的顯示。

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

2.2.2? OLED顯示器的硬件設計

OLED顯示器在本次設計中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

在本次設計中，選擇MQ-2煙霧傳感器作為本次設計的煙霧監(jiān)測模塊。本次設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用廣泛的傳感器，該傳感器具有探測范圍廣，靈敏度高、響應快、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動態(tài)情況傳輸給接收端，并進行實時顯示，本次設計中，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)測火災情況的設計目的。ESP8266模塊與傳統(tǒng)的藍牙模塊相比，ESP8266具有WIFI功能，可以將本次設計的系統(tǒng)端作為一個局域網(wǎng)之內(nèi)的設備，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，并廣泛地應用在生活和工業(yè)的各個領域之中。常應用于：智能電網(wǎng)，智能交通，智能家居，手持設備，工業(yè)控制等。在本次設計中使用者可以將物理設備連接到WIFI無線網(wǎng)絡上，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

本次設計中需要對火災的情況進行實時顯示，因此，在本次設系統(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、碳氫物質(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)星導航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導航系統(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，常用于私家車導航，工業(yè)導航，災害救援定位等功能，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)緯度坐標傳輸?shù)绞謾C模擬的接收端。在本次設計中，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)緯度坐標固定，此時單片機發(fā)送指令導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

本次設計需要對火災現(xiàn)場進行溫度的采集，在火災現(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)浇邮斩松稀S18B20溫度檢測模塊硬件設計如圖1-7所示。

圖1-7 溫度檢測模塊

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