基于BDS的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

楊國林, 張健琿, 韓 峰, 劉 濤, 岳志龍, 賀嘉琪

(1. 蘭州交通大學(xué) 測(cè)繪與地理信息學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅省地理國情監(jiān)測(cè)工程實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730070；3. 蘭州交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)

地面固定監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)近地表大氣污染方法設(shè)備較多,已經(jīng)為空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)發(fā)揮了重要作用,但這種固定的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的位置分布比較分散,移動(dòng)不方便,對(duì)收集數(shù)據(jù)有很大的局限性,不能很好地探測(cè)特定區(qū)域、特定空間氣體污染物分布情況[1-3]。基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(beidou navigation satellite system,BDS)的無人機(jī)空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅能適時(shí)地在需要監(jiān)測(cè)的區(qū)域開展監(jiān)測(cè),同時(shí)將位置信息與該點(diǎn)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng),并利用記錄模塊將上述數(shù)據(jù)完整記錄,能為空氣質(zhì)量空間分布的動(dòng)態(tài)分析提供解決方案。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心,結(jié)合傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)和北斗定位模塊、溫濕度傳感器和顆粒物傳感器將檢測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過端口傳送給單片機(jī),經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之后控制液晶顯示器LCD1602顯示出各環(huán)境參數(shù),同時(shí)將環(huán)境數(shù)據(jù)以及位置信息匹配發(fā)送給數(shù)據(jù)記錄模塊。本設(shè)計(jì)將傳感器探測(cè)與無人機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合,完成了在無人機(jī)飛行過程中進(jìn)行空氣顆粒物濃度、濕度等環(huán)境因素和位置信息的記錄和匹配,為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析及處理提供了條件[4-7]。借助北斗的空氣監(jiān)測(cè)無人機(jī)的設(shè)計(jì),能夠讓學(xué)生深入了解衛(wèi)星定位、傳感器探測(cè)、無人機(jī)飛行控制等技術(shù),并通過位置獲取、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、空間可視化等數(shù)據(jù)處理過程,實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的時(shí)空分布情況表述[8-9]。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

總體上，該系統(tǒng)可以分為顆粒物傳感器、溫濕度傳感器、北斗定位模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊、 控制處理模塊、無人機(jī)飛行模塊等部分。其中無人機(jī)飛行模塊相對(duì)獨(dú)立。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)工作原理：首先確定區(qū)域進(jìn)行航線規(guī)劃,即根據(jù)待測(cè)定區(qū)域范圍、高度及環(huán)境狀況對(duì)無人機(jī)飛行進(jìn)行計(jì)劃,飛行過程中在控制器的協(xié)調(diào)下,溫濕度、顆粒物傳感器及定位模塊同時(shí)工作,各模塊將監(jiān)測(cè)到的溫濕度及顆粒物濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)和位置信息實(shí)時(shí)傳送給單片機(jī),單片機(jī)將各數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理和分析,將溫濕度及顆粒物濃度利用顯示部分顯示出來,同時(shí)將這些數(shù)據(jù)連同對(duì)應(yīng)的位置信息發(fā)送給數(shù)據(jù)記錄模塊,完成對(duì)空間特定點(diǎn)的空氣微小顆粒物及溫濕度的數(shù)據(jù)獲取和記錄。北斗定位模塊獲得的位置信息是建立空間分布模型的框架基礎(chǔ),能夠確定特定點(diǎn)在坐標(biāo)系下的坐標(biāo)[10-11]。

2.2 模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 主控模塊電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機(jī)為核心處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。在工業(yè)控制領(lǐng)域使用的單片處理器中,屬51系列的8位單片機(jī)的使用最為普遍。設(shè)計(jì)選用的微處理器STC89C52內(nèi)部自帶8 K字節(jié)的存儲(chǔ)器,工作電壓低,性能穩(wěn)定,而且能夠完全適合工業(yè)級(jí)別的MCS-51指令集以及輸出管腳分布。

單片機(jī)的最小系統(tǒng)(見圖2)是簡(jiǎn)單電路,可以使該單片機(jī)保持正常的工作。該單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路包含5個(gè)部分,分別為電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、片內(nèi)外程序存儲(chǔ)器選擇電路、輸入/輸出接口電路。其中前3個(gè)電路是保證單片機(jī)的控制系統(tǒng)維持正常運(yùn)作的最基本的電路,不可或缺。

(1) 電源電路。單片機(jī)的VCC引腳連接直流電源正極,要求4～5.5 V之間的穩(wěn)定電壓,以保證系統(tǒng)正常運(yùn)作。其GND引腳要求連接該直流電源的負(fù)極。一般在兩電源引腳之間連接一個(gè)10 μF的電解電容和一個(gè)0.1 μF陶片電容,用以抑制雜波串?dāng)_,確保電路穩(wěn)定,從而改善系統(tǒng)電路的抗干擾能力。

(2) 時(shí)鐘電路。STC89C52單片機(jī)規(guī)定18引腳及19引腳連接外部晶振和電容,該單片機(jī)的工作頻率在2～33 MHz范圍,單片機(jī)工作頻率由晶振的頻率決定,一般選取的是11.0592 MHz。連接的2個(gè)電容通常取3 pF。

(3)復(fù)位電路。引腳RST上連續(xù)的24個(gè)工作主頻周期的高電平可以使單片機(jī)完成復(fù)位。一般情況下,復(fù)位電路使引腳RST保持至少10 ms以上的高電平才能保證系統(tǒng)可靠復(fù)位。當(dāng)系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí),可通過按復(fù)位按鈕的方法使單片機(jī)進(jìn)行快速復(fù)位。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.2.2 北斗定位模塊電路設(shè)計(jì)

北斗定位模塊支持北斗和GPS雙模衛(wèi)星系統(tǒng)，采用3.3 V和5 V供電,可以方便接入3.3 V或者5 V單片機(jī)系統(tǒng)板載EEPROM,可掉電記憶設(shè)置的波特率和幀數(shù)據(jù)等設(shè)置信息。帶有SMA和IPEX兩種天線接口,方便選擇自己需要的外置天線。PPS授時(shí)輸出引腳,方便做時(shí)鐘同步等應(yīng)用。該北斗定位模塊有定位導(dǎo)航、內(nèi)置天線檢測(cè)及天線短路保護(hù)功能。北斗定位模塊與溫濕度傳感器、顆粒物傳感器電路見圖3。

圖3 北斗定位模塊與溫濕度傳感器、顆粒物傳感器電路

2.2.3 溫濕度傳感器電路

用于檢測(cè)環(huán)境中溫濕度參數(shù)的傳感器為DHT11[12]。芯片含有OTP內(nèi)存,能夠以程序的形式存放校準(zhǔn)系數(shù),這樣可以為傳感器在檢測(cè)信號(hào)的后期處理過程做好準(zhǔn)備。該傳感器使用串行通信方式,僅需要1根數(shù)據(jù)線DATA便能夠完成與STC89C52單片機(jī)之間的信息交換,其應(yīng)用電路見圖3(b)。

2.2.4 顆粒物傳感器電路

系統(tǒng)的顆粒物濃度采集利用激光散射原理[13-14]:當(dāng)激光照射到通過檢測(cè)位置的顆粒物時(shí)會(huì)產(chǎn)生微弱的光散射,在特定方向上的光散射波形與顆粒直徑有關(guān),通過不同粒徑的波形分類統(tǒng)計(jì)及換算公式可得到不同粒徑的實(shí)時(shí)顆粒物的數(shù)量濃度,按照標(biāo)定方法得到與官方單位統(tǒng)一的質(zhì)量濃度。其應(yīng)用電路見圖3(c)。

2.2.5 顯示模塊電路

本系統(tǒng)采用的顯示模塊為L(zhǎng)CD1602,所用的核心芯片為HD44780。該模塊規(guī)定每行最多顯示16個(gè)字符,可以同時(shí)顯示2行數(shù)據(jù)。下載電路、顯示模塊電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 下載電路和顯示模塊電路

2.2.6 數(shù)據(jù)記錄模塊電路

數(shù)據(jù)記錄模塊采用透明傳輸?shù)姆绞?將串口送來的數(shù)據(jù)以文件(FAT32文件系統(tǒng))形式存儲(chǔ)于模塊上的SD卡中。連接USB端口,該模塊仿真成U盤,無需任何額外驅(qū)動(dòng)程序,上位機(jī)可直接讀取文件,也可將SD卡卸下直接由讀卡器讀出文件。該模塊采用2線串口,將串口送來的數(shù)據(jù)透明保存成文件存儲(chǔ)到SD卡上。不需任何協(xié)議或命令，不僅可適應(yīng)多種容量的SD卡,還可由USB端口直接讀出文件。

設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行PCB板的制作[15-17],根據(jù)上述各個(gè)模塊的設(shè)計(jì),制作了相應(yīng)的 PCB板,部分電路板見圖5。

圖5 部分電路板圖

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的工作流程：傳感器監(jiān)測(cè)到的溫濕度、顆粒物濃度以及位置等信息傳送到單片機(jī)控制處理模塊,單片機(jī)將數(shù)據(jù)處理后在顯示模塊上實(shí)時(shí)顯示,并把數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)記錄模塊進(jìn)行記錄。

主程序主要是調(diào)用各個(gè)子程序的C語言文件中定義的函數(shù),實(shí)現(xiàn)溫濕度傳感器、LCD1602等初始化等操作,然后測(cè)量溫濕度、顆粒物濃度、位置信息等數(shù)據(jù),調(diào)用程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理,最后進(jìn)行顯示并串口輸出當(dāng)前數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)記錄模塊,系統(tǒng)的主程序流程見圖6。

圖6 系統(tǒng)主程序流程

3 測(cè)試及性能分析

完成本系統(tǒng)電路板的設(shè)計(jì)、制作和焊接，并檢測(cè)主板線路,確保無虛焊、短路、斷路、接觸不良等基本問題。安裝系統(tǒng)所需的各外圍元件,接通電源,測(cè)試各器件電氣特性,確保各參數(shù)達(dá)到設(shè)定范圍。將STC89C52單片機(jī)中分別寫入單個(gè)模塊的測(cè)試程序,測(cè)試主板部分各硬件及對(duì)應(yīng)軟件性能。整合各模塊的程序,對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行綜合測(cè)試。測(cè)得其基本電氣特性見表1。

表1 基本電氣特性

單片機(jī)加載程序后,在接通電源的情況下會(huì)自動(dòng)完成各部件的初始配置,然后實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)。為檢測(cè)系統(tǒng)的性能能否達(dá)到預(yù)期指標(biāo),讓系統(tǒng)在多組不同環(huán)境中采集的濕度、顆粒物濃度、位置信息等數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值及標(biāo)準(zhǔn)定位點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,性能測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 性能測(cè)試結(jié)果

通過在城市道路區(qū)域的測(cè)試,特別對(duì)城市抑塵措施、降塵效果的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),結(jié)果表明本系統(tǒng)獲取的濕度、顆粒物濃度以及位置參數(shù)誤差均在可接受范圍，能作為有效手段用于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。

4 結(jié)語

以單片機(jī)為核心,結(jié)合傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)和無人機(jī)技術(shù),在主控模塊協(xié)調(diào)下,溫濕度傳感器、顆粒物傳感器、北斗定位模塊將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)在記錄模塊中加以存儲(chǔ),同時(shí)單片機(jī)控制液晶顯示器顯示各環(huán)境參數(shù),拓展了空氣監(jiān)測(cè)的范圍和靈活性,能滿足不同環(huán)境監(jiān)測(cè)要求，也能為區(qū)域空氣監(jiān)測(cè)、空氣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)及突發(fā)空氣質(zhì)量事件評(píng)估提供快捷的數(shù)據(jù)采集手段。

[1] 任婉俠,薛冰,張琳,等.中國特大型城市空氣污染指數(shù)的時(shí)空變化[J].生態(tài)學(xué)雜志,2013,32(10):2788-2796.

[2] 陳莉,白志鵬,蘇笛, 等. 利用LUR模型模擬天津市大氣污染物濃度的空間分布[J].中國環(huán)境科學(xué),2009,29(7):685-691.

[3] 彭艷,葉金偉,張利勇, 等.無人機(jī)三維空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)研究[J].測(cè)繪科學(xué),2017,42(11):154-157,170.

[4] 李磊,熊濤,胡湘陽, 等.淺論無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域及前景[J].地理空間信息,2010,8(5):7-9.

[5] 王憲倫.關(guān)于無人機(jī)應(yīng)用安全問題的一點(diǎn)探討[J].測(cè)繪與空間地理信息,2011,34(1):87-88,91.

[6] 雷添杰,李長(zhǎng)春,何孝瑩.無人機(jī)航空遙感系統(tǒng)在災(zāi)害應(yīng)急救援中的應(yīng)用[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2011,20(1):178-183.

[7] 高峰.無人機(jī)應(yīng)用前景廣闊[J].國防科技工業(yè),2011(9):44-45.

[8] 姜嘉樂.提升我國高等工程教育質(zhì)量的若干戰(zhàn)略思考:華南理工大學(xué)王迎軍校長(zhǎng)訪談錄[J].高等工程教育研究,2013(1):1-7,39.

[9] 余天佐,劉少雪,楊聚鵬，等.如何迎接專業(yè)認(rèn)證:對(duì)美國伍斯特理工學(xué)院認(rèn)證歷程的考察[J].高等工程教育研究,2015(2):121-127.

[10] 李廣弟.單片機(jī)基礎(chǔ)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2001.

[11] 劉海穎.衛(wèi)星導(dǎo)航原理與應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社, 2013 .

[12] 倪天龍.單總線傳感器DHT11在溫濕度測(cè)控中的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2010(6):60-62.

[13] 麻曉敏,陶宗明,馬明俊, 等.基于CCD的側(cè)向散射激光雷達(dá)信號(hào)提取方法[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2014,34(2):9-14.

[14] 胡淼,吳端法,李齊良, 等.基于CCD側(cè)向散射激光雷達(dá)的PM2.5濃度測(cè)量研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2016,36(11):16-21.

[15] 代芬,王衛(wèi)星,鄧小玲, 等.單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)開發(fā)板設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010,29(8):213-215.

[16] 林凌,李蒙,李剛.一種基于ISP技術(shù)的單片機(jī)多功能教學(xué)平臺(tái)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2009,26(3):64-67.

[17] 仲玉芳,黃克強(qiáng),吳明光.面向嵌入式系統(tǒng)的單片機(jī)集成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2008,25(9):77-81.