空中環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)傳感器檢測設(shè)計(jì)

[摘 要]本系統(tǒng)基于四旋翼飛行器攜帶環(huán)境檢測傳感器，采用stm32系列32位處理器作為主控制器，？包括數(shù)據(jù)探測節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心兩部分，可對溫度、光照、濕度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行感知、采集、處理和傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)監(jiān)測區(qū)內(nèi)的溫度、濕度、光照度等農(nóng)業(yè)環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、可靠傳輸。

[關(guān)鍵詞]環(huán)境監(jiān)測；四旋翼飛行器；傳感器檢測；32位微處理器

中圖分類號：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）01-0323-01

傳感器技術(shù)作為信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)之一，是當(dāng)前各發(fā)達(dá)國家競相發(fā)展的高技術(shù)，是進(jìn)入21世紀(jì)以來優(yōu)先發(fā)展的十大頂尖技術(shù)之一。傳感器技術(shù)所涉及的知識領(lǐng)域非常廣泛，其研究和發(fā)展也越來越多地和其他學(xué)科技術(shù)的發(fā)展緊密聯(lián)系。

傳感器技術(shù)一般主要包括兩部分：能與待測物反應(yīng)的部分以及信號轉(zhuǎn)換器部分。后者的作用是將與待測物反應(yīng)后的變化轉(zhuǎn)換成可被儀器識別的電學(xué)或光學(xué)信號。根據(jù)檢測方法的不同，傳感器可分為光學(xué)傳感器，電化學(xué)傳感器等皿；根據(jù)反應(yīng)原理的不同，傳感器可分為酶生物傳感器、免疫傳感器、化學(xué)傳感器；根據(jù)檢測對象不同，傳感器可以分為液體傳感器和氣體傳感器。

傳感器技術(shù)與通信技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合構(gòu)成的智能傳感器以其較高的精度良好的可靠性功能的多樣性等特點(diǎn)在過程控制以及信號監(jiān)測中得到人們的關(guān)注已成為當(dāng)今國內(nèi)外研究的一大熱點(diǎn)本文設(shè)計(jì)了一種用于對環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的無線傳感器系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)Νh(huán)境參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的測量并可靠傳輸體現(xiàn)了傳感器系統(tǒng)數(shù)字化智能化無線化的優(yōu)點(diǎn)。

傳感器技術(shù)是一項(xiàng)當(dāng)今世界令人矚目的迅猛發(fā)展起來的高新技術(shù)之一，也是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志，它與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。如果說計(jì)算機(jī)是人類大腦的擴(kuò)展，那么傳感器就是人類五官的延伸，當(dāng)集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展時(shí)，人們才逐步認(rèn)識信息攝取裝置——傳感器沒有跟上信息技術(shù)的發(fā)展而驚呼“大腦發(fā)達(dá)、五官不靈”。傳感器技術(shù)是測量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、微電子學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、精密機(jī)械、仿生學(xué)、材料科學(xué)等眾多學(xué)科相互交叉的綜合性高新技術(shù)密集型前沿技術(shù)之一。傳感器已廣泛應(yīng)用于航天、航空、國防科研、信息產(chǎn)業(yè)、機(jī)械、電力、能源、交通、冶金、石油、建筑、郵電、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)保、材料、災(zāi)害預(yù)測預(yù)防、農(nóng)林、漁業(yè)生產(chǎn)、食品、煙酒制造、機(jī)器人、家電等諸多領(lǐng)域，可以說幾乎滲透到每個(gè)領(lǐng)域。

細(xì)顆粒物又稱細(xì)粒、細(xì)顆粒、PM2.5是 ，它能較長時(shí)間懸浮于空氣中，其在空氣中含量濃度越高，就代表空氣污染越嚴(yán)重。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質(zhì)量和能見度等有重要的影響。目前，各國環(huán)保部門廣泛采用的PM2.5測定方法有三種：重量法、β射線吸收法和微量振蕩天平法。這三種方法的第一步是一樣的，區(qū)別在于第二步。將PM2.5直接截留到濾膜上，然后用天平稱重，這就是重量法。重量法是最直接、最可靠的方法，是驗(yàn)證其它方法是否準(zhǔn)確的標(biāo)桿。然而重量法需人工稱重，程序繁瑣費(fèi)時(shí)。如果要實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)測，就需要用到另外兩種方法。β射線吸收法：將PM2.5收集到濾紙上，然后照射一束beta射線，射線穿過濾紙和顆粒物時(shí)由于被散射而衰減，衰減的程度和PM2.5的重量成正比。根據(jù)射線的衰減就可以計(jì)算出PM2.5的重量。微量振蕩天平法：一頭粗一頭細(xì)的空心玻璃管，粗頭固定，細(xì)頭裝有濾芯。空氣從粗頭進(jìn)，細(xì)頭出，PM2.5就被截留在濾芯上。在電場的作用下，細(xì)頭以一定頻率振蕩，該頻率和細(xì)頭重量的平方根成反比。于是，根據(jù)振蕩頻率的變化，就可以算出收集到的PM2.5的重量。由于我們是要將飛行器升入空中去檢測，所以重量法沒法完成。飛行器在空中飛行，相對來說沒有在地面穩(wěn)定，所以振蕩天平法也不太精確，可靠。所以我們采用β射線吸收法來檢測空中的pm2.5。

大多數(shù)國家都是建立的監(jiān)控站來檢測，我們采用的是用無人機(jī)來檢測，這樣可以更簡潔、更明了、精確度也相對高一點(diǎn)。我們主要針對小區(qū)、學(xué)校這種小區(qū)域的范圍來檢測，范圍小，靈活性強(qiáng)，它可以移動，在這個(gè)小區(qū)檢測后，也可以應(yīng)用到其他小區(qū)。

在測量PM2.5方法我們采用光吸收技術(shù)：當(dāng)光波通過線性物質(zhì)時(shí)，會與物質(zhì)發(fā)生相互作用，光波一部分被介質(zhì)吸收，轉(zhuǎn)化為熱能；一部分被介質(zhì)散射，偏離了原來的傳播方向，剩下的部分仍按原來的傳播方向通過介質(zhì)。透過部分的光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之間符合朗伯一比爾定律。光吸收型粉塵濃度傳感器以朗伯一比爾定律為基礎(chǔ)，通過測量入射光強(qiáng)與出射光強(qiáng)，經(jīng)過計(jì)算得到粉塵濃度，該法具有在高粉塵濃度情況下測量準(zhǔn)確的特點(diǎn)。在傳感器方面，本項(xiàng)目打算用PPD42NS粉塵傳感器。

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步為氣體檢測儀器儀表行業(yè)的發(fā)展提供了條件，市場和政府政策的推動、人們安全意識的提高、相關(guān)法規(guī)法律的完善是氣體檢測行業(yè)發(fā)展的核心動力，這些推動使氣體檢測儀器儀表行業(yè)處于產(chǎn)業(yè)高速增長期。從技術(shù)發(fā)展的角度看，根據(jù)使用傳感器原理的不同，常見的氣體檢測儀器儀表各自有適用氣體及應(yīng)用領(lǐng)域，新技術(shù)新產(chǎn)品正在成為未來氣體檢測儀器儀表的主流。

目前，傳感器技術(shù)已開始應(yīng)用于各環(huán)境監(jiān)測機(jī)構(gòu)的應(yīng)急檢測，但是實(shí)際應(yīng)用中有諸多的局限性，比如在對大氣中的某些有害物質(zhì)進(jìn)行檢測時(shí)，由于其含量往往低于傳感器的最低檢測限，因此在實(shí)際應(yīng)用過程中，還需要進(jìn)行氣體的濃縮處理，這樣就使傳感器不容易實(shí)現(xiàn)微型化，或者需要借助更高靈敏度的傳感器；納米、薄膜技術(shù)等新材料研制技術(shù)的成功應(yīng)用為氣體傳感器集成化和智能化提供了很好的前提條件。氣體傳感器將在充分利用微機(jī)械與微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)、傳感技術(shù)、故障診斷技術(shù)、智能技術(shù)等多學(xué)科綜合技術(shù)的基礎(chǔ)上得到發(fā)展。研制能夠同時(shí)監(jiān)測多種氣體的全自動數(shù)字式的智能氣體傳感器將是該領(lǐng)域的重要研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐君麗、劉冀偉、王志良.基于無線網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]，微計(jì)算機(jī)信息，2005年第21卷第6期

[2] 孫利民、李建中、陳渝等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]，清華大學(xué)出版社，2005年5月第1版

基金項(xiàng)目：基金項(xiàng)目類別（編號）；基金項(xiàng)目類別（編號）

作者簡介：徐凱凱（1992-），男，中南民族大學(xué)在校本科生，研究方向：自動控制