李冰皓 許運(yùn)華

摘 要：近年來(lái)頻頻出現(xiàn)的突發(fā)性氣體超標(biāo)排放事件，對(duì)傳統(tǒng)氣體監(jiān)測(cè)方式提出極大的挑戰(zhàn)?；跓o(wú)人機(jī)平臺(tái)的CO2監(jiān)測(cè)方式，可以破解固定點(diǎn)位監(jiān)測(cè)和測(cè)試人員暴露于取樣環(huán)境中的難題。該監(jiān)測(cè)方式，可以對(duì)樣本數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)、高效傳輸，對(duì)于存在的問(wèn)題及時(shí)預(yù)警，極大減輕從業(yè)人員工作強(qiáng)度，克服復(fù)雜環(huán)境對(duì)測(cè)試的影響。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)平臺(tái);樣本數(shù)據(jù);CO2監(jiān)測(cè)方式

一、前言

隨著社會(huì)的發(fā)展和全球工業(yè)化進(jìn)程的加快，人類對(duì)環(huán)境的影響日益加劇。其中，全球氣候變暖，給人類帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，人類活動(dòng)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(shū)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(lái)，CO2的排放量大大增加，其濃度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了過(guò)去的幾個(gè)世紀(jì)，據(jù)測(cè)算，到本世紀(jì)中后期將達(dá)到500ppm[1]。當(dāng)前，國(guó)際組織在積極應(yīng)對(duì)碳排放問(wèn)題，世界各國(guó)以全球協(xié)約的方式減排溫室氣體。近年來(lái)我國(guó)積極參與國(guó)際社會(huì)碳減排，在2021兩會(huì)上，“碳達(dá)峰、碳中和”被首次寫(xiě)入政府工作報(bào)告，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)走向綠色可持續(xù)發(fā)展。

目前對(duì)大氣監(jiān)測(cè)研究，大多集中在對(duì)整個(gè)大氣CO2濃度變化進(jìn)行研究，即對(duì)工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)中的CO2濃度監(jiān)測(cè)，大多停留在固定點(diǎn)位監(jiān)測(cè)，或者實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)監(jiān)測(cè)。針對(duì)近期頻發(fā)的突發(fā)性CO2超標(biāo)排放事件，傳統(tǒng)的定點(diǎn)監(jiān)測(cè)難以滿足監(jiān)測(cè)需求，具備不同維度的快速監(jiān)測(cè)對(duì)于環(huán)境治理及污染擴(kuò)散具有重大意義。要實(shí)現(xiàn)碳排放精準(zhǔn)控制，需要更加快捷、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的區(qū)域性監(jiān)測(cè)方法。無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)方法不再局限于固定點(diǎn)位監(jiān)測(cè)[2]。另外，無(wú)人機(jī)技術(shù)與傳感技術(shù)相結(jié)合，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式存在的不足，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)獲取、同步回傳、迅速預(yù)警，從而為大氣監(jiān)測(cè)提供了一種高效方式。

本文主要從無(wú)人機(jī)CO2濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、優(yōu)勢(shì)分析、未來(lái)應(yīng)用前景三方面進(jìn)行論述，旨在為無(wú)人機(jī)大規(guī)模應(yīng)用于氣體監(jiān)測(cè)提供可行性分析和理論支撐。繼而減輕從業(yè)者勞動(dòng)強(qiáng)度，有力保障其人身安全，提升監(jiān)測(cè)時(shí)效和監(jiān)測(cè)精度。

二、無(wú)人機(jī)CO2濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

從總體上說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)上搭載CO2監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)指定區(qū)域內(nèi)氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可分為四個(gè)主要單元：無(wú)人機(jī)平臺(tái)選型和擴(kuò)展單元，CO2監(jiān)測(cè)裝置和承載單元，遠(yuǎn)程控制單元、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)單元[3]?？傮w設(shè)計(jì)方案如圖1-1所示。

1、CO2監(jiān)測(cè)裝置和承載單元

市面上有各種相對(duì)成熟的高精度便攜氣體監(jiān)測(cè)裝置，基于無(wú)人機(jī)對(duì)于設(shè)備自身重量和監(jiān)測(cè)設(shè)備連續(xù)工作時(shí)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(cè)裝置，其型號(hào)為SKY6000-04，其實(shí)物如圖1-2所示。

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

氣體監(jiān)測(cè)承載裝置是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中重要一項(xiàng)，其實(shí)際搭載位置需要結(jié)合無(wú)人機(jī)平臺(tái)獨(dú)立設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中因氣體監(jiān)測(cè)儀通過(guò)進(jìn)氣泵將氣體導(dǎo)入，氣體監(jiān)測(cè)儀重量均勻分布問(wèn)題和無(wú)人機(jī)升空平衡問(wèn)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(wú)人機(jī)平臺(tái)重心在一條垂直線。

2無(wú)人機(jī)平臺(tái)選型和擴(kuò)展單元

按照常用的無(wú)人機(jī)分類方法，可分為固定翼和多旋翼無(wú)人機(jī)。本設(shè)計(jì)選取當(dāng)下相對(duì)技術(shù)成熟的大疆多旋翼無(wú)人機(jī)大疆經(jīng)緯M300 RT。選取原因有兩方面：

一是選取多旋翼無(wú)人機(jī)其工作原理是靠多個(gè)旋翼同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)平衡無(wú)人機(jī)和擴(kuò)展單元的重力，懸速增加，無(wú)人機(jī)向上的升力會(huì)大于重力，即可實(shí)現(xiàn)整體平穩(wěn)上升。另外，要實(shí)現(xiàn)指定區(qū)域內(nèi)CO2的監(jiān)測(cè)，需要多次、多點(diǎn)位反復(fù)核驗(yàn)，所以需要無(wú)人機(jī)可以水平移動(dòng)，多旋翼無(wú)人機(jī)橫斜分力可以很好的實(shí)現(xiàn)該功能。

二是考慮到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，無(wú)人機(jī)作為氣體監(jiān)測(cè)平臺(tái)，無(wú)人機(jī)選取動(dòng)力形式要采用無(wú)排放模式，故選用動(dòng)力電池類型的無(wú)人機(jī)。這樣可以避免因自身動(dòng)力排放，影響氣體監(jiān)測(cè)精度，較少誤差。選取大疆經(jīng)緯M300 RT，電機(jī)轉(zhuǎn)速控制較為容易，可實(shí)現(xiàn)遙控操作，不需要初速度，起飛降落方便，飛行場(chǎng)地選擇靈活。基于最大起飛重量可達(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(hào)作為無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)可滿足各項(xiàng)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(jì)，基于為無(wú)人機(jī)搭載氣體監(jiān)測(cè)儀提供實(shí)時(shí)控制信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)操作者在地面遠(yuǎn)程控制無(wú)人機(jī)搭載氣體監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行氣體監(jiān)測(cè)。遠(yuǎn)程控制單元的設(shè)計(jì)，從監(jiān)測(cè)儀操作部分引出接線端，設(shè)計(jì)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)和氣體監(jiān)測(cè)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(cè)儀的工作狀態(tài)模塊，無(wú)人機(jī)工作狀態(tài)模塊，CO2監(jiān)測(cè)閾值上下限調(diào)整模塊，被測(cè)CO2超標(biāo)報(bào)警模塊，無(wú)人機(jī)平臺(tái)采樣點(diǎn)位取樣模塊，無(wú)人機(jī)報(bào)警模塊等。

通過(guò)以上基本模塊的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)液晶屏在遠(yuǎn)程靈活控制無(wú)人機(jī)平臺(tái)和監(jiān)測(cè)儀實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，對(duì)其飛行數(shù)據(jù)和氣體監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)清晰顯示。

4實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)單元

監(jiān)控程序設(shè)計(jì)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(xiě)采用模塊編程思路。程序設(shè)計(jì)方案如圖1-4所示。本文采用C語(yǔ)言，運(yùn)用keil環(huán)境進(jìn)行調(diào)試編輯工作。

獨(dú)立芯片主控制系統(tǒng)是本單元的核心模塊，無(wú)人機(jī)平臺(tái)動(dòng)力程序和CO2氣體監(jiān)測(cè)程序同時(shí)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(shí)時(shí)同步進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)平臺(tái)前提下的CO2氣體監(jiān)測(cè)。主控制系統(tǒng)與液晶屏之間建立雙向聯(lián)系，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，便于遠(yuǎn)程控制精準(zhǔn)化[5]。

無(wú)人機(jī)平臺(tái)動(dòng)力程序的下游環(huán)節(jié)是無(wú)人機(jī)采樣點(diǎn)位科學(xué)化選取程序，該環(huán)節(jié)是為了確保氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信，保證取樣反映環(huán)境真實(shí)狀況，如果在取樣過(guò)程中，已經(jīng)達(dá)到無(wú)人機(jī)各項(xiàng)動(dòng)力參數(shù)的閾值，報(bào)警單元迅速啟動(dòng)，該報(bào)警單元為無(wú)人機(jī)提供安全折返保障。

CO2氣體監(jiān)測(cè)程序的下游環(huán)節(jié)是CO2監(jiān)測(cè)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(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行上下限調(diào)整，進(jìn)而滿足各類實(shí)驗(yàn)要求。一旦超出該實(shí)驗(yàn)要求，轉(zhuǎn)入超標(biāo)報(bào)警環(huán)節(jié)。

三、優(yōu)勢(shì)分析

1、有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式不足，機(jī)動(dòng)靈活：傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)大都停留在固定點(diǎn)位，或者是實(shí)驗(yàn)室化監(jiān)測(cè)層面，該設(shè)計(jì)靈活選擇掃描路徑與監(jiān)測(cè)方位，不受地表因素（如道路與建筑等）限制，且準(zhǔn)備時(shí)間短，出動(dòng)速度快。

2、快速鎖定污染源：通過(guò)帶有經(jīng)緯度標(biāo)記的污染濃度數(shù)據(jù)和強(qiáng)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(qiáng)的特點(diǎn)，為環(huán)境監(jiān)管部門(mén)提供行動(dòng)指南，及時(shí)回應(yīng)社會(huì)關(guān)切。

3、降低人身風(fēng)險(xiǎn)：在突發(fā)性環(huán)境污染事件中，可利用大氣監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)代替人工深入危險(xiǎn)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(cè)無(wú)人機(jī)掃描不同高度下的三維污染濃度信息，可幫助有關(guān)部門(mén)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(diǎn)，為大氣防治提供行動(dòng)思路和依據(jù)。

四、未來(lái)應(yīng)用前景

無(wú)人機(jī)平臺(tái)具有成本低、損耗小、可重復(fù)實(shí)驗(yàn)且危險(xiǎn)系數(shù)小等特點(diǎn)，在氣體監(jiān)測(cè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用，可以為CO2氣體監(jiān)測(cè)提供有力幫助，切實(shí)提高環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量，從而讓環(huán)境監(jiān)測(cè)工作更精準(zhǔn)和高效。利用無(wú)人機(jī)對(duì)不同維度氣體快速監(jiān)測(cè)，對(duì)于定性判斷污染程度以及防擴(kuò)散外溢具有重要意義[6]。利用無(wú)人機(jī)平臺(tái)氣體監(jiān)測(cè)過(guò)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(wèn)題。

1、加大小型、輕型的氣體監(jiān)測(cè)設(shè)備研發(fā)力度，減小無(wú)人機(jī)負(fù)載和自身空間限制等因素的影響。

2、擴(kuò)展無(wú)人機(jī)平臺(tái)下氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，提升人機(jī)互動(dòng)體驗(yàn)感

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

3、無(wú)人機(jī)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(shí)難以回收。因此，需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的實(shí)地調(diào)查與研判，合理有效規(guī)劃無(wú)人機(jī)飛行航線，提高無(wú)人機(jī)操作的安全性。

4、針對(duì)無(wú)人機(jī)獲取的氣體監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)，沒(méi)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(cè)指標(biāo)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)界定，實(shí)現(xiàn)空地一體化數(shù)據(jù)綜合使用，是無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)的一個(gè)研究方向。

五、結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)基于無(wú)人機(jī)CO2濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，對(duì)于設(shè)計(jì)中的四個(gè)主要單元進(jìn)行了硬件選項(xiàng)及程序流程圖描述，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)搭載CO2快速精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)功能。通過(guò)多次系統(tǒng)調(diào)試及人機(jī)交互界面優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了整體操作方便，靈活機(jī)動(dòng)的系統(tǒng)性能，可以很好服務(wù)于行業(yè)應(yīng)用。該設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)分析，本文總結(jié)為四個(gè)方面，較為客觀全面的進(jìn)行了總結(jié)。最后在未來(lái)應(yīng)用前景中，肯定了該設(shè)計(jì)的重要意義，并提出需改進(jìn)方向。

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作者簡(jiǎn)介：

李冰皓，男，碩士研究生，主要從事電子應(yīng)用研究。

基金來(lái)源：

邢臺(tái)市市級(jí)科技計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)：2021ZC041）