空中环境监测系统传感器检测设计

[摘 要]本系统基于四旋翼飞行器携带环境检测传感器，采用stm32系列32位处理器作为主控制器，？包括数据探测节点、远程监控中心两部分，可对温度、光照、湿度等环境参数进行感知、采集、处理和传输，进而实现目标监测区内的温度、湿度、光照度等农业环境信息进行实时监测、可靠传输。

[关键词]环境监测；四旋翼飞行器；传感器检测；32位微处理器

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）01-0323-01

传感器技术作为信息技术的三大基础之一，是当前各发达国家竞相发展的高技术，是进入21世纪以来优先发展的十大顶尖技术之一。传感器技术所涉及的知识领域非常广泛，其研究和发展也越来越多地和其他学科技术的发展紧密联系。

传感器技术一般主要包括两部分：能与待测物反应的部分以及信号转换器部分。后者的作用是将与待测物反应后的变化转换成可被仪器识别的电学或光学信号。根据检测方法的不同，传感器可分为光学传感器，电化学传感器等皿；根据反应原理的不同，传感器可分为酶生物传感器、免疫传感器、化学传感器；根据检测对象不同，传感器可以分为液体传感器和气体传感器。

传感器技术与通信技术计算机技术相结合构成的智能传感器以其较高的精度良好的可靠性功能的多样性等特点在过程控制以及信号监测中得到人们的关注已成为当今国内外研究的一大热点本文设计了一种用于对环境信息进行实时监测的无线传感器系统在实际应用中能够对环境参数进行准确的测量并可靠传输体现了传感器系统数字化智能化无线化的优点。

传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置——传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达、五官不灵”。传感器技术是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学、材料科学等众多学科相互交叉的综合性高新技术密集型前沿技术之一。传感器已广泛应用于航天、航空、国防科研、信息产业、机械、电力、能源、交通、冶金、石油、建筑、邮电、生物、医学、环保、材料、灾害预测预防、农林、渔业生产、食品、烟酒制造、机器人、家电等诸多领域，可以说几乎渗透到每个领域。

细颗粒物又称细粒、细颗粒、PM2.5是 ，它能较长时间悬浮于空气中，其在空气中含量浓度越高，就代表空气污染越严重。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。目前，各国环保部门广泛采用的PM2.5测定方法有三种：重量法、β射线吸收法和微量振荡天平法。这三种方法的第一步是一样的，区别在于第二步。将PM2.5直接截留到滤膜上，然后用天平称重，这就是重量法。重量法是最直接、最可靠的方法，是验证其它方法是否准确的标杆。然而重量法需人工称重，程序繁琐费时。如果要实现自动监测，就需要用到另外两种方法。β射线吸收法：将PM2.5收集到滤纸上，然后照射一束beta射线，射线穿过滤纸和颗粒物时由于被散射而衰减，衰减的程度和PM2.5的重量成正比。根据射线的衰减就可以计算出PM2.5的重量。微量振荡天平法：一头粗一头细的空心玻璃管，粗头固定，细头装有滤芯。空气从粗头进，细头出，PM2.5就被截留在滤芯上。在电场的作用下，细头以一定频率振荡，该频率和细头重量的平方根成反比。于是，根据振荡频率的变化，就可以算出收集到的PM2.5的重量。由于我们是要将飞行器升入空中去检测，所以重量法没法完成。飞行器在空中飞行，相对来说没有在地面稳定，所以振荡天平法也不太精确，可靠。所以我们采用β射线吸收法来检测空中的pm2.5。

大多数国家都是建立的监控站来检测，我们采用的是用无人机来检测，这样可以更简洁、更明了、精确度也相对高一点。我们主要针对小区、学校这种小区域的范围来检测，范围小，灵活性强，它可以移动，在这个小区检测后，也可以应用到其他小区。

在测量PM2.5方法我们采用光吸收技术：当光波通过线性物质时，会与物质发生相互作用，光波一部分被介质吸收，转化为热能；一部分被介质散射，偏离了原来的传播方向，剩下的部分仍按原来的传播方向通过介质。透过部分的光强与入射光强之间符合朗伯一比尔定律。光吸收型粉尘浓度传感器以朗伯一比尔定律为基础，通过测量入射光强与出射光强，经过计算得到粉尘浓度，该法具有在高粉尘浓度情况下测量准确的特点。在传感器方面，本项目打算用PPD42NS粉尘传感器。

科学技术的进步为气体检测仪器仪表行业的发展提供了条件，市场和政府政策的推动、人们安全意识的提高、相关法规法律的完善是气体检测行业发展的核心动力，这些推动使气体检测仪器仪表行业处于产业高速增长期。从技术发展的角度看，根据使用传感器原理的不同，常见的气体检测仪器仪表各自有适用气体及应用领域，新技术新产品正在成为未来气体检测仪器仪表的主流。

目前，传感器技术已开始应用于各环境监测机构的应急检测，但是实际应用中有诸多的局限性，比如在对大气中的某些有害物质进行检测时，由于其含量往往低于传感器的最低检测限，因此在实际应用过程中，还需要进行气体的浓缩处理，这样就使传感器不容易实现微型化，或者需要借助更高灵敏度的传感器；纳米、薄膜技术等新材料研制技术的成功应用为气体传感器集成化和智能化提供了很好的前提条件。气体传感器将在充分利用微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术、故障诊断技术、智能技术等多学科综合技术的基础上得到发展。研制能够同时监测多种气体的全自动数字式的智能气体传感器将是该领域的重要研究方向。

参考文献

[1] 徐君丽、刘冀伟、王志良.基于无线网络的智能监控系统设计与实现[J]，微计算机信息，2005年第21卷第6期

[2] 孙利民、李建中、陈渝等.无线传感器网络[M]，清华大学出版社，2005年5月第1版

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作者简介：徐凯凯（1992-），男，中南民族大学在校本科生，研究方向：自动控制