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摘要：近年来，随着无人机技术的快速发展，无人机在地质勘探中的应用前景日益广阔。但传统的勘探无人机只可进行勘探工作，勘探任务中出现的自然或人为灾害无法进行判断。其次，勘探方面比较单一，无法适应多种环境勘探。针对这些问题，提出了一款多种环境的无人机勘探系统。

无人机勘探系统用STM32F103C8T6作为主控芯片来控制各个模块的功能实现，DHT11温湿度传感器采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术进行空气中温湿度进行测量，MQ2烟雾传感器通过检测传感器元件的电阻值变化来判断空气中的烟雾浓度，从而实现对烟雾的检测和报警。土壤湿度传感器是通过在两个电极之间产生电压差来测量土壤含水量百分比，允许少量电流在电极之间流动并通过计算得到电阻值或电导率值。测量的数据通过NRF24L01通信模块从发送端传输回接收端，再通过串口模块将数据传输给上位机，当测量数值超过设定的阈值时，LED灯和蜂鸣器组成的报警装置会及时发出声光报警，提醒研究人员及时做出反应。

通过实际操作及验证，无人机勘探系统可以实现实时检测空气中温湿度及烟雾浓度，在与其他监测仪器的对比之下，无人机勘探系统更具灵活性，准确度达到温度测量误差≤1℃，实现对森林多区域得到实时监测，并能及时发出警报提醒森林状况，做到较好的预防山火的效果。

关键词：无人机；地质勘探；环境保护

引言

环境勘探是国家经济建设、国防建设和科学技术发展的需要，相关科研人员需对一定地区内的土壤地貌、河流、植被等环境情况进行重点有所不同的调查研究工作以获取研究数据。特别是水资源问题，当代社会许多地方为了经济发展，不断伐木伐林，导致水土流失，导致自然灾害。无人机搭载一个传感器测水质问题实时反馈，可以更好管理合理运用水资源，实现可持续发展。中国幅员辽阔，基础工程建设量也很大，实际勘测地域的地质复杂性、地貌多样性，加大了科研人员获取数据的困难程度。

在勘测的过程中，传统方法需要地质人员实地到目标区位进行勘测，测量一系列基本地质参数。若是分析得出地域可能存在矿产资源、存在水质威胁等情况，还要对其周边条件、环境资料进行整理并提供给相关人员，传统方法工作量较大。而无人机由于不受空间限制、速度快、改造后具备采样的条件，可在资源勘察领域中应用。

1 设计原理

1.1 任务要求

本课题研究的是无人机勘探系统的设计，主要研究内容分以下几个部分：

（1）了解无人飞行器勘探系统的基本结构，以及基本功能的实现。

（2）掌握单片机的基础知识，充分了解STM32F103C8T6的结构和工作原理。

（3）了解相关的温湿度检测模块，放线模块，烟雾报警检测模块。

（4）系统方案设计，原理图设计，PCB硬件电路原理图设计，控制程序设计。

（5）硬件的整体组装，基本功能的调试，实用性及可靠性测试，预估完成效果。

1.2整体方案

该系统主要由无人机飞控系统，单片机最小系统，温湿度及烟雾检测报警系统，土壤检测系统和放线取水系统模块组成。在系统工作状态下，可通过烟雾及温湿度传感器对空气质量进行检测并进行传输给单片机系统，由单片机内部已设定完成的阈值判断是否有险情发生，并传输给上位机。在水面探测方面，采用类似于水井的放线结构，利用直流电机对放线轴进行控制并完成取水。在土壤探测方面，利用直流电机搭配同步轮及同步带制作推拉装置将土壤传感器插入土中，并完成探测传递给单片机，逐次传递给上位机。

2. 设计实现

2.1硬件设计

该无人机勘探系统的设计目标是基于STM32f103C8T6微控制器实现多种功能。具体功能如下：

（1）自主报警功能：通过温湿度及烟雾传感器对空气环境进行测量，无人机能够进行自主测量并检测报警功能，有效的预防火灾的发生。

（2）液体收集功能：通过上位机对无人机发送收放线信号，单片机通过TB6612FNG驱动芯片驱动直流电机转动带动同步轮转动进行放线处理并将储水容器放入水中进行取水。

（3）土壤湿度测量功能：无人飞行器无法自主将土壤湿度传感器插入土中，只能通过步进电机带动齿轮转动并带动齿条移动将土壤湿度传感器插入土中，并进行测量。

在硬件设计中，需要采用多个模块进行组合完成基本的检测及报警功能，下面是对于各个模块进行设计解析：

2.1.1 火灾报警模块

如2-1-1所示，该模块利用无人机搭载DHT11及MQ-2烟雾传感器组成火灾报警模块，当空气中温度大于40℃时，接收端将进行一级报警（红灯闪烁），当烟雾传感器数值大于1500时，。接收机将进行二级报警（蜂鸣器间断报警），当两个数值同时达到阈值时接收端将进行三级报警（红灯闪烁且蜂鸣器报警），利用阶级警报方式进行报警方式可以使研究人员快速得知问题来源及严重程度，并快速做出反应，对山林防火有很大的作用。

2.1.2 土壤湿度检测模块

如2-1-2所示，该模块利用无人机搭载土壤湿度传感器组成检测模块，该传感器具有数字开关量输出（0和1）和模拟量AO电压输出两种输出形式。接上5V电源，电源灯亮，当湿度低于设定的阈值时，DO输出为高电平，开关指示灯灭;高于设定的阈值时，DO输出为低电平，开关指示灯亮。AO模拟输出，可以连接单片机的AD口检测土壤湿度精确数值。电位器是用于土壤湿度的阀值调节，顺时针调节，控制的湿度会越大，逆时针越小，通过电位器调节土壤湿度阈值，当土壤湿度低于设定的阈值时，模块输出高电平，高于设定的阈值时，模块输出低电平。由于土壤湿度传感器无法自主进行插入土壤进行测量，采用28步进电机带动同步轮转动带动同步带传动，将土壤湿度传感器插入土中进行测量并将数据发送给接收端。

2.1.3 放线取水模块

如2-1-3所示，该模块利用无人机搭载直流电机组成放线取水模块，利用单片机通过TB6612FNG驱动模块驱动直流电机带动传动轴转动达到收放线取水操作，将取回液体带回进行检验。

2.2 软件设计

现在用于单片机程序的编程语言主要有汇编语言和C语言。C语言具有高级语言的特点即容易读懂便于阅读，不用初学者直接对复杂的寄存器进行操作程序简洁，流程清晰的特点。而汇编语言的优势是由于是直接对硬件进行操作属于硬件底层的语言它的执行效率比较高，但是它的指令繁杂，需要对硬件有一定了解才能进行编程，入门的门槛比较高。而且汇编的代码不利于阅读和进行程序的移植。这方面C语言更适合本次设计的需要，所以本设计使用了C语言作为单片机编程语言使用。

2.2.1 主程序设计

程序主函数包括各个模块初始化，数据读取，PWM输出及通信模块等功能，主程序读取各个传感器的数据，通过通信模块将数据发送到接收端，接收端通过串口模块将数据发送给上位机，将数据展示在上位机上，还可通过上位机对系统进行控制。

2.2.2电机模块

本设计通过通信模块进行接收指令，分别设定了五条指令。在该指令中，当发送端接收到指令1时，执行直流电机正转操作；当发送端接收到指令2时，执行直流电机停转操作；当发送端接收到指令3时，执行直流电机反转操作；当发送端接收到指令4时，执行步进电机正转操作；当发送端接收到指令5时，执行直流电机反转操作。2.2.3报警模块

本设计通过发送端上的单片机读取MQ-2烟雾传感器和DHT11温湿度传感器数据并发送给接收端，接收端收到数据进行判断并进行阶级报警，当温度大于40摄氏度，进行一级警报，LED灯进行闪烁；当烟雾数据大于1500，进行二级警报，蜂鸣器报警；当温度大于40摄氏度且烟雾数据大于1500，进行三级警报，LED闪烁并蜂鸣器报警。

2.2.4 通信模块

通信模块的采用NRF24L01芯片进行通信，NRF24L01是一个长着20个引脚的数字射频芯片，内部有若干寄存器，外部留有SPI接口，外部单片机通过spi接口配置此芯片内部的寄存器。内部寄存器大概分为控制寄存器和数据寄存器。我们可以利用用单片机把它配置为接收模式或发送模式，还可以配置频道、地址、每次发送的字节数、是否带CRC校验、功率等。配置成发送模式以后，用单片机把要发送的数据写进去，它就会自动把数据发出去；配置成接收模式以后，单片机通过观察它的IRQ引脚，就可以知道是否接收到了数据，IRQ为低电平，说明接收到了数据，单片机可以通过SPI口把接收到数据取出来。

5 结论

在本文的研究中，基于STM32的无人机勘探系统展现出了很好的稳定性及实用性，为用户勘探方面提供了便捷、安全的用户体验。该系统不仅用于勘探方面，还可用于森林防火及环保方面，通过火灾报警、土壤湿度检测、放线取水等功能，该勘探无人机有效的解决了传统无人机无法完成的功能：

基于STM32的无人机勘探系统的实用性及稳定性得到的实验验证，可以为勘探数据及预防山火做出贡献。在未来的改进和发展中，可以考虑增加更多功能，增加土壤检测的多样性，使无人机可以检测更多数据，进一步提高无人机的勘探效率及数据可信度。

此外，可以考虑引入远程监控功能，允许用户通过手机或电脑远程监视无人机勘探的状态，无人机可以实时收集高分辨率的图像和数据，帮助指挥部更准确地了解火势发展情况，以便做出更有针对性的决策。为环境保护及山区人群的生命安全带来更大的保障。

谢 辞

本文不仅体现了本人几年来的学习与研究成果，同时它也更多地凝结了老师、同学、朋友和加热的支持与帮助。在这里我向他们表示由衷的感谢。

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最后，向在我这几年在学习和生活中曾给予我支持和教导、扶持和帮助的老师和同学表示深深的谢意。

参考文献

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作者简介：王道正 2002.12.05 男 河北遵化 汉 本科 学生 桂林信息科技学院 研究方向：信息和电子