小型四旋翼無人機(jī)空氣質(zhì)量監(jiān)測儀設(shè)計(jì)

趙慶展+張?zhí)煲?陳洪

摘 要： 及時(shí)有效地獲取空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)是大氣環(huán)境保護(hù)的前提和基礎(chǔ)。針對現(xiàn)有固定點(diǎn)監(jiān)測手段空間覆蓋度不足、成本高、靈活性差等問題，設(shè)計(jì)一種基于小型四旋翼無人機(jī)為飛行平臺(tái)，Arduino UNO開發(fā)板外接MG811，DSM501A，DHT11，MQ?7傳感器為硬件平臺(tái)，Arduino IDE編譯器為軟件平臺(tái)的監(jiān)測儀。采用接觸式周期采樣方法獲取環(huán)境數(shù)據(jù)模擬值，建立與傳感器靈敏度關(guān)系，使用Matlab中CURVE FITTING TOOL對傳感器靈敏度與被測物濃度關(guān)系進(jìn)行擬合分析。擬合后，可決系數(shù)大于0.98，方差小于0.1。該自主設(shè)計(jì)的監(jiān)測儀具有成本低、易操作、靈活方便的優(yōu)點(diǎn)，并可擴(kuò)展其他類型傳感器以滿足不同的測量環(huán)境要求。

關(guān)鍵詞： 空氣質(zhì)量監(jiān)測； 小型四旋翼無人機(jī)； Arduino UNO； 周期采樣； 擬合分析

中圖分類號(hào)： TN104?34； TN710； TP212.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）24?0094?06

Abstract： The timely and effective acquisition of air quality data is the premise and foundation of atmospheric environmental protection. In view of the insufficient space coverage， high cost and poor flexibility existing in the fixed?point monitoring means， a monitor is designed， which takes the small quadrotor UAV n as its flight platform， the Arduino UNO development board connecting MG811， DSM501A， DHT11 and MQ?7 sensors outside as its hardware platform， and the Arduino IDE compiler as its software platform. The contact?type periodic sampling method is used to acquire the simulation value of environmental data， and establish the relationship between the sensitivity of the sensor and simulation value. The CURVE FITTING TOOL in Matlab is adopted to conduct fitting analysis for the sensitivity of the sensor and concentration of analyte. The fitting results show that the coefficient of determination is above 0.98， and the variance is less than 0.1. The autonomously?designed monitor has the advantages of low cost， easy operation， flexible and convenient use， and can be extended to other types of sensors to meet the requirements of different measurement environments.

Keywords： air quality monitoring； small quadrotor UAV； Arduino UNO； periodic sampling； fitting analysis

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)水平和工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，大氣環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重并受到廣泛關(guān)注。2015年1月1日實(shí)施的新《環(huán)境保護(hù)法》明確要求國家建立、健全環(huán)境監(jiān)測制度[1]。目前的環(huán)境監(jiān)測方式包括在地面等建筑物設(shè)立固定監(jiān)測點(diǎn)、采用移動(dòng)車測量或在大尺度范圍內(nèi)使用衛(wèi)星遙感等，但仍存在監(jiān)測覆蓋度低、技術(shù)要求高、周期長等局限性。因此，如何快速、實(shí)時(shí)、低成本地獲取現(xiàn)場第一時(shí)間數(shù)據(jù)成為研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[2]。小型四旋翼無人機(jī)具有可靠性高、成本低、靈活性好、操作簡單、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，已在多種場合驗(yàn)證了其可靠性和應(yīng)用性[3]。

國內(nèi)外學(xué)者對環(huán)境監(jiān)測儀的研究工作普遍圍繞地面與衛(wèi)星遙感監(jiān)測平臺(tái)展開[4?7]，隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，近幾年來以無人機(jī)為監(jiān)測平臺(tái)進(jìn)行了有益嘗試。中科院安徽光機(jī)所利用大氣物理研究所的微型機(jī)平臺(tái)，搭載自主研發(fā)的差分吸收光譜儀，成功獲取了二氧化氮的三維時(shí)空分布狀況[8]；東華理工大學(xué)牛記設(shè)計(jì)的基于六旋翼無人機(jī)的PM2.5 近地層垂直分布測量系統(tǒng)[9]實(shí)現(xiàn)了對PM2.5 在空中垂直方向上的分布規(guī)律研究；天津大學(xué)郭堅(jiān)等人設(shè)計(jì)了基于SIM908的空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)，利用GPS和GPRS技術(shù)，完成對空氣質(zhì)量的精確定位監(jiān)測[10]；在國外，美國MIDAC公司研制的Titan 氣體分析儀實(shí)現(xiàn)了機(jī)載作業(yè)和氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的一體化[11]；法國阿爾法莫斯儀器公司將小型電子鼻（E?Nose）搭載到SCANCOPTER X6 無人機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)惡臭氣體的偵測[12]。上述研究都實(shí)現(xiàn)了對大氣中一種或多種污染物的監(jiān)測工作，自主性強(qiáng)、便于實(shí)現(xiàn)，但存在設(shè)計(jì)成本高、監(jiān)測范圍小、推廣難、拓展性不強(qiáng)等局限性。本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)以小型四旋翼為飛行平臺(tái)，成本低、便于操作，尤其可擴(kuò)展多種傳感器適用于不同場合的監(jiān)測任務(wù)，對應(yīng)急條件下的大氣監(jiān)測具有一定實(shí)用性。endprint

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.1 小型四旋翼飛行平臺(tái)

小型四旋翼是一種能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降、自主懸停的非共軸式多旋翼飛行器[13]。本設(shè)計(jì)選用F450型飛行器，最大起飛重量約2 kg，使用3SLi?Po電池，續(xù)航時(shí)間8 min，整個(gè)系統(tǒng)總計(jì)重1.1 kg，具有GPS模式、姿態(tài)模式、自主巡航模式，可支持地面站軟件控制飛行。

1.2 微型環(huán)境監(jiān)測儀

微型環(huán)境監(jiān)測儀選用ATmega328作為核心主控板，測量所用傳感器主要包括溫濕度傳感器、顆粒物傳感器、二氧化碳傳感器、一氧化碳傳感器，還包括一個(gè)SD卡讀寫模塊，系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

1.3 硬件電路選擇

采集系統(tǒng)硬件電路主要包括Arduino UNO開發(fā)板、電源電路、晶振電路、溫濕度電路、氣體監(jiān)測電路、顆粒物監(jiān)測、SD卡讀寫電路等，如圖2所示。

1.3.1 Arduino UNO開發(fā)板

Arduino是基于ATMEL AVR 單片機(jī)的開放式源碼硬件平臺(tái)，具有專門的開發(fā)環(huán)境。Arduino UNO核心處理單元ATmega328包含14路數(shù)字輸入/輸出接口、6路PWM輸出、6路模擬量輸出、一個(gè)16 MHz晶振、一個(gè)USB接口，一個(gè)ICSP接口和復(fù)位按鈕[14]。

1.3.2 溫濕度傳感器DHT11

DHT11傳感器是一種含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)。DHT11可測出實(shí)時(shí)的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，溫度范圍為在0～50 ℃，檢測精度為1 ℃；濕度檢測范圍[15]為20%～90%RH，檢測精度為1%RH。模塊有4個(gè)電氣引腳：VCC接電源正極、GND接地、NC懸空、DATA串行數(shù)據(jù)端，與單片機(jī)連接如圖2中的J4。

1.3.3 二氧化碳傳感器MG811

MG811固體電解質(zhì)傳感器由固體電解質(zhì)、金電極、加熱器、鉑引線等組成。模塊包含信號(hào)放大電路和溫度補(bǔ)償電路，溫度補(bǔ)償電路由電阻構(gòu)成，信號(hào)放大電路采用集成運(yùn)放CA3140放大3倍。MG811模塊放入檢測氣體中發(fā)生如下電化學(xué)反應(yīng)：

式中：EMF表示電勢差；表示二氧化碳分壓；R為氣體常量；Ec為常量；T為溫度；F為法拉第常量[16?17]。MG811共有5個(gè)引腳：VCC電源正極、GND電源負(fù)極、DOUT數(shù)字量輸出、AOUT模擬量輸出、TCM溫度補(bǔ)償輸出。與單片機(jī)連接如圖2中的J2。

1.3.4 DSM501A灰塵傳感器

DSM501A傳感器是由SYHITECH公司研制，對顆粒物最小分辨率1 μm，DSM501采用光散射原理計(jì)算粒子數(shù)目[18]。微小顆粒物經(jīng)加熱器加熱運(yùn)動(dòng)到LED照射區(qū)，不同濃度的顆粒物對應(yīng)不同的光線散射程度，散射光線經(jīng)透鏡被光電轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化為PWM波。通過傳感器輸出的低脈沖率計(jì)算顆粒物濃度，原理如圖3所示。DSM501A共有5個(gè)引腳，與單片機(jī)連接如圖2中的J3，其中引腳1為控制腳，通過在此腳與GND 之間加一個(gè)電阻調(diào)整Vout 1 的靈敏度。

1.3.5 MQ?7一氧化碳傳感器

MQ?7傳感器是一種半導(dǎo)體氣體傳感器，采用全微電子工藝制成，具有靈敏度高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。探測范圍為10～1 000 ppm。MQ?7 傳感器為四端元件，與單片機(jī)連接如圖2中的J1，其中 2，4 引腳為加熱器的電源接線端，1，3 引腳為傳感器輸出端。圖4是傳感器的基本測試電路。

該傳感器需要施加 2 個(gè)電壓：加熱器電壓（VH）和測試電壓（VC）。其中VH用于為傳感器提供特定的工作溫度，VC用于測定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻（RL）電壓（VRL）。MQ?7 氣體傳感器采用高低溫循環(huán)檢測方式，低溫1.5 V 加熱時(shí)，檢測一氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度增加而增大；高溫（5.0 V加熱）清洗低溫時(shí)吸附的雜散氣體，使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號(hào)[19]。

1.3.6 SD卡模塊

MICRO SD 卡讀寫模塊，通過文件系統(tǒng)及SPI接口驅(qū)動(dòng)程序，即可完成文件讀寫功能。模塊供電電壓為4.5～5.5 V，板載3.3 V穩(wěn)壓電路，標(biāo)準(zhǔn)SPI通信接口，共有6個(gè)電氣引腳，其中MISO，MOSI，CLK為SPI總線，CS為片選信號(hào)，與單片機(jī)連接如圖2中的U2。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 Arduino IDE

Arduino IDE是一款專門針對Arduino開發(fā)板程序的軟件編譯器，界面如圖5（a）所示，可完成程序的編譯、調(diào)試、上傳等任務(wù)。在電腦安裝OpenJumper??Serial?Assistant?1.3.6串口調(diào)試助手，用USB線連接Arduino UNO至電腦，選擇正確的COM口版型號(hào)、波特率等內(nèi)容，即可實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)發(fā)送、接收狀況，如圖5（b）所示。

2.2 系統(tǒng)軟件流程

空氣環(huán)境參數(shù)獲取系統(tǒng)軟件主要由三大功能模塊組成。系統(tǒng)上電預(yù)熱，完成傳感器、SD卡等初始化，通過溫度、氣體、顆粒物傳感器獲取當(dāng)前環(huán)境被測物的數(shù)據(jù)，進(jìn)行信號(hào)調(diào)理處理，傳送至Arduino處理單元內(nèi)部，輸出數(shù)據(jù)相對應(yīng)的模擬值，結(jié)合傳感器的特性將模擬量轉(zhuǎn)化為相對應(yīng)的濃度數(shù)值。Arduino處理單元將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至SD卡中，生成.csv文件，在電腦端讀取，進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化及分析處理等后續(xù)工作。

系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。

3 數(shù)據(jù)擬合與數(shù)學(xué)模型建立

Matlab曲線擬合工具箱提供了可視化的圖形界面進(jìn)行曲線擬合，圖形界面操作簡單、方便，無需編寫復(fù)雜的代碼，可在簡單易用的界面中快速地實(shí)現(xiàn)多種基本的曲線擬合。實(shí)驗(yàn)選取石河子市兩個(gè)大氣環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)之一石河子大學(xué)東校區(qū)作為采集區(qū)域，采用接觸式周期采樣方法，采集到環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)站每個(gè)整點(diǎn)時(shí)刻公布的官網(wǎng)數(shù)據(jù)，觀測值的采集時(shí)間與官方網(wǎng)站時(shí)刻點(diǎn)一致，連續(xù)采集4天，每天采集6組數(shù)據(jù)（時(shí)刻點(diǎn)為11時(shí)，12時(shí)，13時(shí)，16時(shí)，18時(shí)、19時(shí)）。對每個(gè)時(shí)刻點(diǎn)采取多次測量求平均值方式輸出觀測值，以30 s為一個(gè)采樣周期，連續(xù)采集10次，每個(gè)點(diǎn)采集5 min。6月29日—7月2日部分采集數(shù)據(jù)如圖7所示。endprint

3.1 MG811擬合分析與模型建立

MG811的輸出電勢和濃度之間關(guān)系如圖8（a）所示。

查閱文獻(xiàn)[16?17]可得MG811的電勢差（EMF）和二氧化碳濃度滿足一定曲線關(guān)系，對應(yīng)參數(shù)如表1所示。

傳感器的電勢差（EMF）與二氧化碳濃度之間滿足指數(shù)數(shù)學(xué)模型，對表中數(shù)據(jù)作指數(shù)擬合，選擇number of terms為2（數(shù)據(jù)兩峰），擬合曲線如圖8（b）所示，擬合的關(guān)系式如下：

決定系數(shù)R?square=0.989 7，標(biāo)準(zhǔn)差RMSE=4.911，擬合結(jié)果較好地反映了傳感器元件與對應(yīng)二氧化碳濃度之間的數(shù)學(xué)模型。

3.2 DSM501低脈沖率與粒子數(shù)數(shù)學(xué)模型建立

根據(jù)手冊及文獻(xiàn)[18]，DSM501A測得的低脈沖率與粒子數(shù)關(guān)系如表2所示。

低脈沖率與粒子數(shù)之間滿足線性關(guān)系，故使用Matlab作線性擬合，擬合結(jié)果如圖9所示。

擬合后，最大、最小粒子與對應(yīng)的低脈沖率之間的關(guān)系如下：

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，擬合方差SSEmin=0.03，SSEmax=0，決定系數(shù)R?square=1，標(biāo)準(zhǔn)差RMSEmin=0.031 6，RMSEmax=0，擬合結(jié)果較好。

3.3 MQ?7靈敏度與濃度數(shù)學(xué)模型建立

MQ?7氣體傳感器在不同氣體中氣敏原件靈敏度與對應(yīng)氣體的濃度關(guān)系如圖10（a）所示，隨氣體濃度的增加而減小。查閱文獻(xiàn)[19]可得傳感器測量負(fù)載電阻與傳感器敏感元件電阻對應(yīng)關(guān)系為。傳感器的核心是一個(gè)感應(yīng)電阻，在加熱狀態(tài)下，它的阻值會(huì)隨著空氣中不同氣體含量的變化而變化。通過它輸出的點(diǎn)位信息可以反映出感應(yīng)電阻的阻值和可調(diào)電阻的阻值比，知道了可調(diào)電阻的阻值，就可以計(jì)算出傳感器的阻值。

查閱MQ?7傳感器技術(shù)手冊和文獻(xiàn)[20]得到傳感器靈敏度與CO濃度對應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。

查閱資料對靈敏度和CO濃度做指數(shù)擬合，選擇number of terms為2（數(shù)據(jù)兩峰），擬合曲線見圖10（b），擬合后數(shù)學(xué)模型如下：

擬合后方差SSE=0.000 15，決定系數(shù)R?square=0.999 8，標(biāo)準(zhǔn)差RMSE=0.008 78，擬合結(jié)果較好地反映了傳感器靈敏元件與對應(yīng)顆粒物之間的濃度數(shù)學(xué)模型。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的空氣參數(shù)獲取系統(tǒng)以小型四旋翼無人機(jī)為飛行平臺(tái)，在保證飛行器可靠性的情況下，搭載了Arduino UNO+多種傳感器組合的空氣數(shù)據(jù)采集裝置，完成了低空數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)、PM2.5濃度數(shù)據(jù)、二氧化碳濃度數(shù)據(jù)、一氧化碳數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、快捷采集，并將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡中，進(jìn)行后續(xù)可視化及分析處理。系統(tǒng)價(jià)格低廉、輕便簡捷、擴(kuò)展性強(qiáng)，搭載不同傳感器即可完成不同環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集工作。綜合考慮，系統(tǒng)仍有不足：

（1） 本設(shè)計(jì)采用SD卡存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)，未實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線傳輸功能；

（2） 系統(tǒng)工作時(shí)間受到四旋翼飛行器續(xù)航能力的限制，不能實(shí)現(xiàn)長時(shí)采集工作。

針對以上缺陷，對于該設(shè)計(jì)今后仍需在飛行平臺(tái)選型、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫孢M(jìn)行不斷研究。

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