多旋翼無人飛行器PM2.5監測系統

陳永煌

【摘 要】論文闡述了一種多旋翼無人飛行器PM2.5 監測系統，包括空中測量裝置和地面遙測裝置。空中測量裝置和地面遙測裝置通過無線通信連接，利用多旋翼無人機搭載 PM2.5傳感器，采用無線通信技術、GPS定位導航技術進行PM2.5監測，實現對較大區域的PM2.5數據進行連續、自動和快速的監測，進行多點測量，得到PM2.5參數的平均濃度數據，為PM2.5數據統計和分析提供了一種非常實用的監測設備。

【Abstract】A PM2.5 monitoring system on multi rotor unmanned aerial vehicle （UAV） is described in this paper. It includes air measurement devices and ground telemetry devices. The airborne measurement device and the ground telemetry device are connected by wireless communication. The PM2.5 sensor is equipped with multi rotor UAV， and the PM2.5 monitoring is carried out by wireless communication technology and GPS positioning navigation technology.It can realize continuous， automatic and fast monitoring of PM2.5 data in large area， and carry out multi-point measurement to get the average concentration data of PM2.5 parameters， so as to provides a very practical monitoring device for PM2.5 data statistics and analysis.

【關鍵詞】PM2.5 監測；多旋翼無人飛行器；通信

【Keywords】PM2.5 monitoring； multi rotor unmanned aerial vehicle； communication

【中圖分類號】P231 【文獻標志碼】B 【文章編號】1673-1069（2018）04-0162-02

1 引言

PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物。它的直徑還不到人的頭發絲粗細的1/20。PM2.5粒徑小，含有大量的有毒、有害物質，且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，被稱為大氣污染的元兇。PM2.5的污染對人和環境造成很大的影響，對PM2.5質量濃度的監測已迫在眉睫。

2 總體方案

該系統主要由空中測量裝置和地面遙測裝置兩大部分組成。空中測量裝置主要包括：多旋翼飛行器主體，主控模塊、飛行器通信模塊、GPS導航模塊、PM2.5測量模塊、PM2.5空中通信模塊組成；地面遙測裝置主要包括：飛行器地面遙測模塊、PM2.5地面通信模塊、PM2.5顯示模塊組成。其工作原理如下： 空中測量裝置中的多旋翼飛行器主體和GPS導航模塊由主控模塊控制，主控模塊的控制信號由飛行器通信模塊提供。空中的飛行通信模塊通過無線通信受地面遙測裝置中的飛行器地面遙控模塊控制，由地面發出相應的指令，控制飛行器的姿態[1]。飛行器采用有兩種控制方式：“手動操作”方式和“自動操作”方式。在“手動操作”方式時，由地面操作人員操作地面遙控模塊按人工指令執行；在“自動操作”方式時，按預先設置好的導航地圖路線和空中的GPS導航模塊通信實現自動巡航監測功能。搭載在空中多旋翼飛行器主體上的PM2.5測量模塊采用高精度的PM2.5傳感器，其在空中測量到的PM2.5數據通過PM2.5空中通信模塊和PM2.5地面通信模塊通過無線通信方式通信，返回給PM2.5地面通信模塊，返回的PM2.5數據最后在PM2.5顯示模塊顯示和儲存。

3 空中系統

主要由以下幾個部分組成。

無人機機載平臺設備所示：采用四旋翼無人機，包括：

①機架：采用碳管加碳纖維板結構，質量輕，強度高，機身軸距為550mm。

②電機：采用3510三相無刷電機，可控性高，扭力大，效率高。

③螺旋槳：1345型高強度碳塑槳。

④電源：1塊6s4500mah鋰聚合物電池，最大放電倍率為10C。

⑤飛控：DJI N1飛控，集成了三軸加速度計、三軸陀螺儀、磁力計、氣壓高度計等多種高精度傳感器和豐富的API接口，操控簡單，能夠根據SDK開發豐富的自動飛行功能，同時飛控板外接GPS 可實現無人機自主導航飛行。

⑥電調：電子調速器，采用DJI620D正弦波電調，通過飛控發送正弦波信號控制電機轉速調節，精確靈敏。

⑦飛行通訊模塊：采用2.4GHZ的nrf2401和5.8GHZ的圖傳模塊，實時將飛行器數據和飛行指令和地面段進行通信。

PM2.5測量平臺：

①pm2.5測量模塊為SDS011，使用激光散射原理，能夠得到空氣中0.3 ～ 10 微米懸浮顆粒物濃度，使用進口激光器與感光部件，數據穩定可靠，數字化輸出，集成度高[2]。當照到通過檢測位置的顆粒物時會產生微弱光散射，在特定方向上的光散射波形與顆粒直徑有關，通過不同的分類統計及換算公式可以得到不同粒徑的實時顆物數量濃度，按照標定方法得到跟官方單位統一的質量濃度。

②無線傳輸模塊：nRF2401是單片射頻收發芯片，工作于2.4～2.5GHz ISM頻段，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率發射時，工作電流只有10.5mA，接收時工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節能設計更方便[3]。nRF2401內置地址解碼器、先入先出堆棧區、解調處理器、時鐘處理器、GFSK濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器，功率放大器等功能模塊，需要很少的外圍元件，因此使用起來非常方便。

4 地面系統

如圖 1 天空端測量設備與地面手持端設備所示。地面遙測裝置主要包括：飛行器地面遙測模塊、PM2.5地面通信模塊、PM2.5顯示模塊組成。地面無線接收顯示模塊：JLX12864G-086 可以顯示128 *64 點陣單色圖片，或顯示16×16 點陣的漢字8 ×4 行，或顯示8×16 點陣的英文、數字、符號16 個×4 行。或顯示5×8 點陣的英文、數字、符號21 個×8 行。采用4 線SPI 串行接口，結構輕、薄、帶背光。

5 數據處理

PM2.5監測系統采用有兩種控制方式：“手動操作”方式和“自動操作”方式，在“手動操作”方式時，由地面操作人員操作地面遙控模塊按人工指令執行；在“自動操作”方式時，按預先設置好的導航地圖路線和空中的GPS導航模塊通信實現自動巡航監測功能[4]。搭載在空中多旋翼飛行器主體上的PM2.5測量模塊擬采用高精度的PM2.5傳感器，其在空

中測量到的PM2.5數據通過PM2.5空中通信模塊和PM2.5地面通信模塊通過無線通信方式通信，返回給PM2.5地面通信模塊，返回的PM2.5數據最后在PM2.5顯示模塊顯示和儲存。

6 結論

① 文章闡述的《基于多旋翼無人飛行器的PM2.5監測系統》把PM2.5傳感器搭載在多旋翼無人飛行器上，可在某一區域空中“多點監測”PM2.5數據和“連續監測”PM2.5數據，返回地面接收裝置，方便進行數據統計和分析；

②《基于多旋翼無人飛行器的PM2.5監測系統》的多旋翼無人飛行器具有GPS導航模塊，因此，監測系統可按人們預先制定的地圖路線巡航監測，便于PM2.5監測自動化。

【參考文獻】

【1】楊新興， 馮麗華， 尉鵬. 大氣顆粒物PM2.5及其危害[J]. 前沿科學， 2012（1）：22-31.

【2】章軒語， 羅孟飛. 大氣顆粒物質PM2.5的產生、危害及防治[J]. 今日科技， 2012（5）：70-70.

【3】于雅莉，孫楓，王元昔.基于多傳感器的四旋翼飛行器硬件電路設計[J].傳感器與微系統，2012 30（8）：113-115.

【4】 劉峰，呂強，王國勝，等.四軸飛行器姿態控制系統設計[J].計算機測量與控制，2011，19（3）：583-586.