王晶 胡立夫 王德生

摘 要： 為了實(shí)時(shí)掌握大氣環(huán)境信息，提高工作效率，減少人工成本，設(shè)計(jì)一種基于LORA和四旋翼的智能檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32微處理器為中央控制器，四旋翼飛行器為傳感器搭載平臺(tái)，采用LORA擴(kuò)頻技術(shù)將采集數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控終端節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境的實(shí)時(shí)顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、檢測(cè)范圍廣、整體功耗低等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 大氣環(huán)境信息； LORA； 四旋翼； STM32微處理器； 智能檢測(cè)系統(tǒng)； 監(jiān)控終端

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915.5?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）20?0074?04

Abstract： An intelligent detection system based on the LORA and quadrotor is designed to grasp atmospheric environment information in real time， improve work efficiency， and reduce labor cost. In the system， with the STM32 microprocessor as the central controller and the quadrotor aircraft as the sensor platform， the LORA spread spectrum technology is adopted to transmit the collected data to the monitoring terminal node， so as to realize real?time display of the atmospheric environment. The experimental results show that the system has the characteristics of good real?time performance， wide detection range， and low overall power consumption， which has a wide application prospect.

Keywords： atmospheric environment information； LORA； quadrotor； STM32 microprocessor； intelligent detection system； monitoring terminal

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，有毒、有害等突發(fā)性大氣污染和城鎮(zhèn)霧霾頻發(fā)，嚴(yán)重威脅了人類(lèi)的生存和發(fā)展，已被評(píng)為地球上“最危險(xiǎn)的環(huán)境致癌物質(zhì)之一”[1?2]。因此，如何方便、及時(shí)地獲取精準(zhǔn)、可靠的大氣環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣環(huán)境的有效監(jiān)控和保護(hù)成為亟待解決的問(wèn)題?，F(xiàn)有的大氣環(huán)境檢測(cè)方法主要分為兩種：一是采用便攜式空氣監(jiān)測(cè)儀人工采樣、分析的方式；二是采用由遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心和若干個(gè)監(jiān)測(cè)子站組成的大氣環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3?4]。前者存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、時(shí)間周期長(zhǎng)、針對(duì)性差、數(shù)據(jù)采集慢等問(wèn)題，無(wú)法反映大氣環(huán)境動(dòng)態(tài)變化，且不易及早發(fā)現(xiàn)污染源并報(bào)警。后者雖能較好解決上述不足，但需要預(yù)先鋪設(shè)電纜并建立多個(gè)監(jiān)測(cè)子站，存在系統(tǒng)成本高、監(jiān)測(cè)大氣范圍有限、易對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域造成破環(huán)等缺點(diǎn)。

本文結(jié)合了LORA擴(kuò)頻技術(shù)[5?6]和四旋翼飛行器[7?8]的雙重優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)一種大氣環(huán)境智能測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對(duì)目前影響空氣質(zhì)量指數(shù)的細(xì)顆粒物（PM2.5）、可吸入顆粒物（PM10）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）及一氧化碳（CO）六種主要大氣污染物[8]進(jìn)行了測(cè)試，有效地完成了大氣環(huán)境智能監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

大氣環(huán)境智能檢測(cè)系統(tǒng)主要由ARM微控制器STM32F103、四旋翼飛行器、數(shù)據(jù)采集電路、AS32?TTL?100無(wú)線(xiàn)串口模塊和數(shù)據(jù)監(jiān)控電路組成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。四旋翼飛行器用于搭載大氣環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，STM32F103處理器將采集數(shù)據(jù)通過(guò)AS32?TTL?100無(wú)線(xiàn)串口模塊傳遞給監(jiān)控終端，并在終端進(jìn)行顯示及處理。通過(guò)四旋翼的巡航飛行，提高系統(tǒng)工作效率和實(shí)時(shí)性，減小系統(tǒng)成本。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

大氣環(huán)境智能檢測(cè)系統(tǒng)主要包括四旋翼大氣環(huán)境檢測(cè)平臺(tái)和數(shù)據(jù)監(jiān)控終端平臺(tái)。系統(tǒng)采用模塊設(shè)計(jì)，便于調(diào)試和開(kāi)發(fā)。

2.1 微處理器概述

系統(tǒng)主控芯片為32位STM32F103微處理器。它采用Cortex??M3內(nèi)核，工作頻率72 MHz，擁有DCode總線(xiàn)（D?bus）、系統(tǒng)總線(xiàn)（S?bus）、通用DMA1和通用DMA2四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，USART，ADC，DAC，RTC，SDIO，I2C及SPI豐富的外設(shè)接口[9?10]。其三種低功耗模式：睡眠模式、停機(jī)模式和待機(jī)模式，可以確保系統(tǒng)的低功耗性。此外，其Thumb?2指令集使系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和工作效率大大提高。

2.2 四旋翼控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

四旋翼飛行器是由四個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的十字交叉螺旋槳提供全部動(dòng)力的飛行運(yùn)動(dòng)裝置。其機(jī)身輕便、易操控，能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降、自由懸停等功能。本文提出用一臺(tái)四旋翼飛行器作為大氣環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的搭載平臺(tái)，充分利用了四旋翼作業(yè)效率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活、使用方便、監(jiān)測(cè)范圍廣等特點(diǎn)，為大氣環(huán)境檢測(cè)提供了一種新的技術(shù)平臺(tái)與工具選擇，也為四旋翼機(jī)的應(yīng)用開(kāi)辟了一個(gè)全新的領(lǐng)域。四旋翼控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。AHRS模塊內(nèi)集成三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和三軸磁強(qiáng)計(jì)，STM32可以通過(guò)串口讀取飛行器的姿態(tài)角、角速率及磁航向等信息，經(jīng)過(guò)相關(guān)處理后，通過(guò)PWM信號(hào)控制四個(gè)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制。此外，系統(tǒng)采用超聲波傳感器以及GPS全球定位系統(tǒng)，將三維地理位置等信息，通過(guò)無(wú)線(xiàn)串口模塊傳遞給監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)巡航控制。

2.3 無(wú)線(xiàn)串口通信設(shè)計(jì)

LORA是LPWAN（低功耗廣域網(wǎng)）通信技術(shù)中的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)傳輸方案[11]。它比2.4 GHz的WiFi、藍(lán)牙、ZigBee等局域網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)技術(shù)傳輸距離更遠(yuǎn)，比2G/3G/4G等廣域網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)技術(shù)功耗更低，兼顧了遠(yuǎn)距離和低功耗的雙重優(yōu)勢(shì)，能夠有效地節(jié)省中繼器成本，具有遠(yuǎn)距離、低功耗（電池壽命長(zhǎng)）、多節(jié)點(diǎn)、低成本的特性[12]。同時(shí)，LORA信號(hào)對(duì)建筑的穿透力也很強(qiáng)，非常適合應(yīng)用在城市大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。

AS32?TTL?100是一款100 mW，高穩(wěn)定性，工業(yè)級(jí)的無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊。其采用SX1278主芯片，LORA擴(kuò)頻傳輸，TTL電平輸出，兼容3.3 V與5 V的I/O口電壓。同時(shí)具有一般模式、喚醒模式、省電模式和休眠模式四種工作模式，抗干擾性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、功耗極低。無(wú)線(xiàn)通信模塊的連接框圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

大氣環(huán)境智能檢測(cè)系統(tǒng)的軟件分為四旋翼搭載平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)、檢測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)。其主要采用自底向上模塊化程序設(shè)計(jì)方法。

3.1 四旋翼搭載平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

四旋翼搭載平臺(tái)程序主要完成大氣環(huán)境信息、AHRS航姿參考數(shù)據(jù)、飛行器三維數(shù)據(jù)、遙控器數(shù)據(jù)的采集，飛行器控制，以及無(wú)線(xiàn)串口數(shù)據(jù)通信等功能，其程序結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

四旋翼搭載平臺(tái)流程圖如圖5所示。系統(tǒng)首先進(jìn)行單片機(jī)外設(shè)、SPI和中斷初始化；其次，開(kāi)全局中斷，采集各傳感器數(shù)據(jù)；再次，進(jìn)行飛行器控制，大氣環(huán)境信息均值計(jì)算；最后，將采集到的數(shù)據(jù)打包后，通過(guò)串口發(fā)送給檢測(cè)終端。

3.2 檢測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)終端程序主要負(fù)責(zé)大氣環(huán)境信息的處理及顯示。其程序流程圖如圖6所示。首先，系統(tǒng)初始化；其次，AS32?TTL?100串口通信模塊讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)配對(duì)成功讀取到數(shù)據(jù)后，在LCD12864液晶顯示器上進(jìn)行處理及顯示。

4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果分析

系統(tǒng)調(diào)試是整個(gè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中的一個(gè)不可或缺的環(huán)節(jié)，是保證系統(tǒng)性能和質(zhì)量的重要步驟。系統(tǒng)上電后，發(fā)射端和接收端LED燈同時(shí)閃爍，表明AS32?TTL?100串口通信模塊配對(duì)成功。四旋翼大氣環(huán)境檢測(cè)平臺(tái)和數(shù)據(jù)監(jiān)控終端平臺(tái)的示意圖如圖7、圖8所示。圖8表明數(shù)據(jù)監(jiān)控終端可以實(shí)時(shí)顯示大氣環(huán)境相關(guān)信息，通過(guò)計(jì)算可以得知當(dāng)前空氣質(zhì)量為優(yōu)。

5 結(jié) 論

四旋翼是人類(lèi)智慧的結(jié)晶，其具有作業(yè)效率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活、使用方便、監(jiān)測(cè)范圍廣等特點(diǎn)，為突發(fā)性環(huán)境事件的預(yù)防控制、各類(lèi)信息的快速獲取提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。基于LORA擴(kuò)頻技術(shù)的AS32?TTL?100無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)，延長(zhǎng)了電池的使用壽命。將四旋翼和LORA擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)的互補(bǔ)，具有立體監(jiān)測(cè)、響應(yīng)速度快、監(jiān)測(cè)范圍廣、續(xù)航能力強(qiáng)、地形干擾小等優(yōu)點(diǎn)，非常值得推廣。

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