小型飞行式空气探测仪的设计

西安文理学院 叶晨霏 唐宜会 徐 硕 白丝雨

近年来，工业技术日新月异的发展，给人类的生产生活带来的翻天覆地的的变化，但空气中的有害气体也日益增多。据测量，空气中存在的挥发性有机物达500多种，其中含200多种致病病毒，20多种致癌物，包括甲醛、苯、氨、氡、三氯乙烯以及酯等有害气体。大量事实表明，空气污染已直接威胁到人体健康，如何治理和改善空气污染已成为全球聚焦的热点问题。

当今是一个快节奏的社会，提倡的是便携易控，普通的探测器在地面或者墙壁上并不能有效地检测出气体的浓度，所以飞行是必不可少的，并且可以在后台进行分析，为空气质量提供保障。通过比较多种空气探测技术，发现红外技术傅里叶变换红外（FTIR）仪表在通常的应用中数最精确的气体技术，它举要良好的灵敏度和极低的误报率，没有消耗备件，但由于价格昂贵，退求其次选择激光气体分析仪和其他传感器相互配合，其通过分析气体的选择性吸收来获得气体的浓度。

本文详细介绍了气体传感器以及飞行器的工作原理、设备组成和硬件设计。最后，通过室外环境以及工厂的试验验证了设计的正确性和数据处理的有效性。

1 设计概况

气体探测系统：

（1）空气质量

空气中污染物浓度的高低决定了空气污染的程度，同时也反映了空气质量的好坏，来源于固定和流动污染源的人为污染物排放大小是影响空气质量的最主要因素之一，如表1所示。

表1 空气质量分指数及对应的污染物项目浓度指数表

（2）危险气体探测

当有害气体发生泄露即将引发危险时，空气探测仪可以及时的探测出危险并发出预警信号，提醒现场有关人员采取相应的保护措施，并保障生产设备能够安全运转。

2 主要模块介绍

2.1 传感器模块

探测器的核心硬件我们采用可检测气体的万用板：PCB底板作为S5开发板以及小LCD液晶屏、多种传感器与图传天线（SAM ipex mmcx天线接口）。PCB板用来提供集成电路等各种电子元器件固定、装配的机械支撑，通过电子元器件之间的电气连接、布线、电绝缘和信号传输，从而实现特性阻抗等相应的电气特性。常用的传感器原件包括有：

（1）G5—PMS5003/G5ST：这款数字式通用传感器基于激光散射原理，能够连续地计算出颗粒物浓度分布，即单位体积空气中不同粒径的悬浮颗粒物个数，并将其换算成质量浓度，并通过通用数字接口输出。

（2）COH-A1：即双气一氧化碳/硫化氢传感器，可灵敏的检测出空气中的一氧化碳和硫化氢。此款传感器的安装可以显著降低气体探测器的外形尺寸和成本，是一款采用了新方法的双气体传感器，多年来在气体探测领域有着良好的业绩记录。

（3）TGS2611，可燃气体传感器/天然气传感器，对甲烷气体具有很高的灵敏度，并且低功耗。

2.2 飞行器构造

动力部分的配置有四轴飞行器无刷电机，电子调速器，螺旋桨，飞行控制板，其主控芯片为STM32F103C8T6无线芯片，SI24R1，电池采用11.1v航模动力电池，遥控器（最低四通道遥控器），ULN2003驱动芯片，机架，以及充电器。无刷电机具有高效率、低能耗、低噪音、超长寿命、高可靠性、可伺服控制、无级变频调速、相对低成本且简单易用等优点。电子调速器通过改变可控硅导通角的大小，起到控制输出电压高低的作用。

3 其他功能

3.1 半自动飞行扫描设计

无需随时随刻操控飞行控制板，飞行器可以选择你所规划的大致路线飞行并进行扫描，或者也可成为你的“跟屁虫”，在你的身边保驾护航。

主要原件如下：

（1）上下前后雷达，用于测量飞行器与四周障碍的距离，尽量避免碰撞。

（2）位置传感器，即GPS定位，防止跑出测试范围外。

（3）两端单收超声波模块与遥控器上的一个单发超声波模块。

3.1.1 自动跟随模式（确定高度后）

自动跟随解决方案大体上分两类，一种是“听”，一种是“看”。“听”就是听信号，信号强就是近，信号弱即是远，通常都是三点定位。

测量原理如图1所示，选用单发单收的超声波模块进行测距，在飞行器上的两端各安装一个单收超声波，遥控器上安装一个单发的超声波模块。这样左侧与右侧离人的距离就构成了一个三角形。简单示意图如图1所示。当飞行器正对着人时，距离A=B，当人左拐时，A必定小于B，同理当人右拐时，A大于B。当人向前走时，A和B的距离必定大于设定距离。由此可获得遥控器的距离以及人的行走路线，来实现飞行器的自动跟随功能。

图1 超声波测距原理图

3.1.2 半自主扫描模式

可以在电脑上设定飞行起始航点、飞行高度、速度以及各个检查点的扫描时间并导入到飞行器中，实现周期性扫描。

3.2 监控模式和安全要素

为了能够更好的观察与记录探测实况，我们在探测器的前端保留了放置网络摄像头的位置，在需要的时候可以开启摄像头进行位置观察，可利用手机通过网络摄像头进行远程管理与控制，并即时显示记录效果并且储存下来，在日后需要的时候进行回放，也用开发板连接wifi把数据上传到乐为物联网，以便后续数据分析。

考虑到探测器会在室内进行放置并使用，位于休息并且长期居住的地方，那么安全方面便是需要考虑的首要因素，因此我们会根据探测器的形状配置相对应的底座，尽可能做到固定位置，在紧急情况下不会影响人们的安全，如果探测器放置后会产生安全隐患，那么再好的探测器也将不会被采用。同时我们也会保证探测器的清洗和维护方便。