多旋翼無人飛行器PM 2.5監(jiān)測系統(tǒng)

陳永煌

（安徽信息工程學(xué)院，安徽蕪湖241000）

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(fā)絲粗細(xì)的1/20。PM2.5粒徑小，含有大量的有毒、有害物質(zhì)，且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠(yuǎn)，被稱為大氣污染的元兇。PM2.5的污染對人和環(huán)境造成很大的影響，對PM2.5質(zhì)量濃度的監(jiān)測已迫在眉睫。

2 總體方案

該系統(tǒng)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(dǎo)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(dǎo)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(fā)出相應(yīng)的指令，控制飛行器的姿態(tài)[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(zhí)行；在“自動操作”方式時，按預(yù)先設(shè)置好的導(dǎo)航地圖路線和空中的GPS導(dǎo)航模塊通信實(shí)現(xiàn)自動巡航監(jiān)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)最后在PM2.5顯示模塊顯示和儲存。

3 空中系統(tǒng)

主要由以下幾個部分組成。

無人機(jī)機(jī)載平臺設(shè)備所示：采用四旋翼無人機(jī)，包括：

①機(jī)架：采用碳管加碳纖維板結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，機(jī)身軸距為550mm。

②電機(jī)：采用3510三相無刷電機(jī)，可控性高，扭力大，效率高。

③螺旋槳：1345型高強(qiáng)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(jì)、三軸陀螺儀、磁力計(jì)、氣壓高度計(jì)等多種高精度傳感器和豐富的API接口，操控簡單，能夠根據(jù)SDK開發(fā)豐富的自動飛行功能，同時飛控板外接GPS可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主導(dǎo)航飛行。

⑥電調(diào)：電子調(diào)速器，采用DJI620D正弦波電調(diào)，通過飛控發(fā)送正弦波信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，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(shí)時將飛行器數(shù)據(jù)和飛行指令和地面段進(jìn)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(jìn)口激光器與感光部件，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，數(shù)字化輸出，集成度高[2]。當(dāng)照到通過檢測位置的顆粒物時會產(chǎn)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(guān)，通過不同的分類統(tǒng)計(jì)及換算公式可以得到不同粒徑的實(shí)時顆物數(shù)量濃度，按照標(biāo)定方法得到跟官方單位統(tǒng)一的質(zhì)量濃度。

②無線傳輸模塊：nRF2401是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率發(fā)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(jié)能設(shè)計(jì)更方便[3]。nRF2401內(nèi)置地址解碼器、先入先出堆棧區(qū)、解調(diào)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(tǒng)

如圖1天空端測量設(shè)備與地面手持端設(shè)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(diǎn)陣單色圖片，或顯示16×16點(diǎn)陣的漢字8×4行，或顯示8×16點(diǎn)陣的英文、數(shù)字、符號16個×4行。或顯示5×8點(diǎn)陣的英文、數(shù)字、符號21個×8行。采用4線SPI串行接口，結(jié)構(gòu)輕、薄、帶背光。

圖1 天空端測量設(shè)備與地面手持端設(shè)備

5 數(shù)據(jù)處理

PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)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(zhí)行；在“自動操作”方式時，按預(yù)先設(shè)置好的導(dǎo)航地圖路線和空中的GPS導(dǎo)航模塊通信實(shí)現(xiàn)自動巡航監(jiān)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)最后在PM2.5顯示模塊顯示和儲存。

6 結(jié)論

①文章闡述的《基于多旋翼無人飛行器的PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)》把PM2.5傳感器搭載在多旋翼無人飛行器上，可在某一區(qū)域空中“多點(diǎn)監(jiān)測”PM2.5數(shù)據(jù)和“連續(xù)監(jiān)測”PM2.5數(shù)據(jù)，返回地面接收裝置，方便進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析；

②《基于多旋翼無人飛行器的PM2.5監(jiān)測系統(tǒng)》的多旋翼無人飛行器具有GPS導(dǎo)航模塊，因此，監(jiān)測系統(tǒng)可按人們預(yù)先制定的地圖路線巡航監(jiān)測，便于PM2.5監(jiān)測自動化。