小型飛行式空氣探測(cè)儀的設(shè)計(jì)

西安文理學(xué)院 葉晨霏 唐宜會(huì) 徐 碩 白絲雨

近年來(lái)，工業(yè)技術(shù)日新月異的發(fā)展，給人類的生產(chǎn)生活帶來(lái)的翻天覆地的的變化，但空氣中的有害氣體也日益增多。據(jù)測(cè)量，空氣中存在的揮發(fā)性有機(jī)物達(dá)500多種，其中含200多種致病病毒，20多種致癌物，包括甲醛、苯、氨、氡、三氯乙烯以及酯等有害氣體。大量事實(shí)表明，空氣污染已直接威脅到人體健康，如何治理和改善空氣污染已成為全球聚焦的熱點(diǎn)問(wèn)題。

當(dāng)今是一個(gè)快節(jié)奏的社會(huì)，提倡的是便攜易控，普通的探測(cè)器在地面或者墻壁上并不能有效地檢測(cè)出氣體的濃度，所以飛行是必不可少的，并且可以在后臺(tái)進(jìn)行分析，為空氣質(zhì)量提供保障。通過(guò)比較多種空氣探測(cè)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)紅外技術(shù)傅里葉變換紅外（FTIR）儀表在通常的應(yīng)用中數(shù)最精確的氣體技術(shù)，它舉要良好的靈敏度和極低的誤報(bào)率，沒(méi)有消耗備件，但由于價(jià)格昂貴，退求其次選擇激光氣體分析儀和其他傳感器相互配合，其通過(guò)分析氣體的選擇性吸收來(lái)獲得氣體的濃度。

本文詳細(xì)介紹了氣體傳感器以及飛行器的工作原理、設(shè)備組成和硬件設(shè)計(jì)。最后，通過(guò)室外環(huán)境以及工廠的試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性和數(shù)據(jù)處理的有效性。

1 設(shè)計(jì)概況

氣體探測(cè)系統(tǒng)：

（1）空氣質(zhì)量

空氣中污染物濃度的高低決定了空氣污染的程度，同時(shí)也反映了空氣質(zhì)量的好壞，來(lái)源于固定和流動(dòng)污染源的人為污染物排放大小是影響空氣質(zhì)量的最主要因素之一，如表1所示。

表1 空氣質(zhì)量分指數(shù)及對(duì)應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度指數(shù)表

（2）危險(xiǎn)氣體探測(cè)

當(dāng)有害氣體發(fā)生泄露即將引發(fā)危險(xiǎn)時(shí)，空氣探測(cè)儀可以及時(shí)的探測(cè)出危險(xiǎn)并發(fā)出預(yù)警信號(hào)，提醒現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)人員采取相應(yīng)的保護(hù)措施，并保障生產(chǎn)設(shè)備能夠安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 主要模塊介紹

2.1 傳感器模塊

探測(cè)器的核心硬件我們采用可檢測(cè)氣體的萬(wàn)用板：PCB底板作為S5開(kāi)發(fā)板以及小LCD液晶屏、多種傳感器與圖傳天線（SAM ipex mmcx天線接口）。PCB板用來(lái)提供集成電路等各種電子元器件固定、裝配的機(jī)械支撐，通過(guò)電子元器件之間的電氣連接、布線、電絕緣和信號(hào)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)特性阻抗等相應(yīng)的電氣特性。常用的傳感器原件包括有：

（1）G5—PMS5003/G5ST：這款數(shù)字式通用傳感器基于激光散射原理，能夠連續(xù)地計(jì)算出顆粒物濃度分布，即單位體積空氣中不同粒徑的懸浮顆粒物個(gè)數(shù)，并將其換算成質(zhì)量濃度，并通過(guò)通用數(shù)字接口輸出。

（2）COH-A1：即雙氣一氧化碳/硫化氫傳感器，可靈敏的檢測(cè)出空氣中的一氧化碳和硫化氫。此款傳感器的安裝可以顯著降低氣體探測(cè)器的外形尺寸和成本，是一款采用了新方法的雙氣體傳感器，多年來(lái)在氣體探測(cè)領(lǐng)域有著良好的業(yè)績(jī)記錄。

（3）TGS2611，可燃?xì)怏w傳感器/天然氣傳感器，對(duì)甲烷氣體具有很高的靈敏度，并且低功耗。

2.2 飛行器構(gòu)造

動(dòng)力部分的配置有四軸飛行器無(wú)刷電機(jī)，電子調(diào)速器，螺旋槳，飛行控制板，其主控芯片為STM32F103C8T6無(wú)線芯片，SI24R1，電池采用11.1v航模動(dòng)力電池，遙控器（最低四通道遙控器），ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片，機(jī)架，以及充電器。無(wú)刷電機(jī)具有高效率、低能耗、低噪音、超長(zhǎng)壽命、高可靠性、可伺服控制、無(wú)級(jí)變頻調(diào)速、相對(duì)低成本且簡(jiǎn)單易用等優(yōu)點(diǎn)。電子調(diào)速器通過(guò)改變可控硅導(dǎo)通角的大小，起到控制輸出電壓高低的作用。

3 其他功能

3.1 半自動(dòng)飛行掃描設(shè)計(jì)

無(wú)需隨時(shí)隨刻操控飛行控制板，飛行器可以選擇你所規(guī)劃的大致路線飛行并進(jìn)行掃描，或者也可成為你的“跟屁蟲(chóng)”，在你的身邊保駕護(hù)航。

主要原件如下：

（1）上下前后雷達(dá)，用于測(cè)量飛行器與四周障礙的距離，盡量避免碰撞。

（2）位置傳感器，即GPS定位，防止跑出測(cè)試范圍外。

（3）兩端單收超聲波模塊與遙控器上的一個(gè)單發(fā)超聲波模塊。

3.1.1 自動(dòng)跟隨模式（確定高度后）

自動(dòng)跟隨解決方案大體上分兩類，一種是“聽(tīng)”，一種是“看”?！奥?tīng)”就是聽(tīng)信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)就是近，信號(hào)弱即是遠(yuǎn)，通常都是三點(diǎn)定位。

測(cè)量原理如圖1所示，選用單發(fā)單收的超聲波模塊進(jìn)行測(cè)距，在飛行器上的兩端各安裝一個(gè)單收超聲波，遙控器上安裝一個(gè)單發(fā)的超聲波模塊。這樣左側(cè)與右側(cè)離人的距離就構(gòu)成了一個(gè)三角形。簡(jiǎn)單示意圖如圖1所示。當(dāng)飛行器正對(duì)著人時(shí)，距離A=B，當(dāng)人左拐時(shí)，A必定小于B，同理當(dāng)人右拐時(shí)，A大于B。當(dāng)人向前走時(shí)，A和B的距離必定大于設(shè)定距離。由此可獲得遙控器的距離以及人的行走路線，來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行器的自動(dòng)跟隨功能。

圖1 超聲波測(cè)距原理圖

3.1.2 半自主掃描模式

可以在電腦上設(shè)定飛行起始航點(diǎn)、飛行高度、速度以及各個(gè)檢查點(diǎn)的掃描時(shí)間并導(dǎo)入到飛行器中，實(shí)現(xiàn)周期性掃描。

3.2 監(jiān)控模式和安全要素

為了能夠更好的觀察與記錄探測(cè)實(shí)況，我們?cè)谔綔y(cè)器的前端保留了放置網(wǎng)絡(luò)攝像頭的位置，在需要的時(shí)候可以開(kāi)啟攝像頭進(jìn)行位置觀察，可利用手機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程管理與控制，并即時(shí)顯示記錄效果并且儲(chǔ)存下來(lái)，在日后需要的時(shí)候進(jìn)行回放，也用開(kāi)發(fā)板連接wifi把數(shù)據(jù)上傳到樂(lè)為物聯(lián)網(wǎng)，以便后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

考慮到探測(cè)器會(huì)在室內(nèi)進(jìn)行放置并使用，位于休息并且長(zhǎng)期居住的地方，那么安全方面便是需要考慮的首要因素，因此我們會(huì)根據(jù)探測(cè)器的形狀配置相對(duì)應(yīng)的底座，盡可能做到固定位置，在緊急情況下不會(huì)影響人們的安全，如果探測(cè)器放置后會(huì)產(chǎn)生安全隱患，那么再好的探測(cè)器也將不會(huì)被采用。同時(shí)我們也會(huì)保證探測(cè)器的清洗和維護(hù)方便。