基于四旋翼無人機的大氣污染物檢測系統設計

謝 濤

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

隨著人們環保意識逐漸加強，大氣污染已經成為人們越來越關注的重要社會問題。傳統的污染物檢測方法主要是將檢測設備固定在一些區域的某個位置，對大氣污染物進行檢測，檢測范圍有限，檢測設備維護成本較高，難以確定污染物源頭[1]。另外，在對一些工廠大型煙囪的排放物進行檢測時，存在檢測設備安裝困難等問題。針對上述問題，本文提出了一種基于四旋翼無人機的大氣污染物檢測方法，將無人機與污染物檢測技術相結合。無人機的機動性、靈活性為大氣污染物檢測提供了極大的便利。

1 系統整體設計

本文系統主要由四旋翼無人機模塊、大氣污染物檢測模塊、上位機模塊組成。系統設計的主要內容：通過遙控器操控四旋翼無人機飛到需要檢測的區域，無人機上的傳感器對污染物進行檢測，檢測信號首先經過調理電路處理，然后發送到STM32微控制器，最后通過CC1101無線數據傳輸模塊將信號發送到上位機，并實時顯示在上位機界面。

2 四旋翼無人機

四旋翼無人機控制系統主要由微控制器模塊、電源模塊、傳感器模塊、無線通信模塊、電子調速器模塊和無刷直流電機模塊組成。選用基于ARM Cortex-M3內核的32位微處理器STM32F103VET6作為主控制器，選用MPU6050作為姿態傳感器，整合三軸陀螺儀和三軸加速度計[2]。系統的工作原理：主控制器實時解算傳感器模塊采集到的姿態信息和位置信息，根據給定的飛行任務指令，結合相應的控制算法，輸出控制無刷直流電機轉速的信號，轉速控制信號經過電子調速器處理后輸出驅動信號控制無刷直流電機旋轉，從而控制無人機的飛行姿態和位置。四旋翼無人機控制系統總體設計如圖1所示。

圖1 四旋翼無人機設計結構圖

3 大氣污染物檢測模塊

CO，NO2，SO2等氣體分別采用ME3型電化學傳感器進行檢測，傳感器輸出的模擬信號由STM32微控制器處理后經無線數傳模塊發送給上位機。由于電化學傳感器輸出的信號較微弱，不能達到微控制器A/D轉換檢測的要求，所以需對傳感器信號進行放大處理。污染物檢測模塊總體設計如圖2所示。

圖2 大氣污染物檢測模塊框圖

3.1 信號調理電路

信號調理電路的核心采用德州儀器生產的LMP91000芯片，如圖3所示。它是一款用于超低功耗電化學傳感器的可編程模擬前端，為電化學傳感器與微控制器提供了一個完整的信號處理解決方案[3]，將傳感器輸出的信號放大至STM32的A/D檢測范圍內。

圖3 傳感器信號調理電路

3.2 電化學傳感器原理

電化學傳感器主要由透氣孔、過濾器、透氣膜、電解液、電極、殼體和引腳組成。電化學傳感器的壽命一般是2～3年，傳感器所處的外部環境條件，如溫濕度、壓力及待測氣體濃度是決定其壽命長短的最主要因素[4]。傳感器內部結構如圖4所示。

目標氣體通過透氣孔進入傳感器內部，經過濾器和透氣膜到達工作電極表面，然后在工作電極上發生氧化還原反應，與對電極形成回路，通過電極之間的電阻，產生與被測氣體濃度成比例的電流信號。產生的電流信號經過調理電路和微處理器處理后，就可得到氣體濃度數據。傳感器在工作一段時間后，因為對電極和工作電極在氧化還原反應時會造成電極極化，使電位無法保持穩定，所以會導致傳感器靈敏度降低，因此引入參考電極以保證工作電極電位穩定[5]。

3.3 CO電化學傳感器

檢測CO選用ME3-CO型電化學傳感器，氣體從透氣孔擴散進入傳感器內部，經過濾器和透氣膜到達工作電極，在工作電極表面催化劑的作用下發生氧化反應，在反應過程中釋放H+和e-，通過電解液轉移到同在電解液中的對電極上。在對電極上，H+和e-又與電解液中的氧氣分子結合，發生還原反應。整個過程反應方程式如下：

3.4 PM2.5傳感器

圖4 電化學傳感器內部結構

檢測PM2.5采用夏普公司生產的GP2Y1010AU0F紅外光式粉塵傳感器，可測量0.8 μm以上的微小粒子。檢測原理：傳感器內部對角布置著紅外發光二極管和光敏三極管，當帶有顆粒物的氣體通過通氣孔進入傳感器時，紅外發光二極管發射紅外線到顆粒物上，會產生散射光，散射光信號被光敏三極管接收。由于散射光強度與顆粒物濃度成正比，因此通過測量散射光的強度就能夠測出空氣中所含有顆粒物的濃度[6]。STM32單片機的PB0引腳為傳感器提供脈沖輸入信號，PC0引腳將傳感器輸出的模擬信號進行A/D轉換。GP2Y1010AU0F傳感器電路如圖5所示。

圖5 GP2Y1010AU0F傳感器電路

4 無線數據傳輸模塊

數據傳輸部分采用德州儀器公司生產的CC1101芯片作為無線數傳電路的核心，CC1101是一款低于1 GHz的低成本、低功耗無線收發器。芯片內部集成了一個高度可配置調制解調器，該解調器支持不同格式，如ASK，GFSK，2-FSK和MSK多種調制模式，最高數據傳輸速率可達500 kbps，其無障礙傳輸距離最遠可達500 m[7]。CC1101電路原理如圖6所示。

CC1101射頻芯片發送和接收數據時的波特率MDMCFG3.DRATE_M和MDMCFG4.DRATE_E由配置寄存器控制，編程的數據速率與晶振頻率有關，如下式：

如果DRATE_M接近其最近的寄存器且變為256，則增加DRATE_E，并使DRATE_M=0。

5 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括大氣污染物檢測部分以及上位機部分。污染物檢測系統主要由氣體傳感器模塊、顆粒粉塵傳感器模塊、無線數據傳輸模塊組成。上位機系統主要功能包括用戶信息管理、實時數據顯示、實時曲線顯示、歷史數據查詢。

圖6 CC1101電路原理圖

污染物檢測系統程序在Keil μVision5環境下采用C語言編寫，主要包括系統初始化程序、信號調理電路程序、A/D轉換程序、無線數據傳輸程序。此款軟件主要面向ARM類微控制器，尤其是在該環境下進行ARM Cortex-M內核的處理器開發[8]。

上位機系統采用Visual Studio軟件設計。首先設計登錄界面，只有通過輸入賬號密碼進入系統后才能對系統進行操作；設計實時數據顯示窗口與實時曲線顯示窗口，通過曲線顯示窗口不僅能使數據顯示更加直觀，還能為數據分析提供更好的依據。同時還設計有數據保存功能，可為以后查閱數據提供方便。

6 系統測試結果

本文測試地點選在某小區附近，時間為上午9：00，天氣晴朗，溫度為25 ℃。測試中，四旋翼無人機經歷起飛-飛行-降落過程，整個過程持續約20 min。檢測高度選在100 m以下，對20～100 m的高度進行20 m間隔的采樣。

無人機在飛行過程中會受到氣流擾動的影響，導致每個檢測高度的開始測量值波動較大，因此在處理數據時，選取了1 min后的連續10個測量值。選取的PM2.5和SO2測量分析結果分別如表1和圖7，表2和圖8所示。

圖7 PM2.5測量分布圖

表1 PM2.5測量數據

圖8 SO2測量分布圖

表2 SO2測量數據

7 結 語

無人機是當前研究的熱點之一，無人機與行業應用相結合是當下趨勢。本文設計了基于四旋翼無人機的大氣污染物檢測系統，可有效幫助環保人員采集大氣中污染物濃度的垂直分布數據，實現對污染源的快速定位以及對大型煙囪排放物更便捷的檢測。但本系統的設計仍有一些不足之處：污染物檢測系統只設計了幾種傳感器，遠遠不能滿足多樣化和精準化的檢測需求；無人機的續航時間較短，在高空中檢測時，抗氣流擾動能力和穩定性有待提高。在突破相關技術難題后，無人機污染物檢測技術一定會有質的飛躍。