CN105486349A - 一种空间三维多参数分布测试系统及其实施方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种空间三维多参数分布测试系统及其实施方法，所述的额系统包括无线遥控的无人机，电控单元，减震单元和地面接收单元。通过所述系统的遥控器遥控无人机升降并实现自动数据采集和传输功能。主要特点：1、可时、空、物理多参数实时数据采集与传输，模块实现自动探测PM2.5，总挥发性有机物，温湿度，CO2，位置(x，y，z)数据，时间数据等多参数实时采集；2、采用三层电路板叠装优化结构设计，采用三层叠层工艺，立体布局，使电控单元体积减小；3、采用轻质高强度镁合金材料，保证电控单元重量小于500g；4、减震单元采用弹簧减震结构设计，减少震动对传感信号的精度影响，PM2.5传感器检测不确定度小于±10％；5、垂直高度分辨率达到0.25m。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，具体涉及一种空间三维多参数分布测试系统及其实施方法
背景技术
随着人类工业社会发展，工业生产、汽车尾气、扬尘等引起的雾霾严重影响着人民的生活健康，由雾霾导致的心血管疾病、肺疾病不断增高，大大降低了人们生活质量。然而，目前我国在这方面的探测技术相对落后，主要集中于单点，固定点的PM2.5测量，对于PM2.5的空间浓度分布无法直接测量，现有的研究主要是通过长期固定点的观察，通过空气扩散模型推算得来，精度收到很大影响，影响扩散源的准确定位和源浓度预测精度，因此，有必要开发一种具有实时多参数测量功能的探测器，可以探测到某一时刻，某位置(x，y，z)的PM2.5浓度，绘制出区域PM2.5空间分布图。为后续PM2.5源分析和后续净化治理提供可靠数据支撑。现有户外大气污染物检测手段有，常规点式非连续空气质量测量技术，卫星雷达遥感测量和探空气球测量方法，常规点式空气质量监测技术缺点是不能连续测量不同位置污染物变化，因而不能给出连续空气质量变化图谱；卫星雷达遥感离地面5km内误差较大，不能准确测量PM2.5的变化规律；探空气球受时间空间限制，不能控制气球的上升和下降的速度；现有市场上采用的PM2.5传感器精度较差，不确定度普遍在±20％以上。综上，现有的表征手段及评价指标不能提供足够(时、空、物理多参数)、准确(高精度)的信息来确定污染物的动态时空演化过程和变化趋势，因而难以揭示污染的形成、来源、输送影响等根本问题，缺乏对污染浓度水平的必要了解和预见能力，难以为环境污染源解析及预警预报提供有效数据支撑，更难以为政府决策者制定污染控制策略提供必要的依据。
在专利检索与分析网站上调查发现成都点石创想科技有限公司的一种多参数监测模式的库房环境监测管理方法(201510472928)，公开了一种多参数监测模式的库房环境监测管理方法，包括系统搭建；建立数据库，在系统的服务器内建立数据信息表类文件，形成数据库；系统调试；数据采集，服务器根据仓库储存物品标样信息表、库温信息表、湿度信息表、有毒气体信息表下发采集指令至有害气体采集电路、储存物品信息电路、温度采集电路及湿度采集电路，储存物品信息电路采集当前区域所储存的物品信息。但是主要是针对地面环境参数的测量，形成数据库，不具备PM2.5数据检测功能，不能满足对时、空、物理量(PM2.5浓度)等的同时检测与记录。
在国家知识产权网(中外专利数据库)上，搜索“空间”and“多参数”and“传输”等关键词，发现专利0项。
在国家知识产权网(中外专利数据库)上，搜索“三维”and“多参数”等关键词，发现专利0项
在国家知识产权网(中外专利数据库)上，搜索“多参数”and“分布”等关键词，发现专利0项
在国家知识产权网(中外专利数据库)上，搜索“环境”and“监控”，查询到“环境侦测装置和应急监控系统(201510267842.8)”
正是基于上述现有专利的不足，本申请拟提供一种空间三维多参数分布测试系统及其实施方法，采用微型化、低重量、低能耗和减震的技术设计，采用三维叠层组装技术，基于可摇控无人机搭载高精度PM2.5(不确定度±10％)，CO2，总挥发性有机物(简称TVOC，TotalVolatileOrganicCompounds)，高度计等高精度传感器，克服了常规大型激光雷达网络的昂贵，体积大、不易移动，不能准确探测空间微区大气质量的不足，为空间三维大气多参数分布测试提供灵活、准确、低成本、有效的测试手段和技术支撑。
发明内容
本发明的目的在于一种空间三维多参数分布测试系统及其实施方法。所述的测试系统由可无线遥控的无人机，电控单元(中控单元，多传感器组合单元，无线收发单元)，减震单元，地面无线接收单元组成。无人机具有可遥控功能，遥控距离大于3500m，供能锂电池单次可供飞机续航40min；电控单元包括三层结构，第一层为中控单元，包括中控电路，锂电池单元，数据存储单元，分别与中控电路基板连接；主要用于为电控单元提供能源，收集传感器数据，对收集到信号的管理与存储；第二层，主要是多传感器组合单元，包括PM2.5，温湿度、TVOC和CO2组合传感器和GPS，高度计三部分；第三层为无线收发单元，将数据型号传输到接收单元。各单元间互联：结构的热学、力学设计发现，锂电池工作时发热会导致的电路板变形，将锂电池flash和中控电路置于第一层，旨在将锂电池与传感器层隔离，增加散热面积，减少对传感器采集数据精度影响。第一层中控单元与第二层多参数传感器单元之间通过双列(12*2)插针连接，为传感器提供电源，向传感器发送指令，采集传感器数据，记录进数据存储单元；第二层与地三层时间采用双列插针(12*2)连接，无线传输单元置于顶层，为了便于无线信号传输效果(尽量少收到阻挡)。地面接受单元与电脑相连，负责接受无人机发射的信息，发送控制无人机的升降指令。电脑中软件将采集的多传感器数据和时间，位置数据绘制成表和图，便于记录、和显示。
本发明涉及一种空间三维多参数分布测试系统及其实施方法，其数据采集系统特征为采用多传感器组合模式。包括PM2.5传感器，温湿度传感器，TVOC组合，GPS，高度计传感器等三部分(如图4)。协同感知大气参数、位置参数和时间参数。为系统提供实时实地的大气参数采集。
本发明涉及一种空间三维多参数分布测试系统，其特征在于所述的测试系统采用高精度传感器。采用深圳深圳盛世物联科技有限公司的MSM-15系列高精度多传感器组合，组合了PM2.5、温湿度、TVOC和CO2等传感器，用以感知大气污染物充分信息，发明人通过调节采样占空比，提高采样精度，PM2.5不确定度达到±10％，现有投入应用的PM2.5传感器普遍精度比较差，通常在±20％，不能准确对空气中PM2.5含量进行准确评价。温湿度测量范围：温度：0℃－50℃，湿度：5－95％RH，精度：温度：<±0.5℃25℃，湿度：<±3.0％RH(20％-80％RH)。红外非扩散式(NDIR)CO2传感器，测量范围：0～5,000ppm，精度：±40ppm+读数的3％，输出分辨率：1ppm。可挥发性气体传感器TVOC，测量范围：0－4mg/m3，检测精度：±0.01mg，+10％读数。采用U-Plox6GPS,精度：2.5m，启动时间，热启动时间1s，冷启动时间27s，互助启动时间：4s，接收模式：50通道(u-blox6engine)，跟踪灵敏度：–159dBm，冷启动灵敏度：–147dBm，热启动灵敏度：－156dBm，尺寸：8.0x6.5x1.1mm。高度仪模块，采用BMP085模块。压力范围：300～1100hPa(海拔9000米至-500米)电源电压：1.8V～3.6V(VDDA)；1.62V－3.6V(VDDD)；尺寸：5.0mmx5.0x1.2mm；低功耗：5μA在标准模式；精度：低功耗模式下，分辨率为0.06hPa(0.5米)；高线性模式下，分辨率为0.03hPa(0.25米)；接口：I2C接口。将三部分集成后组成多传感器单元。用以采集各类环境参数、高度参数，位置参数等。采用西安达泰电子有限公司的USB118AD数据存储器，存储数据，具有USB，SPI接口，保证数据可以通过USB接口直接导出。
本发明涉及一种空间三维多参数分布测试系统，其特征在于所述的测试系统采用减震结构，降低了系统检测时的噪声，提高检测型号的稳定性。采用四根弹簧连接两支撑板，降低飞机螺旋桨噪声导致的电控系统的震动，提供电控系统的稳定性，延长电控系统寿命，通过计算震动强度(按照公式K＝ω2*λ/g计算得出，ω标识震动频率，λ表示单一振幅)，本电控单元震动小于5。常规的无人机搭载采用减震球，单点与机身相连，减震性能差，且连接强度不够，容易产生高空脱落事件发生。
本发明涉及一种空间三维多参数分布测试系统，其特征在于所述的测试系统采用无人飞机，具有3500m远程操控能力。用深圳市大疆创新科技有限公司的Phantom3Adv无人机，锂电池6000mAh，电池重量365g，载荷1000g，最大摇控距离3500m。软件设计方面，基于Arduino软件实现了_QN13-17-433的最优化配置，基于Arduino嵌入式开发平台完成了无线收发程序、飞机升降控制程序等的设计。
本发明涉及一种空间三维多参数分布测试系统，其特征在于所述的测试系统采用三层叠连结构，基于结构的热学、力学模拟发现，锂电池工作时发热会导致的电路板变形，将锂电池flash和中控电路置于第一层，旨在将锂电池与传感器层隔离，增加散热面积，减少对传感器采集数据精度影响。常规的集成办法通常是将上述各单元置于一层，这样导致面积增大，而且无法避免锂电池温升对传感器数据精度的影响，也无法避免高频信号对PCB上集成电路电信号的影响。因此，三层叠连结构符合热学和电学设计的要求。
本发明涉及一种空间三维多参数分布测试系统，其特征在于所述的测试系统采用轻质镁合金材料作为支撑件和支撑板，既增加了结构强度又降低了系统重量；轻质镁合金框架的特点是结构件较轻，由于目前现有的支撑结构件通常采用铁质，Al合金或不锈钢结构，增加了载荷，产生不必要的浪费。轻质镁合金材质比Al合金还要轻，大大减轻结构质量。
综上所述，本发明涉及一种空间三维多参数分布测试系统及其实施方法，其主要功能单元包括可无线遥控的无人机，电控单元(中控单元，多参数传感器单元，射频收发单元)，减震单元，地面接收单元。通过所述系统的遥控器可以遥控无人机升降，实现自动数据采集和传输功能。该系统的主要特色在于：1、可时、空、物理多参数实时数据采集与传输，模块实现自动探测PM2.5，总挥发性有机物，温湿度，CO2，位置(x，y，z)数据，时间数据等多参数实时采集；2、采用三层电路板叠装优化结构设计，采用三层叠层工艺，立体布局，电控单元体积由原来的20cm×20cm×3cm减小为10cm×5cm×5cm，同时避免多传感器信号收到无线收发信号的的干扰，避免锂电池温度对传感器信号的干扰；3、电控单元轻量化设计，采用轻质高强度镁合金材料，保证电控单元重量小于500g。保证无人机续航时间长，达到40min/次；4、减震单元结构优化设计，采用弹簧减震结构设计，减少震动对传感信号的精度影响，PM2.5传感器检测不确定度小于±10％；5、垂直高度分辨率高，分辨率达到0.25m；6、形成了三维空间分布绘图软件，可以形成PM2.5分布图；7、模块带有存储和无线发送功能，通讯距离3.5Km。
附图说明
图1、无线遥控多参数分布测试系统示意图。
图2、减震单元侧视图(a)，俯视图(b)
图3、电控单元连接侧视图(a)，俯视图(b)
图4、多传感器单元连接侧视图(a)，俯视图(b)
图5、中控单元连接侧视图(a)，俯视图(b)。
图中，1、电控单元；2、无人机；3、电脑；4、无线接收单元；5、遥控器；6、螺丝；7、上层镁合金板；8、弹簧；9，中层镁合金板；10、无线收发单元；11、镁合金支架；12、多传感器单元；13、中控单元，14、双列插针；15、下层镁合金板；16、CO2，PM2.5，温湿度和TVOC传感器；17、GPS传感器；18、高度计；19、连接传感器PCB；20、中控电路；21、锂电池；22、中控电路基板(PCB)；23、数据存储器单元(flash)。
具体实施方式
通过具体实施方式的介绍，进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明决非仅局限于实施例。
实施例1本发明实施方式具体步骤为：
1)、设计空间三维多参数分布测试系统构架图(如图1)；空间三维多参数分布测试系统由可无线遥控的无人机2，电控单元1，减震单元(图2)，地面无线接收单元4组成。无线遥控的无人机，实现系统远程控制功能，可以测量变化位置条件下，各点时间和大气环境信息和位置信息。电控单元提供电路需要的电能，采集传感器信息，发送到地面无线接收单元4。地面接收单元负责接收信息，存储和处理，绘图等
2)、电控单元1及支架7,9轻量化、微型化设计，采用镁合金型材作为支撑和挡板材料7,9，降低其重量，采用三层立体封装减小电控单元1的受风面积，减小空气阻力，降低能耗，采用弹簧结构8(如图2)降低震动，采用挡板减少气流对测试结果影响。
3)、电控单元1的组装。A、组装第一层板13，集成锂电池21，中控电路20和数据储存单元23，通过中控电路基板(PCB板)连接；第二层板为多传感单元12，包括CO2、PM2.5、温湿度和TVOC传感器组合16、GPS17和高度计18三个模块，分别连接到双列插针14，双列插针既连接中控单元20又联系无线收发单元10，起到导通电路和支撑电路板的双重作用。将三层通过双列插针14连接，形成三层叠连结构(如图3)。这里，采用深圳市中圳能源科技有限公司ZZ-DL7.4-10C型锂电，容量为10Ah，电压为7.4V；使用上海诠诺物联网技术有限公司的433MHz射频模块_QN13-17-433射频无线模块双向收发数据。采用深圳市大疆创新科技有限公司的Phantom3Adv型号无人机，锂电池6000mAh，电池重量365g，载荷1000g，最大摇控距离3500m。软件设计方面，基于Arduino软件实现了_QN13-17-433的最优化配置，基于Arduino嵌入式开发平台完成了无线收发程序、飞机升降控制程序等的设计；
4)、完成的抗震结构设计与制作，采用镁合金支架+弹簧的减震结构(图2)，减小传感器震动，通过震动计算强度(按照公式K＝ω2*λ/g计算得出，ω标识震动频率，λ表示单一振幅)，本电控单元震动小于5。用四根弹簧8连接2块镁合金板，板厚1.5mm,面积10cm×5cm，上层镁合金板通过4个螺丝6与无人机相连，下层镁合金板15通过4个螺丝6与4根镁合金支架相连；
5)、安装测试系统与调试，将电控单元1与无人机2底座用4根螺丝固定，将接收单元与电脑通过USB相连。调试，开启无人机开关，遥控器控制其起飞，观察电脑收到的信息，高度，用标准高度对标，判断高度精度；PM2.5传感器的校准，采用净化室环境测试方法校零，通过TSI8530设备校准测量数值和范围。
实施例2
如图1所示，无人机2负责带动传感器升降，改变传感器的高度，电控单元1通过双列插针14与多参数传感器单元12相连，为传感器提供电源，向传感器发送指令，采集传感器数据，记录进数据存储单元23。电控单元内部，中控单元13与多传感器单元12，无线收发单元10通过插针14相连，控制多传感信号的采集，无线传输到地面接收单元4。地面接受单元与电脑3相连，负责接受无人机上发射的信息，发送控制无人机的升降指令。电脑中软件将采集的多传感器数据和时间，位置数据绘制成表和图，便于记录、和显示。
实施例3-5
如图2所示，减震单元由四根弹簧8连接上层镁合金板7和中层镁合金板9，板上有螺丝6分别与无人机和电控单元1相连。
如图3所示，电控单元由中控单元13、多传感器单元12和无线收发单元10通过双列插针14相连，控制多传感信号的采集，无线传输到地面无线接收单元。
如图4所示，多传感器单元由、CO2，PM2.5，温湿度和TVOC传感器16、GPS传感器17、高度计18组成，它们分别连接PCB板19。
如图5所示，中控单元由中控电路20、锂电池21和数据存储单元23组成，他们分别与中控电路基板22连接。
Claims (6)
1.一种空间三维多参数分布测试系统，其特征在于所述的系统由可无线遥控无人机、电控单元、减震单元和地面无线接收单元组成；其中：
①所述的无人机遥控距离大于3500m；
②所述的电控单元包括三层结构，第一层为中控单元，包括锂电池单元，中控电路和数据存储单元，分别与中控电路基板连接；为电控单元提供能源，收集传感器数据，对收集到信号的管理与存储；第二层，是多传感器组合单元，包括PM2.5，温湿度、TVOC和CO2组合传感器、GPS和高度计三个模块；将传感器信息收集通过层间双列插针传输到中控单元；第三层为无线收发单元，将数据信号传输到地面无线接收单元；
③减震单元用四根弹簧连接上下两层镁合金板，上层镁合金板通过四个螺丝与无人机相连接；
④地面无线接受单元与电脑相连，接受无人机上发射的信息，发送控制无人机的升降指令；电脑中软件将采集的多传感器数据和时间，位置数据绘制成图表。
2.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述的中控单元内部，中控电路，锂电池和flash通过电路板连接，连接到双列插针，控制数据的存储，监控电池电量和健康状况。
3.按权利要求1所述的系统，其特征在于：
①所述的无人飞机为深圳市大疆创新科技有限公司的Phantom3Adv无人机；
②锂电池单元6000mAh，电池重量365g，载荷1000g；
③基于Arduino嵌入式开发平台完成了无线收发程序、无人机升降控制程序的设计；
④将锂电池flash和中控电路置于第一层，旨在将锂电池与传感器层隔离，增加散热面积，减少对传感器采集数据精度影响，三层叠连结构不仅符合热学和电学设计的要求，而且使电控单元体积减小；
⑤中控单元与多传感器单元、无线收发单元通过插针相连；
⑥组成中控单元的中控电路，锂电池和数据存储单元分别与中控电路基板相连。
4.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述的组合传感器为深圳盛世物联科技有限公司的MSM-15系列；其中，
a)温湿度的测量范围是温度25℃±0.5℃，湿度＜±3.0％RH；
b)PM2.5测量的精度±10％；
c)采用红外非扩散室NDIR测定CO2，测量范围为0-5000ppm，输出分辨率为1ppm；
d)可挥发性气体传感器测量范围为0-4mg/m3，检测精度±0.01mg。
5.按权利要求1或3所述的系统，其特征在于：
①电控单元体积减小为10cm×5cm×5cm，重量小于500g；
②无人机采用433MHZ频点，在3500m之外遥控；
③垂直高度分辨率达到0.25m；
④支架与机身采用弹性结构连接，弹性数据结构由弹簧和一个挡风镁合金薄板组成，悬挂于机身下部，以减少负荷，同时减少飞机机身飞行震动对测量PM2.5的影响，挡风镁合金薄板用于减少飞行气流对PM2.5测试数据的影响。
6.实施权利要求1-4所述一种空间三维多参数分布测试系统的方法，其特征在于包括如下步骤：
1)设计空间三维多参数分布测试系统构架图；空间三维多参数分布测试系统由可无线遥控的无人机，电控单元，减震单元，地面无线接收单元组成；无线遥控的无人机，实现系统远程控制功能，测量变化位置条件下，各点大气环境、位置和时间信息；电控单元提供电路需要的电能，采集传感器信息，并发送到地面接收单元；地面接收单元负责接收信息，存储和处理，绘图；
2)电控单元及支架轻量化、微型化设计，采用镁合金型材作为支撑和挡板材料，降低其重量，采用三层立体封装减小电控单元的受风面积，减小空气阻力，降低能耗，采用弹簧结构降低震动，采用挡板减少气流对测试结果影响；
3)电控单元的组装；A、组装中控单元第一层板，以中控单元为基板，集成锂电池，中央控制电路和flash，各单元间采用PCB板走线连接；B、组装多传感器组合单元第二层板，将PM2.5、温湿度、CO2传感器组合模块、GPS、高度计等传感器通过PCB板连线连接，每个传感器都连接到双列插针，双列插针基连接中控单元又连接无线收发单元的第三层板；最终形成三层叠装的三层板结构；
4)完成的抗震结构设计与制作，采用镁合金支架+弹簧的抗结构，减小传感器震动，计算震动强度，使本电控单元震动小于5；用四根弹簧连接2块镁合金板，上层镁合金板通过4个螺丝与无人机相连，下层镁合金板通过4个螺丝与4根镁合金支架相连；
5)安装测试系统与调试，将电控单元与无人机底座用4根螺丝固定，将接收单元与电脑通过USB相连，调试，开启无人机开关，遥控器控制其起飞，观察电脑收到的信息，高度，用标准高度对标，判断高度精度；PM2.5传感器的校准，采用净化室环境测试方法校零，通过TSI8530设备校准测量数值和范围。
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