基于BDS的空气质量监测系统集成设计

杨国林, 张健珲, 韩 峰, 刘 涛, 岳志龙, 贺嘉琪

(1. 兰州交通大学 测绘与地理信息学院, 甘肃 兰州 730070；2. 甘肃省地理国情监测工程实验室, 甘肃 兰州 730070；3. 兰州交通大学 建筑与城市规划学院, 甘肃 兰州 730070)

地面固定监测站监测近地表大气污染方法设备较多,已经为空气质量监测发挥了重要作用,但这种固定的空气质量监测站点的位置分布比较分散,移动不方便,对收集数据有很大的局限性,不能很好地探测特定区域、特定空间气体污染物分布情况[1-3]。基于北斗卫星导航系统(beidou navigation satellite system,BDS)的无人机空气监测系统不仅能适时地在需要监测的区域开展监测,同时将位置信息与该点空气质量数据一一对应,并利用记录模块将上述数据完整记录,能为空气质量空间分布的动态分析提供解决方案。

1 实验设计原理

本系统以单片机为核心,结合传感器监测技术和北斗定位模块、温湿度传感器和颗粒物传感器将检测到的现场数据通过端口传送给单片机,经单片机进行数据处理之后控制液晶显示器LCD1602显示出各环境参数,同时将环境数据以及位置信息匹配发送给数据记录模块。本设计将传感器探测与无人机技术有机结合,完成了在无人机飞行过程中进行空气颗粒物浓度、湿度等环境因素和位置信息的记录和匹配,为后续的数据分析及处理提供了条件[4-7]。借助北斗的空气监测无人机的设计,能够让学生深入了解卫星定位、传感器探测、无人机飞行控制等技术,并通过位置获取、坐标转换、空间可视化等数据处理过程,实现对污染物的时空分布情况表述[8-9]。

2 系统整体设计

2.1 系统整体结构设计

总体上，该系统可以分为颗粒物传感器、温湿度传感器、北斗定位模块、数据记录模块、 控制处理模块、无人机飞行模块等部分。其中无人机飞行模块相对独立。系统结构框见图1。

图1 系统总体结构框图

系统工作原理：首先确定区域进行航线规划,即根据待测定区域范围、高度及环境状况对无人机飞行进行计划,飞行过程中在控制器的协调下,温湿度、颗粒物传感器及定位模块同时工作,各模块将监测到的温湿度及颗粒物浓度等环境数据和位置信息实时传送给单片机,单片机将各数据进行综合处理和分析,将温湿度及颗粒物浓度利用显示部分显示出来,同时将这些数据连同对应的位置信息发送给数据记录模块,完成对空间特定点的空气微小颗粒物及温湿度的数据获取和记录。北斗定位模块获得的位置信息是建立空间分布模型的框架基础,能够确定特定点在坐标系下的坐标[10-11]。

2.2 模块设计

2.2.1 主控模块电路设计

本系统采用MCS-51系列单片机为核心处理器进行数据分析处理。在工业控制领域使用的单片处理器中,属51系列的8位单片机的使用最为普遍。设计选用的微处理器STC89C52内部自带8 K字节的存储器,工作电压低,性能稳定,而且能够完全适合工业级别的MCS-51指令集以及输出管脚分布。

单片机的最小系统(见图2)是简单电路,可以使该单片机保持正常的工作。该单片机的最小系统电路包含5个部分,分别为电源电路、时钟电路、复位电路、片内外程序存储器选择电路、输入/输出接口电路。其中前3个电路是保证单片机的控制系统维持正常运作的最基本的电路,不可或缺。

(1) 电源电路。单片机的VCC引脚连接直流电源正极,要求4～5.5 V之间的稳定电压,以保证系统正常运作。其GND引脚要求连接该直流电源的负极。一般在两电源引脚之间连接一个10 μF的电解电容和一个0.1 μF陶片电容,用以抑制杂波串扰,确保电路稳定,从而改善系统电路的抗干扰能力。

(2) 时钟电路。STC89C52单片机规定18引脚及19引脚连接外部晶振和电容,该单片机的工作频率在2～33 MHz范围,单片机工作频率由晶振的频率决定,一般选取的是11.0592 MHz。连接的2个电容通常取3 pF。

(3)复位电路。引脚RST上连续的24个工作主频周期的高电平可以使单片机完成复位。一般情况下,复位电路使引脚RST保持至少10 ms以上的高电平才能保证系统可靠复位。当系统在正常运行时,可通过按复位按钮的方法使单片机进行快速复位。

图2 单片机最小系统

2.2.2 北斗定位模块电路设计

北斗定位模块支持北斗和GPS双模卫星系统，采用3.3 V和5 V供电,可以方便接入3.3 V或者5 V单片机系统板载EEPROM,可掉电记忆设置的波特率和帧数据等设置信息。带有SMA和IPEX两种天线接口,方便选择自己需要的外置天线。PPS授时输出引脚,方便做时钟同步等应用。该北斗定位模块有定位导航、内置天线检测及天线短路保护功能。北斗定位模块与温湿度传感器、颗粒物传感器电路见图3。

图3 北斗定位模块与温湿度传感器、颗粒物传感器电路

2.2.3 温湿度传感器电路

用于检测环境中温湿度参数的传感器为DHT11[12]。芯片含有OTP内存,能够以程序的形式存放校准系数,这样可以为传感器在检测信号的后期处理过程做好准备。该传感器使用串行通信方式,仅需要1根数据线DATA便能够完成与STC89C52单片机之间的信息交换,其应用电路见图3(b)。

2.2.4 颗粒物传感器电路

系统的颗粒物浓度采集利用激光散射原理[13-14]:当激光照射到通过检测位置的颗粒物时会产生微弱的光散射,在特定方向上的光散射波形与颗粒直径有关,通过不同粒径的波形分类统计及换算公式可得到不同粒径的实时颗粒物的数量浓度,按照标定方法得到与官方单位统一的质量浓度。其应用电路见图3(c)。

2.2.5 显示模块电路

本系统采用的显示模块为LCD1602,所用的核心芯片为HD44780。该模块规定每行最多显示16个字符,可以同时显示2行数据。下载电路、显示模块电路设计如图4所示。

图4 下载电路和显示模块电路

2.2.6 数据记录模块电路

数据记录模块采用透明传输的方式,将串口送来的数据以文件(FAT32文件系统)形式存储于模块上的SD卡中。连接USB端口,该模块仿真成U盘,无需任何额外驱动程序,上位机可直接读取文件,也可将SD卡卸下直接由读卡器读出文件。该模块采用2线串口,将串口送来的数据透明保存成文件存储到SD卡上。不需任何协议或命令，不仅可适应多种容量的SD卡,还可由USB端口直接读出文件。

设计完成后进行PCB板的制作[15-17],根据上述各个模块的设计,制作了相应的 PCB板,部分电路板见图5。

图5 部分电路板图

2.3 系统软件设计

系统的工作流程：传感器监测到的温湿度、颗粒物浓度以及位置等信息传送到单片机控制处理模块,单片机将数据处理后在显示模块上实时显示,并把数据发送给数据记录模块进行记录。

主程序主要是调用各个子程序的C语言文件中定义的函数,实现温湿度传感器、LCD1602等初始化等操作,然后测量温湿度、颗粒物浓度、位置信息等数据,调用程序对数据进行处理,最后进行显示并串口输出当前数据到数据记录模块,系统的主程序流程见图6。

图6 系统主程序流程

3 测试及性能分析

完成本系统电路板的设计、制作和焊接，并检测主板线路,确保无虚焊、短路、断路、接触不良等基本问题。安装系统所需的各外围元件,接通电源,测试各器件电气特性,确保各参数达到设定范围。将STC89C52单片机中分别写入单个模块的测试程序,测试主板部分各硬件及对应软件性能。整合各模块的程序,对系统性能进行综合测试。测得其基本电气特性见表1。

表1 基本电气特性

单片机加载程序后,在接通电源的情况下会自动完成各部件的初始配置,然后实时显示和监测到现场环境参数。为检测系统的性能能否达到预期指标,让系统在多组不同环境中采集的湿度、颗粒物浓度、位置信息等数据与标准值及标准定位点的坐标进行对比,性能测试结果见表2。

表2 性能测试结果

通过在城市道路区域的测试,特别对城市抑尘措施、降尘效果的动态监测,结果表明本系统获取的湿度、颗粒物浓度以及位置参数误差均在可接受范围，能作为有效手段用于动态数据实时采集。

4 结语

以单片机为核心,结合传感器监测技术和无人机技术,在主控模块协调下,温湿度传感器、颗粒物传感器、北斗定位模块将检测到的数据在记录模块中加以存储,同时单片机控制液晶显示器显示各环境参数,拓展了空气监测的范围和灵活性,能满足不同环境监测要求，也能为区域空气监测、空气检测实验及突发空气质量事件评估提供快捷的数据采集手段。

[1] 任婉侠,薛冰,张琳,等.中国特大型城市空气污染指数的时空变化[J].生态学杂志,2013,32(10):2788-2796.

[2] 陈莉,白志鹏,苏笛, 等. 利用LUR模型模拟天津市大气污染物浓度的空间分布[J].中国环境科学,2009,29(7):685-691.

[3] 彭艳,叶金伟,张利勇, 等.无人机三维空气质量监测研究[J].测绘科学,2017,42(11):154-157,170.

[4] 李磊,熊涛,胡湘阳, 等.浅论无人机应用领域及前景[J].地理空间信息,2010,8(5):7-9.

[5] 王宪伦.关于无人机应用安全问题的一点探讨[J].测绘与空间地理信息,2011,34(1):87-88,91.

[6] 雷添杰,李长春,何孝莹.无人机航空遥感系统在灾害应急救援中的应用[J].自然灾害学报,2011,20(1):178-183.

[7] 高峰.无人机应用前景广阔[J].国防科技工业,2011(9):44-45.

[8] 姜嘉乐.提升我国高等工程教育质量的若干战略思考:华南理工大学王迎军校长访谈录[J].高等工程教育研究,2013(1):1-7,39.

[9] 余天佐,刘少雪,杨聚鹏，等.如何迎接专业认证:对美国伍斯特理工学院认证历程的考察[J].高等工程教育研究,2015(2):121-127.

[10] 李广弟.单片机基础[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2001.

[11] 刘海颖.卫星导航原理与应用[M].北京:国防工业出版社, 2013 .

[12] 倪天龙.单总线传感器DHT11在温湿度测控中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用,2010(6):60-62.

[13] 麻晓敏,陶宗明,马明俊, 等.基于CCD的侧向散射激光雷达信号提取方法[J].光学学报,2014,34(2):9-14.

[14] 胡淼,吴端法,李齐良, 等.基于CCD侧向散射激光雷达的PM2.5浓度测量研究[J].光学学报,2016,36(11):16-21.

[15] 代芬,王卫星,邓小玲, 等.单片机综合实验开发板设计[J].实验室研究与探索,2010,29(8):213-215.

[16] 林凌,李蒙,李刚.一种基于ISP技术的单片机多功能教学平台[J].实验技术与管理,2009,26(3):64-67.

[17] 仲玉芳,黄克强,吴明光.面向嵌入式系统的单片机集成实验平台的研制[J].实验技术与管理,2008,25(9):77-81.