基于無人機的大氣二氧化碳濃度實時監(jiān)測系統(tǒng)探討

李冰皓 許運華

摘 要：近年來頻頻出現(xiàn)的突發(fā)性氣體超標(biāo)排放事件，對傳統(tǒng)氣體監(jiān)測方式提出極大的挑戰(zhàn)?；跓o人機平臺的CO2監(jiān)測方式，可以破解固定點位監(jiān)測和測試人員暴露于取樣環(huán)境中的難題。該監(jiān)測方式，可以對樣本數(shù)據(jù)實時、精準(zhǔn)、高效傳輸，對于存在的問題及時預(yù)警，極大減輕從業(yè)人員工作強度，克服復(fù)雜環(huán)境對測試的影響。

關(guān)鍵詞：無人機平臺;樣本數(shù)據(jù);CO2監(jiān)測方式

一、前言

隨著社會的發(fā)展和全球工業(yè)化進(jìn)程的加快，人類對環(huán)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(zhàn)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，人類活動和工業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)生的增溫效應(yīng)占比可達(dá)63%。進(jìn)入21世紀(jì)以來，CO2的排放量大大增加，其濃度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了過去的幾個世紀(jì)，據(jù)測算，到本世紀(jì)中后期將達(dá)到500ppm[1]。當(dāng)前，國際組織在積極應(yīng)對碳排放問題，世界各國以全球協(xié)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(dá)峰、碳中和”被首次寫入政府工作報告，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)走向綠色可持續(xù)發(fā)展。

目前對大氣監(jiān)測研究，大多集中在對整個大氣CO2濃度變化進(jìn)行研究，即對工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)中的CO2濃度監(jiān)測，大多停留在固定點位監(jiān)測，或者實驗室化驗監(jiān)測。針對近期頻發(fā)的突發(fā)性CO2超標(biāo)排放事件，傳統(tǒng)的定點監(jiān)測難以滿足監(jiān)測需求，具備不同維度的快速監(jiān)測對于環(huán)境治理及污染擴散具有重大意義。要實現(xiàn)碳排放精準(zhǔn)控制，需要更加快捷、準(zhǔn)確、實時的區(qū)域性監(jiān)測方法。無人機技術(shù)的快速發(fā)展，使大氣環(huán)境監(jiān)測方法不再局限于固定點位監(jiān)測[2]。另外，無人機技術(shù)與傳感技術(shù)相結(jié)合，能夠有效彌補傳統(tǒng)監(jiān)測方式存在的不足，可實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)動態(tài)獲取、同步回傳、迅速預(yù)警，從而為大氣監(jiān)測提供了一種高效方式。

本文主要從無人機CO2濃度實時監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計、優(yōu)勢分析、未來應(yīng)用前景三方面進(jìn)行論述，旨在為無人機大規(guī)模應(yīng)用于氣體監(jiān)測提供可行性分析和理論支撐。繼而減輕從業(yè)者勞動強度，有力保障其人身安全，提升監(jiān)測時效和監(jiān)測精度。

二、無人機CO2濃度實時監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

從總體上說，要實現(xiàn)無人機上搭載CO2監(jiān)測裝置，對指定區(qū)域內(nèi)氣體濃度進(jìn)行實時監(jiān)測，可分為四個主要單元：無人機平臺選型和擴展單元，CO2監(jiān)測裝置和承載單元，遠(yuǎn)程控制單元、實時監(jiān)測程序設(shè)計單元[3]。總體設(shè)計方案如圖1-1所示。

1、CO2監(jiān)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(jiān)測裝置，基于無人機對于設(shè)備自身重量和監(jiān)測設(shè)備連續(xù)工作時間等因素，本文選取深圳元特科技有限公司生產(chǎn)的泵吸式CO2氣體監(jiān)測裝置，其型號為SKY6000-04，其實物如圖1-2所示。

該設(shè)備優(yōu)點是選用PID光離子傳感器，監(jiān)測精準(zhǔn)性高，3.5寸高清彩屏，無線通訊（選取藍(lán)牙、LORA、4G、WIFI等無線模塊，外置藍(lán)牙打印機，通過電腦和手機端可查看實時數(shù)據(jù)），內(nèi)置采樣泵，可實現(xiàn)為不同的氣體在諸多復(fù)雜環(huán)境定制氣流監(jiān)測，可以持續(xù)工作10小時。主要性能參數(shù)如表1-1所示。

氣體監(jiān)測承載裝置是系統(tǒng)設(shè)計中重要一項，其實際搭載位置需要結(jié)合無人機平臺獨立設(shè)計。本設(shè)計中因氣體監(jiān)測儀通過進(jìn)氣泵將氣體導(dǎo)入，氣體監(jiān)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(zhì)，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(shè)計選取當(dāng)下相對技術(shù)成熟的大疆多旋翼無人機大疆經(jīng)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(zhuǎn)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(xiàn)整體平穩(wěn)上升。另外，要實現(xiàn)指定區(qū)域內(nèi)CO2的監(jiān)測，需要多次、多點位反復(fù)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(xiàn)該功能。

二是考慮到現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集過程中，無人機作為氣體監(jiān)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(jiān)測精度，較少誤差。選取大疆經(jīng)緯M300 RT，電機轉(zhuǎn)速控制較為容易，可實現(xiàn)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(dá)9 kg，最大飛行海拔高度5000 m，最大可承受風(fēng)速15 m/s，工作環(huán)境溫度-20℃至 50℃等參數(shù)指標(biāo)，選取該型號作為無人機監(jiān)測平臺可滿足各項參數(shù)指標(biāo)。如圖1-3所示：

3遠(yuǎn)程控制單元

該控制單元的設(shè)計，基于為無人機搭載氣體監(jiān)測儀提供實時控制信號，可實現(xiàn)操作者在地面遠(yuǎn)程控制無人機搭載氣體監(jiān)測儀進(jìn)行氣體監(jiān)測。遠(yuǎn)程控制單元的設(shè)計，從監(jiān)測儀操作部分引出接線端，設(shè)計獨立的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對無人機和氣體監(jiān)測儀的兩路控制[4]。

遠(yuǎn)程控制單元基本功能包括：氣體監(jiān)測儀的工作狀態(tài)模塊，無人機工作狀態(tài)模塊，CO2監(jiān)測閾值上下限調(diào)整模塊，被測CO2超標(biāo)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(shè)計，可實現(xiàn)液晶屏在遠(yuǎn)程靈活控制無人機平臺和監(jiān)測儀實時工作狀態(tài)，對其飛行數(shù)據(jù)和氣體監(jiān)測實時數(shù)據(jù)清晰顯示。

4實時監(jiān)測程序設(shè)計單元

監(jiān)控程序設(shè)計單元，是基于遠(yuǎn)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(shè)計方案如圖1-4所示。本文采用C語言，運用keil環(huán)境進(jìn)行調(diào)試編輯工作。

獨立芯片主控制系統(tǒng)是本單元的核心模塊，無人機平臺動力程序和CO2氣體監(jiān)測程序同時與核心主控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出和反饋，并且二者由于是互相依附關(guān)系，實時同步進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以實現(xiàn)無人機平臺前提下的CO2氣體監(jiān)測。主控制系統(tǒng)與液晶屏之間建立雙向聯(lián)系，可實現(xiàn)人機互動，便于遠(yuǎn)程控制精準(zhǔn)化[5]。

無人機平臺動力程序的下游環(huán)節(jié)是無人機采樣點位科學(xué)化選取程序，該環(huán)節(jié)是為了確保氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信，保證取樣反映環(huán)境真實狀況，如果在取樣過程中，已經(jīng)達(dá)到無人機各項動力參數(shù)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(jiān)測程序的下游環(huán)節(jié)是CO2監(jiān)測閾值上下限調(diào)整環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)的設(shè)定是為了滿足不同工況條件下CO2數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不同，可以根據(jù)實驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行上下限調(diào)整，進(jìn)而滿足各類實驗要求。一旦超出該實驗要求，轉(zhuǎn)入超標(biāo)報警環(huán)節(jié)。

三、優(yōu)勢分析

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

2、快速鎖定污染源：通過帶有經(jīng)緯度標(biāo)記的污染濃度數(shù)據(jù)和強大的數(shù)據(jù)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(yè)隱蔽性強的特點，為環(huán)境監(jiān)管部門提供行動指南，及時回應(yīng)社會關(guān)切。

3、降低人身風(fēng)險：在突發(fā)性環(huán)境污染事件中，可利用大氣監(jiān)測無人機代替人工深入危險區(qū)域采集數(shù)據(jù)，確保人員安全;

4、全面分析：利用大氣監(jiān)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(guān)部門了解污染的三維空間分布情況，進(jìn)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(jù)。

四、未來應(yīng)用前景

無人機平臺具有成本低、損耗小、可重復(fù)實驗且危險系數(shù)小等特點，在氣體監(jiān)測領(lǐng)域推廣應(yīng)用，可以為CO2氣體監(jiān)測提供有力幫助，切實提高環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量，從而讓環(huán)境監(jiān)測工作更精準(zhǔn)和高效。利用無人機對不同維度氣體快速監(jiān)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(jiān)測過程中，仍需著力解決一些技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范層面的問題。

1、加大小型、輕型的氣體監(jiān)測設(shè)備研發(fā)力度，減小無人機負(fù)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(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，提升人機互動體驗感

有助于提高在復(fù)雜工況環(huán)境下氣體導(dǎo)入監(jiān)測水平。

3、無人機飛行高度受限，電池續(xù)航能力還有待提高，且在水域上空發(fā)生故障時難以回收。因此，需要加強監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境的實地調(diào)查與研判，合理有效規(guī)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(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)，沒相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，其數(shù)據(jù)只能作為參考，怎樣和地面監(jiān)測指標(biāo)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)界定，實現(xiàn)空地一體化數(shù)據(jù)綜合使用，是無人機應(yīng)用技術(shù)開發(fā)的一個研究方向。

五、結(jié)語

本文對基于無人機CO2濃度實時監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計，對于設(shè)計中的四個主要單元進(jìn)行了硬件選項及程序流程圖描述，實現(xiàn)無人機搭載CO2快速精準(zhǔn)監(jiān)測功能。通過多次系統(tǒng)調(diào)試及人機交互界面優(yōu)化，實現(xiàn)了整體操作方便，靈活機動的系統(tǒng)性能，可以很好服務(wù)于行業(yè)應(yīng)用。該設(shè)計的優(yōu)勢分析，本文總結(jié)為四個方面，較為客觀全面的進(jìn)行了總結(jié)。最后在未來應(yīng)用前景中，肯定了該設(shè)計的重要意義，并提出需改進(jìn)方向。

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作者簡介：

李冰皓，男，碩士研究生，主要從事電子應(yīng)用研究。

基金來源：

邢臺市市級科技計劃（項目編號：2021ZC041）