空中環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)傳感器檢測設計

[摘 要]本系統(tǒng)基于四旋翼飛行器攜帶環(huán)境檢測傳感器，采用stm32系列32位處理器作為主控制器，？包括數(shù)據(jù)探測節(jié)點、遠程監(jiān)控中心兩部分，可對溫度、光照、濕度等環(huán)境參數(shù)進行感知、采集、處理和傳輸，進而實現(xiàn)目標監(jiān)測區(qū)內的溫度、濕度、光照度等農業(yè)環(huán)境信息進行實時監(jiān)測、可靠傳輸。

[關鍵詞]環(huán)境監(jiān)測；四旋翼飛行器；傳感器檢測；32位微處理器

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）01-0323-01

傳感器技術作為信息技術的三大基礎之一，是當前各發(fā)達國家競相發(fā)展的高技術，是進入21世紀以來優(yōu)先發(fā)展的十大頂尖技術之一。傳感器技術所涉及的知識領域非常廣泛，其研究和發(fā)展也越來越多地和其他學科技術的發(fā)展緊密聯(lián)系。

傳感器技術一般主要包括兩部分：能與待測物反應的部分以及信號轉換器部分。后者的作用是將與待測物反應后的變化轉換成可被儀器識別的電學或光學信號。根據(jù)檢測方法的不同，傳感器可分為光學傳感器，電化學傳感器等皿；根據(jù)反應原理的不同，傳感器可分為酶生物傳感器、免疫傳感器、化學傳感器；根據(jù)檢測對象不同，傳感器可以分為液體傳感器和氣體傳感器。

傳感器技術與通信技術計算機技術相結合構成的智能傳感器以其較高的精度良好的可靠性功能的多樣性等特點在過程控制以及信號監(jiān)測中得到人們的關注已成為當今國內外研究的一大熱點本文設計了一種用于對環(huán)境信息進行實時監(jiān)測的無線傳感器系統(tǒng)在實際應用中能夠對環(huán)境參數(shù)進行準確的測量并可靠傳輸體現(xiàn)了傳感器系統(tǒng)數(shù)字化智能化無線化的優(yōu)點。

傳感器技術是一項當今世界令人矚目的迅猛發(fā)展起來的高新技術之一，也是當代科學技術發(fā)展的一個重要標志，它與通信技術、計算機技術構成信息產業(yè)的三大支柱。如果說計算機是人類大腦的擴展，那么傳感器就是人類五官的延伸，當集成電路、計算機技術飛速發(fā)展時，人們才逐步認識信息攝取裝置——傳感器沒有跟上信息技術的發(fā)展而驚呼“大腦發(fā)達、五官不靈”。傳感器技術是測量技術、半導體技術、計算機技術、信息處理技術、微電子學、光學、聲學、精密機械、仿生學、材料科學等眾多學科相互交叉的綜合性高新技術密集型前沿技術之一。傳感器已廣泛應用于航天、航空、國防科研、信息產業(yè)、機械、電力、能源、交通、冶金、石油、建筑、郵電、生物、醫(yī)學、環(huán)保、材料、災害預測預防、農林、漁業(yè)生產、食品、煙酒制造、機器人、家電等諸多領域，可以說幾乎滲透到每個領域。

細顆粒物又稱細粒、細顆粒、PM2.5是 ，它能較長時間懸浮于空氣中，其在空氣中含量濃度越高，就代表空氣污染越嚴重。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質量和能見度等有重要的影響。目前，各國環(huán)保部門廣泛采用的PM2.5測定方法有三種：重量法、β射線吸收法和微量振蕩天平法。這三種方法的第一步是一樣的，區(qū)別在于第二步。將PM2.5直接截留到濾膜上，然后用天平稱重，這就是重量法。重量法是最直接、最可靠的方法，是驗證其它方法是否準確的標桿。然而重量法需人工稱重，程序繁瑣費時。如果要實現(xiàn)自動監(jiān)測，就需要用到另外兩種方法。β射線吸收法：將PM2.5收集到濾紙上，然后照射一束beta射線，射線穿過濾紙和顆粒物時由于被散射而衰減，衰減的程度和PM2.5的重量成正比。根據(jù)射線的衰減就可以計算出PM2.5的重量。微量振蕩天平法：一頭粗一頭細的空心玻璃管，粗頭固定，細頭裝有濾芯。空氣從粗頭進，細頭出，PM2.5就被截留在濾芯上。在電場的作用下，細頭以一定頻率振蕩，該頻率和細頭重量的平方根成反比。于是，根據(jù)振蕩頻率的變化，就可以算出收集到的PM2.5的重量。由于我們是要將飛行器升入空中去檢測，所以重量法沒法完成。飛行器在空中飛行，相對來說沒有在地面穩(wěn)定，所以振蕩天平法也不太精確，可靠。所以我們采用β射線吸收法來檢測空中的pm2.5。

大多數(shù)國家都是建立的監(jiān)控站來檢測，我們采用的是用無人機來檢測，這樣可以更簡潔、更明了、精確度也相對高一點。我們主要針對小區(qū)、學校這種小區(qū)域的范圍來檢測，范圍小，靈活性強，它可以移動，在這個小區(qū)檢測后，也可以應用到其他小區(qū)。

在測量PM2.5方法我們采用光吸收技術：當光波通過線性物質時，會與物質發(fā)生相互作用，光波一部分被介質吸收，轉化為熱能；一部分被介質散射，偏離了原來的傳播方向，剩下的部分仍按原來的傳播方向通過介質。透過部分的光強與入射光強之間符合朗伯一比爾定律。光吸收型粉塵濃度傳感器以朗伯一比爾定律為基礎，通過測量入射光強與出射光強，經過計算得到粉塵濃度，該法具有在高粉塵濃度情況下測量準確的特點。在傳感器方面，本項目打算用PPD42NS粉塵傳感器。

科學技術的進步為氣體檢測儀器儀表行業(yè)的發(fā)展提供了條件，市場和政府政策的推動、人們安全意識的提高、相關法規(guī)法律的完善是氣體檢測行業(yè)發(fā)展的核心動力，這些推動使氣體檢測儀器儀表行業(yè)處于產業(yè)高速增長期。從技術發(fā)展的角度看，根據(jù)使用傳感器原理的不同，常見的氣體檢測儀器儀表各自有適用氣體及應用領域，新技術新產品正在成為未來氣體檢測儀器儀表的主流。

目前，傳感器技術已開始應用于各環(huán)境監(jiān)測機構的應急檢測，但是實際應用中有諸多的局限性，比如在對大氣中的某些有害物質進行檢測時，由于其含量往往低于傳感器的最低檢測限，因此在實際應用過程中，還需要進行氣體的濃縮處理，這樣就使傳感器不容易實現(xiàn)微型化，或者需要借助更高靈敏度的傳感器；納米、薄膜技術等新材料研制技術的成功應用為氣體傳感器集成化和智能化提供了很好的前提條件。氣體傳感器將在充分利用微機械與微電子技術、計算機技術、信號處理技術、傳感技術、故障診斷技術、智能技術等多學科綜合技術的基礎上得到發(fā)展。研制能夠同時監(jiān)測多種氣體的全自動數(shù)字式的智能氣體傳感器將是該領域的重要研究方向。

參考文獻

[1] 徐君麗、劉冀偉、王志良.基于無線網絡的智能監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]，微計算機信息，2005年第21卷第6期

[2] 孫利民、李建中、陳渝等.無線傳感器網絡[M]，清華大學出版社，2005年5月第1版

基金項目：基金項目類別（編號）；基金項目類別（編號）

作者簡介：徐凱凱（1992-），男，中南民族大學在校本科生，研究方向：自動控制