基于LORA和四旋翼的大氣環境智能檢測系統設計

王晶 胡立夫 王德生

摘 要： 為了實時掌握大氣環境信息，提高工作效率，減少人工成本，設計一種基于LORA和四旋翼的智能檢測系統。系統以STM32微處理器為中央控制器，四旋翼飛行器為傳感器搭載平臺，采用LORA擴頻技術將采集數據傳送到監控終端節點，實現大氣環境的實時顯示。實驗結果表明，該系統具有實時性好、檢測范圍廣、整體功耗低等特點，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞： 大氣環境信息； LORA； 四旋翼； STM32微處理器； 智能檢測系統； 監控終端

中圖分類號： TN915.5?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）20?0074?04

Abstract： An intelligent detection system based on the LORA and quadrotor is designed to grasp atmospheric environment information in real time， improve work efficiency， and reduce labor cost. In the system， with the STM32 microprocessor as the central controller and the quadrotor aircraft as the sensor platform， the LORA spread spectrum technology is adopted to transmit the collected data to the monitoring terminal node， so as to realize real?time display of the atmospheric environment. The experimental results show that the system has the characteristics of good real?time performance， wide detection range， and low overall power consumption， which has a wide application prospect.

Keywords： atmospheric environment information； LORA； quadrotor； STM32 microprocessor； intelligent detection system； monitoring terminal

隨著工業化和城鎮化進程的加快，有毒、有害等突發性大氣污染和城鎮霧霾頻發，嚴重威脅了人類的生存和發展，已被評為地球上“最危險的環境致癌物質之一”[1?2]。因此，如何方便、及時地獲取精準、可靠的大氣環境基礎數據資料，實現對大氣環境的有效監控和保護成為亟待解決的問題。現有的大氣環境檢測方法主要分為兩種：一是采用便攜式空氣監測儀人工采樣、分析的方式；二是采用由遠程監測中心和若干個監測子站組成的大氣環境自動監測系統[3?4]。前者存在勞動強度大、時間周期長、針對性差、數據采集慢等問題，無法反映大氣環境動態變化，且不易及早發現污染源并報警。后者雖能較好解決上述不足，但需要預先鋪設電纜并建立多個監測子站，存在系統成本高、監測大氣范圍有限、易對監測區域造成破環等缺點。

本文結合了LORA擴頻技術[5?6]和四旋翼飛行器[7?8]的雙重優勢，設計一種大氣環境智能測試系統。該系統針對目前影響空氣質量指數的細顆粒物（PM2.5）、可吸入顆粒物（PM10）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）及一氧化碳（CO）六種主要大氣污染物[8]進行了測試，有效地完成了大氣環境智能監控。

1 系統總體設計

大氣環境智能檢測系統主要由ARM微控制器STM32F103、四旋翼飛行器、數據采集電路、AS32?TTL?100無線串口模塊和數據監控電路組成。系統總體框圖如圖1所示。四旋翼飛行器用于搭載大氣環境檢測系統，STM32F103處理器將采集數據通過AS32?TTL?100無線串口模塊傳遞給監控終端，并在終端進行顯示及處理。通過四旋翼的巡航飛行，提高系統工作效率和實時性，減小系統成本。

2 系統硬件電路設計

大氣環境智能檢測系統主要包括四旋翼大氣環境檢測平臺和數據監控終端平臺。系統采用模塊設計，便于調試和開發。

2.1 微處理器概述

系統主控芯片為32位STM32F103微處理器。它采用Cortex??M3內核，工作頻率72 MHz，擁有DCode總線（D?bus）、系統總線（S?bus）、通用DMA1和通用DMA2四個驅動單元，USART，ADC，DAC，RTC，SDIO，I2C及SPI豐富的外設接口[9?10]。其三種低功耗模式：睡眠模式、停機模式和待機模式，可以確保系統的低功耗性。此外，其Thumb?2指令集使系統運行的實時性和工作效率大大提高。

2.2 四旋翼控制系統設計

四旋翼飛行器是由四個直流無刷電機驅動的十字交叉螺旋槳提供全部動力的飛行運動裝置。其機身輕便、易操控，能夠實現垂直起降、自由懸停等功能。本文提出用一臺四旋翼飛行器作為大氣環境檢測系統的搭載平臺，充分利用了四旋翼作業效率高、實時性強、機動靈活、使用方便、監測范圍廣等特點，為大氣環境檢測提供了一種新的技術平臺與工具選擇，也為四旋翼機的應用開辟了一個全新的領域。四旋翼控制系統框圖如圖2所示。AHRS模塊內集成三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁強計，STM32可以通過串口讀取飛行器的姿態角、角速率及磁航向等信息，經過相關處理后，通過PWM信號控制四個電機，從而實現姿態控制。此外，系統采用超聲波傳感器以及GPS全球定位系統，將三維地理位置等信息，通過無線串口模塊傳遞給監控終端，實現巡航控制。

2.3 無線串口通信設計

LORA是LPWAN（低功耗廣域網）通信技術中的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案[11]。它比2.4 GHz的WiFi、藍牙、ZigBee等局域網的無線技術傳輸距離更遠，比2G/3G/4G等廣域網的無線技術功耗更低，兼顧了遠距離和低功耗的雙重優勢，能夠有效地節省中繼器成本，具有遠距離、低功耗（電池壽命長）、多節點、低成本的特性[12]。同時，LORA信號對建筑的穿透力也很強，非常適合應用在城市大氣環境監測系統中。

AS32?TTL?100是一款100 mW，高穩定性，工業級的無線數傳模塊。其采用SX1278主芯片，LORA擴頻傳輸，TTL電平輸出，兼容3.3 V與5 V的I/O口電壓。同時具有一般模式、喚醒模式、省電模式和休眠模式四種工作模式，抗干擾性強、傳輸距離遠、功耗極低。無線通信模塊的連接框圖如圖3所示。

3 系統軟件設計

大氣環境智能檢測系統的軟件分為四旋翼搭載平臺軟件設計、檢測終端軟件設計。其主要采用自底向上模塊化程序設計方法。

3.1 四旋翼搭載平臺軟件設計

四旋翼搭載平臺程序主要完成大氣環境信息、AHRS航姿參考數據、飛行器三維數據、遙控器數據的采集，飛行器控制，以及無線串口數據通信等功能，其程序結構框圖如圖4所示。

四旋翼搭載平臺流程圖如圖5所示。系統首先進行單片機外設、SPI和中斷初始化；其次，開全局中斷，采集各傳感器數據；再次，進行飛行器控制，大氣環境信息均值計算；最后，將采集到的數據打包后，通過串口發送給檢測終端。

3.2 檢測終端軟件設計

檢測終端程序主要負責大氣環境信息的處理及顯示。其程序流程圖如圖6所示。首先，系統初始化；其次，AS32?TTL?100串口通信模塊讀取數據。當配對成功讀取到數據后，在LCD12864液晶顯示器上進行處理及顯示。

4 系統調試結果分析

系統調試是整個系統在設計和開發中的一個不可或缺的環節，是保證系統性能和質量的重要步驟。系統上電后，發射端和接收端LED燈同時閃爍，表明AS32?TTL?100串口通信模塊配對成功。四旋翼大氣環境檢測平臺和數據監控終端平臺的示意圖如圖7、圖8所示。圖8表明數據監控終端可以實時顯示大氣環境相關信息，通過計算可以得知當前空氣質量為優。

5 結 論

四旋翼是人類智慧的結晶，其具有作業效率高、實時性強、機動靈活、使用方便、監測范圍廣等特點，為突發性環境事件的預防控制、各類信息的快速獲取提供強有力的技術支撐。基于LORA擴頻技術的AS32?TTL?100無線傳輸模塊，功耗低、傳輸距離遠，延長了電池的使用壽命。將四旋翼和LORA擴頻技術應用于大氣環境監測系統，實現了優勢的互補，具有立體監測、響應速度快、監測范圍廣、續航能力強、地形干擾小等優點，非常值得推廣。

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