基于無人機的大氣二氧化碳濃度實時監測系統探討

李冰皓 許運華

摘 要：近年來頻頻出現的突發性氣體超標排放事件，對傳統氣體監測方式提出極大的挑戰。基于無人機平臺的CO2監測方式，可以破解固定點位監測和測試人員暴露于取樣環境中的難題。該監測方式，可以對樣本數據實時、精準、高效傳輸，對于存在的問題及時預警，極大減輕從業人員工作強度，克服復雜環境對測試的影響。

關鍵詞：無人機平臺;樣本數據;CO2監測方式

一、前言

隨著社會的發展和全球工業化進程的加快，人類對環境的影響日益加劇。其中，全球氣候變暖，給人類帶來了巨大的挑戰，經研究發現，人類活動和工業生產排放的溫室氣體是引起這一變化的主要原因。京都議定書明確指出，溫室氣體主要包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、氫氟碳化物（HFCs）、全氟碳化物（PFCs）和六氟化硫（SF6），其中二氧化碳占比約55%，產生的增溫效應占比可達63%。進入21世紀以來，CO2的排放量大大增加，其濃度值遠遠超過了過去的幾個世紀，據測算，到本世紀中后期將達到500ppm[1]。當前，國際組織在積極應對碳排放問題，世界各國以全球協約的方式減排溫室氣體。近年來我國積極參與國際社會碳減排，在2021兩會上，“碳達峰、碳中和”被首次寫入政府工作報告，實現經濟走向綠色可持續發展。

目前對大氣監測研究，大多集中在對整個大氣CO2濃度變化進行研究，即對工業企業生產中的CO2濃度監測，大多停留在固定點位監測，或者實驗室化驗監測。針對近期頻發的突發性CO2超標排放事件，傳統的定點監測難以滿足監測需求，具備不同維度的快速監測對于環境治理及污染擴散具有重大意義。要實現碳排放精準控制，需要更加快捷、準確、實時的區域性監測方法。無人機技術的快速發展，使大氣環境監測方法不再局限于固定點位監測[2]。另外，無人機技術與傳感技術相結合，能夠有效彌補傳統監測方式存在的不足，可實現現場數據動態獲取、同步回傳、迅速預警，從而為大氣監測提供了一種高效方式。

本文主要從無人機CO2濃度實時監測系統總體設計、優勢分析、未來應用前景三方面進行論述，旨在為無人機大規模應用于氣體監測提供可行性分析和理論支撐。繼而減輕從業者勞動強度，有力保障其人身安全，提升監測時效和監測精度。

二、無人機CO2濃度實時監測系統總體設計

從總體上說，要實現無人機上搭載CO2監測裝置，對指定區域內氣體濃度進行實時監測，可分為四個主要單元：無人機平臺選型和擴展單元，CO2監測裝置和承載單元，遠程控制單元、實時監測程序設計單元[3]?？傮w設計方案如圖1-1所示。

1、CO2監測裝置和承載單元

市面上有各種相對成熟的高精度便攜氣體監測裝置，基于無人機對于設備自身重量和監測設備連續工作時間等因素，本文選取深圳元特科技有限公司生產的泵吸式CO2氣體監測裝置，其型號為SKY6000-04，其實物如圖1-2所示。

該設備優點是選用PID光離子傳感器，監測精準性高，3.5寸高清彩屏，無線通訊（選取藍牙、LORA、4G、WIFI等無線模塊，外置藍牙打印機，通過電腦和手機端可查看實時數據），內置采樣泵，可實現為不同的氣體在諸多復雜環境定制氣流監測，可以持續工作10小時。主要性能參數如表1-1所示。

氣體監測承載裝置是系統設計中重要一項，其實際搭載位置需要結合無人機平臺獨立設計。本設計中因氣體監測儀通過進氣泵將氣體導入，氣體監測儀重量均勻分布問題和無人機升空平衡問題需要納入考慮范圍。選取承載裝置的原則是

保證安全前提下選擇重量小的，故選擇新型碳纖維材質，此外盡可能安裝重心與無人機平臺重心在一條垂直線。

2無人機平臺選型和擴展單元

按照常用的無人機分類方法，可分為固定翼和多旋翼無人機。本設計選取當下相對技術成熟的大疆多旋翼無人機大疆經緯M300 RT。選取原因有兩方面：

一是選取多旋翼無人機其工作原理是靠多個旋翼同時轉動來平衡無人機和擴展單元的重力，懸速增加，無人機向上的升力會大于重力，即可實現整體平穩上升。另外，要實現指定區域內CO2的監測，需要多次、多點位反復核驗，所以需要無人機可以水平移動，多旋翼無人機橫斜分力可以很好的實現該功能。

二是考慮到現場數據采集過程中，無人機作為氣體監測平臺，無人機選取動力形式要采用無排放模式，故選用動力電池類型的無人機。這樣可以避免因自身動力排放，影響氣體監測精度，較少誤差。選取大疆經緯M300 RT，電機轉速控制較為容易，可實現遙控操作，不需要初速度，起飛降落方便，飛行場地選擇靈活?；谧畲笃痫w重量可達9 kg，最大飛行海拔高度5000 m，最大可承受風速15 m/s，工作環境溫度-20℃至 50℃等參數指標，選取該型號作為無人機監測平臺可滿足各項參數指標。如圖1-3所示：

3遠程控制單元

該控制單元的設計，基于為無人機搭載氣體監測儀提供實時控制信號，可實現操作者在地面遠程控制無人機搭載氣體監測儀進行氣體監測。遠程控制單元的設計，從監測儀操作部分引出接線端，設計獨立的控制系統，實現對無人機和氣體監測儀的兩路控制[4]。

遠程控制單元基本功能包括：氣體監測儀的工作狀態模塊，無人機工作狀態模塊，CO2監測閾值上下限調整模塊，被測CO2超標報警模塊，無人機平臺采樣點位取樣模塊，無人機報警模塊等。

通過以上基本模塊的設計，可實現液晶屏在遠程靈活控制無人機平臺和監測儀實時工作狀態，對其飛行數據和氣體監測實時數據清晰顯示。

4實時監測程序設計單元

監控程序設計單元，是基于遠程控制單元的模塊化思想的前提，程序編寫采用模塊編程思路。程序設計方案如圖1-4所示。本文采用C語言，運用keil環境進行調試編輯工作。

獨立芯片主控制系統是本單元的核心模塊，無人機平臺動力程序和CO2氣體監測程序同時與核心主控制系統進行數據輸出和反饋，并且二者由于是互相依附關系，實時同步進行數據交互，以實現無人機平臺前提下的CO2氣體監測。主控制系統與液晶屏之間建立雙向聯系，可實現人機互動，便于遠程控制精準化[5]。

無人機平臺動力程序的下游環節是無人機采樣點位科學化選取程序，該環節是為了確保氣體監測數據準確可信，保證取樣反映環境真實狀況，如果在取樣過程中，已經達到無人機各項動力參數的閾值，報警單元迅速啟動，該報警單元為無人機提供安全折返保障。

CO2氣體監測程序的下游環節是CO2監測閾值上下限調整環節，該環節的設定是為了滿足不同工況條件下CO2數據標準不同，可以根據實驗標準進行上下限調整，進而滿足各類實驗要求。一旦超出該實驗要求，轉入超標報警環節。

三、優勢分析

1、有效彌補傳統監測方式不足，機動靈活：傳統監測大都停留在固定點位，或者是實驗室化監測層面，該設計靈活選擇掃描路徑與監測方位，不受地表因素（如道路與建筑等）限制，且準備時間短，出動速度快。

2、快速鎖定污染源：通過帶有經緯度標記的污染濃度數據和強大的數據可視化與分析軟件，可以快速定位污染源的位置與傳輸方向。利用作業隱蔽性強的特點，為環境監管部門提供行動指南，及時回應社會關切。

3、降低人身風險：在突發性環境污染事件中，可利用大氣監測無人機代替人工深入危險區域采集數據，確保人員安全;

4、全面分析：利用大氣監測無人機掃描不同高度下的三維污染濃度信息，可幫助有關部門了解污染的三維空間分布情況，進而捋清污染成因及傳輸特點，為大氣防治提供行動思路和依據。

四、未來應用前景

無人機平臺具有成本低、損耗小、可重復實驗且危險系數小等特點，在氣體監測領域推廣應用，可以為CO2氣體監測提供有力幫助，切實提高環境監測質量，從而讓環境監測工作更精準和高效。利用無人機對不同維度氣體快速監測，對于定性判斷污染程度以及防擴散外溢具有重要意義[6]。利用無人機平臺氣體監測過程中，仍需著力解決一些技術和標準規范層面的問題。

1、加大小型、輕型的氣體監測設備研發力度，減小無人機負載和自身空間限制等因素的影響。

2、擴展無人機平臺下氣體監測數據分析處理系統，提升人機互動體驗感

有助于提高在復雜工況環境下氣體導入監測水平。

3、無人機飛行高度受限，電池續航能力還有待提高，且在水域上空發生故障時難以回收。因此，需要加強監測現場環境的實地調查與研判，合理有效規劃無人機飛行航線，提高無人機操作的安全性。

4、針對無人機獲取的氣體監測指標數據，沒相關的標準、規范，其數據只能作為參考，怎樣和地面監測指標統一標準界定，實現空地一體化數據綜合使用，是無人機應用技術開發的一個研究方向。

五、結語

本文對基于無人機CO2濃度實時監測系統進行總體設計，對于設計中的四個主要單元進行了硬件選項及程序流程圖描述，實現無人機搭載CO2快速精準監測功能。通過多次系統調試及人機交互界面優化，實現了整體操作方便，靈活機動的系統性能，可以很好服務于行業應用。該設計的優勢分析，本文總結為四個方面，較為客觀全面的進行了總結。最后在未來應用前景中，肯定了該設計的重要意義，并提出需改進方向。

參考文獻：

[1]陳宇.2016.中國城市大氣污染的影響因素研究.[碩士學位論文].浙江大學

[2]魏順成. 基于無人機的大氣污染應急監測與溯源[D].杭州：浙江工業學，2020. [3][3]謝濤，劉銳，胡秋紅，鹿強，楊維順.2013.無人機大氣環境應急監測系統設計探討.環境科學與技術（S1）：289-293

[4]魏杰，戎征，邢昱等.無人機遙感技術在環境監測的應用研究[J].中國資源綜合利用2018，36（10）：196-198

[5]李琪.無人機在大氣環境監測中的應用[J]. 中國環保產業，2018（2）： 54-57.

[6]康曉風，于勇，張迪，王光，翟超英.2015.新形勢下環境監測科技發展現狀與展望[J].中國環境監測，（06）：5-8

作者簡介：

李冰皓，男，碩士研究生，主要從事電子應用研究。

基金來源：

邢臺市市級科技計劃（項目編號：2021ZC041）