CN110595847A - 一种气体采集系统、环境监测系统、无人机及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体采集系统、环境监测系统、无人机及其工作方法，属于环境监测与保护技术领域，该气体采集系统包括电源、气泵和多个气袋，气泵与多个气袋之间分别通过软管相连通，每个气袋分别对应设置有电磁阀，电磁阀分别连接有相对应的分支光耦继电器，气泵一端连接所述电磁阀，另一端连接公用光耦继电器；电源与气泵及电磁阀相连接并为其供电。本发明还公开了包括上述气体采集系统的环境监测系统，搭载有上述环境监测系统的无人机以及环境监测系统的工作方法。本发明示例的技术方案，能够实现微量气体采集、未知气体采集或超出站点气体传感器量程而无法测量时的气体采集工作，灵活度高，大幅提高环境监测数据的准确性。

Description

一种气体采集系统、环境监测系统、无人机及其工作方法

技术领域

本发明属于环境监测与保护技术领域，具体的说是一种气体采集系统、环境监测系统、无人机及其工作方法。

背景技术

随着社会经济的蓬勃发展，环境污染日趋严重，在工业、农业、建筑业及交通运输业等行业尤为突出，与此同时，伴随着养殖规模扩大及汽车保有量的大幅增加所带来的污染物质排放，使全国很多地方面临着严重污染的巨大挑战。

然而，目前大部分环境污染监测点为固位点，对于远离监测点的区域无法监测，进而影响了那些远离监测点的空气质量的提升和环境的改善。所以，需要一种能够在一定区域内移动监测的设备，从而对违法者起到震慑作用。如今一些环境监测系统已经不能满足社会发展的要求，亟需进行技术升级。

无人机具有不受地面因素制约、机动灵活、成本低、快速及立体化执行任务等优良特点，近年来，随着无人机技术的快速发展，无人机的应用已经逐渐进入各行各业，但目前无人机在环境监测方面的应用还十分有限，大多局限在画面拍摄上，无法对一定区域内的空气质量进行有效的监测，如何设计一款搭载监测平台在一定空域进行大气相关参数监测的系统，是本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

为了解决上述现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种气体采集系统、环境监测系统、无人机及其工作方法，实现对气体样本的采集、检测，能够准确地检测出气体中污染物的浓度，并且采集地点、采集高度能够灵活调整，大幅提高环境监测数据的准确性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

一方面，本发明提供了一种气体采集系统，包括电源、气泵和多个气袋，所述气泵与多个所述气袋之间分别通过软管相连通，每个气袋分别对应设置有电磁阀，所述电磁阀的进气口与气泵连接，电磁阀的出气口与气袋连接；所述电磁阀分别连接有相对应的分支光耦继电器，所述气泵一端连接所述电磁阀，气泵另一端连接公用光耦继电器；所述电源与气泵及电磁阀相连接并为其供电。

进一步的，所述气袋的进气口处设置有止回阀。

另一方面，本发明还提供了一种环境监测系统，包括微处理器和本发明示例的任一种气体采集系统，所述公用光耦继电器和分支光耦继电器均与微处理器连接，所述微处理器与所述电源相连接。

进一步的，所述微处理器还与以下部件中的一种或多种相连接：温度采集模块、定位模块、风向风速测量仪。

进一步的，所述微处理器上连接有机载LoRa模块，机载LoRa模块配备有与其相匹配的地面LoRa模块，所述地面LoRa模块与上位机连接，所述上位机设置有显示单元。

进一步的，所述地面LoRa模块通过USB-UART模块与上位机连接。

另一方面，本发明还提供了一种无人机，包括机架，机架的底部设置有脚架，所述脚架上设置有固定底板，固定底板上设置有吊舱，吊舱内搭载有本发明示例的任一种环境监测系统；所述吊舱包括至少两层，所述气袋与其他部件位于不同的分层内且气袋位于其他部件的上方。

进一步的，所述机架上设置有旋翼轴，旋翼轴的一端设置有螺旋桨，旋翼轴的另一端设置有电机，旋翼轴中心位置设置有纵向的支柱，所述气泵的进气口连接进气软管，进气软管的开口通过支柱固定在高于螺旋桨旋翼的位置。

进一步的，所述机架的中部设置有飞控和电池，在飞控与螺旋桨以及飞控与电机之间分别设置有电子调速器。

另一方面，本发明还提供了上述环境监测系统的工作方法，包括：

S1：微处理器得电；

S2：温度采集模块、定位模块、风向风速测量仪采集信号并发送至微处理器；

S3：微处理器发送指令控制公用光耦继电器和分支光耦继电器的动作；

S4：公用光耦继电器控制气泵工作，分支光耦继电器控制电磁阀动作；

S5：气泵像电磁阀开启的气袋内充气；

S6：任一气袋充满后，发送该气袋充气时温度采集模块、定位模块、风向风速测量仪采集的信号至上位机；

重复S3～S6直至气袋全部充满。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明示例的气体采集系统，设置有多个气袋，可分别采集不同位置的多份气体样本，设置电磁阀、光耦继电器，实现气袋及气泵的自动控制，气袋设置有止回阀，避免了采集的气体泄漏影响测量结果，使用可靠。

2、本发明示例的环境监测系统，包含本发明示例的气体采集系统，通过微处理器对气袋以及气泵的工作进行控制，提高智能化水平和工作效率。

3、本发明示例的气体采集系统，通过光耦继电器实现对气泵和电磁阀的控制，便于系统配备合适的电源，可实施性强。

4、本发明示例的环境监测系统，设置温度采集模块、定位模块、风向风速测量仪，每个气袋采集完毕时能够将此位点的位置信息(经度、维度、海拔)、温度信息、风速和风向信息同时采集，提升数据的准确性和参考价值。

5、本发明示例的环境监测系统，采用LoRa模块LoRa模块采用多频通信抗干扰能力强，功耗仅为100mW，通信距离大于3000m，能满足无人机和地面的通信要求，并确保所传送数据准确性。

6、本发明示例的环境监测系统，地面LoRa模块通过USB-UART模块与上位机连接，USB-UART模块将串口通信转换成USB格式，便于与上位机的通信，确保信号传输的顺畅。

7、本发明示例的无人机，搭载有环境监测系统，利用无人机灵活性强的优势，对人员无法进入的现场或固定位置进行监测具有明显的优势，气体采集结合温度信息、位置信息和风速风向信息，能够准确地反映取样地的污染情况，有利于地面工作人员掌握空中污染气体的浓度后，采取相应的应急措施，来避免污染物进一步扩散或灾害进一步升级。

8、本发明示例的无人机，可适应多种环境和地域的监测工作，并且采用温度采集模块、定位模块、风向风速测量仪相结合，可将采集不同点位的气体温度、定位信息、风向风速信息通过机载LoRa模块和地面LoRa模块传输到上位机，无人机降落之后根据采集的气体，利用便携式高精度气体分析仪进行分析得出基于无人机采集的多个区域不同位点的气体浓度，实现了对污染区域快速、准确地测量，而且该气体采集系统也可用于重大事故后污染状况的勘察，以助于地面工作人员迅速做出应急措施，防止污染气体进一步扩散，具有很高的实际应用推广价值。

9、本发明示例的无人机，环境监测系统搭载在吊舱上，吊舱包括至少两层，气袋与其他部件位于不同的分层内且气袋位于其他部件的上方，能够防止气袋充气过程中对线路造成挤压进而导致短路，同时也便于拆下气袋，进行后期的气体分析。

10、本发明示例的无人机，吊舱设置在脚架的固定底板上，环境监测系统除气袋之外的大部分部件设置在吊舱的下层，避免了各部件之间的相互干涉，并确保环境监测系统的重心和无人机的重心能在同一条垂线上，最大程度降低了搭载的环境监测系统对无人机飞行稳定性的影响，保证无人机安全飞行。

11、本发明示例的无人机，气泵的进气软管的开口通过支柱固定在高于螺旋桨旋翼的位置，因为在采集时要让无人机处于悬停状态，将进气软管的开口置于无人机旋翼气流影响大气气流最小的位置，即为无人机机架上方，两对称旋翼轴的中心，通过支柱固定高于旋翼处，通过这种方式减少了旋翼气流的干扰，保证了采集气体的真实性和数据的准确性。

12、本发明示例的无人机，搭载的气体采集系统设置有多个气袋，分别采集不同位点的多份气体样本，即每次升空可以测量多个位点，提高了工作效率；配备有电子调速器，便于灵活的控制无人机的飞行速度，更好的适应使用需求。

13、本发明示例的无人机，无人机与环境监测系统分别设置各自独立的电源，不仅使得无人机的续航能力增强，而且使得环境监测系统能够长时间的工作，在空中获得更多位点的采集气体，增加了监测系统的工作时间，提高了采集气体的效率。

14、本发明示例的环境监测系统的工作方法，通过微处理器控制其自动工作，搭载无人机一次升空能够采集多个位点的多份不同的气体样本，工作效率高，所采集样本的参考价值高。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例环境监测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例环境监测系统的连接示意图；

图3为本发明实施例无人机的结构示意图；

图4为本发明实施例环境监测系统的工作方法的流程示意图。

图中：1脚架，2固定底板，3螺旋桨，4电子调速器，5飞控，6机架，7支柱，8电池，9旋翼轴，10电机，11吊舱二层，12吊舱一层。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

如图1所示，本发明的一个实施例提供了一种气体采集系统，包括电源、气泵和多个气袋，所述气泵与多个所述气袋之间分别通过软管相连通，每个气袋分别对应设置有电磁阀，所述电磁阀的进气口与气泵连接，电磁阀的出气口与气袋连接；所述电磁阀分别连接有相对应的分支光耦继电器，所述气泵一端连接所述电磁阀，气泵另一端连接公用光耦继电器；所述电源与气泵及电磁阀相连接并为其供电。所述气袋的进气口处设置有止回阀。

本实施例还提供了一种环境监测系统，包括微处理器和本实施例的气体采集系统，所述公用光耦继电器和分支光耦继电器均与微处理器连接，所述微处理器与所述电源相连接。

微处理器还连接有温度采集模块、定位模块和风向风速测量仪。

所述微处理器上连接有机载LoRa模块，机载LoRa模块配备有与其相匹配的地面LoRa模块，所述地面LoRa模块与上位机连接，所述上位机设置有显示单元。

所述地面LoRa模块通过USB-UART模块与上位机连接。

本实施例中各部件的连接关系如图2所示，气体采集系统的电源采用12V直流电源，微处理器采用单片机，所述单片机芯片采用STM32F103ZET6，为整个气体采集系统的控制中心，温度采集模块采用DS18B20温度传感器，定位模块采用GPS/BD定位系统，风向风速测量仪可选用XP11-FC-FC风速风向仪。机载LoRa模块和地面LoRa模块芯片均采用LoRa-SX1278，机载LoRa模块实现远距离通信，并以433MHz无线通信网与地面LoRa模块实现无线数据传输功能。上位机可采用电脑，显示单元为电脑的显示屏，地面LoRa模块通过USB-UART模块与上位机连接，USB-UART模块将串口通信转换成USB格式，连接于上位机。

本实施例中，设置10个气袋，对应的设置10个电磁阀，10个分支光耦继电器。单片机的通电电压为3.3-5V，而气泵、常闭电磁阀电压均为12V，不能直接控制，所以用光耦继电器(相当于一个开关，即通过低压电路控制高压电路)连接单片机，通过单片机控制光耦继电器的开启和关闭，来控制电磁阀和气泵的开启和关闭，气泵和某一气袋的电磁阀同时开启时，向该气袋内充气，3s内即可把500ml的气袋充满。无人机每次携带10个气袋，即每次升空可测量10个位点，提高了工作的的效率。

如图3所示，本实施例还提供了一种无人机，包括机架6，机架6的底部设置有脚架1，所述脚架1上设置有固定底板2，固定底板2上设置有吊舱，吊舱内搭载有本实施例的环境监测系统；所述吊舱包括吊舱一层12和吊舱二层11，所述气袋位于吊舱二层11内，电源、单片机、气泵、定位模块、温度采集模块、风向风速测量仪等其他部件均位于吊舱一层12内。

气袋位于吊舱二层11内，防止气袋充气过程中，对线路造成挤压，形成短路，同时也便于拆下气袋，通过便携式气体分析仪测量浓度。整个气体采集系统的重量不超过1.5kg，但其仍然会对无人机的飞行稳定性有一定的影响。因此应合理布置气体采集系统的电源、PCBA、电磁阀、气泵、光耦继电器在吊舱一层的所在的位置，使之不发生干涉，并确保采集系统的重心和无人机的重心能在同一条垂线上，保证无人机安全飞行。整个吊舱固定在无人机脚架1上。

机架6上设置有旋翼轴9，旋翼轴9的一端设置有螺旋桨3，旋翼轴9的另一端设置有电机6，旋翼轴9中心位置设置有纵向的支柱7，所述气泵的进气口连接进气软管，进气软管的开口通过支柱7固定在高于螺旋桨旋翼的位置。

因为在采集时要让无人机处于悬停状态，将进气软管的开口置于无人机旋翼气流影响大气气流最小的位置，即为无人机机架6上方，两对称旋翼轴的中心，通过支柱7固定高于旋翼处，通过这种方式减少了旋翼气流的干扰，保证了采集气体的真实性和数据的准确性。

机架6的中部设置有飞控5和电池8，在飞控5与螺旋桨3以及飞控5与电机10之间分别设置有电子调速器4。电池8为与无人机匹配的电源，与气体采集系统的电源相互独立，电池8为无人机提供动力。因为无人机的续航能力有限，所以无人机和气体采集系统分别配置各自的电源，气体采集系统不耗用为无人机提供动力的电源，从而保证无人机的续航能力增强，另外使得该监测系统能够长时间的工作，在空中获得更多位点采集气体，增加监测系统的工作时间，提高了采集气体的效率。电子调速器4便于灵活的控制无人机的飞行速度，更好的适应使用需求。

如图4所示，本实施例还提供了上述环境监测系统的工作方法，包括：

S1：微处理器得电，即：单片机上电；

S2：温度采集模块、定位模块、风向风速测量仪采集信号并发送至微处理器；

S3：微处理器发送指令控制公用光耦继电器和分支光耦继电器的动作；

S4：公用光耦继电器控制气泵工作，分支光耦继电器控制电磁阀动作；

S5：气泵像电磁阀开启的气袋内充气；

S6：任一气袋充满后，发送该气袋充气时温度采集模块、定位模块、风向风速测量仪采集的信号至上位机；

重复S3～S6直至气袋全部充满。

本发明示例的基于无人机的环境监测系统，可适用于工厂泄漏有毒有害气体气体采集、工业园区的气体采集、养殖场附近气体采集及烟囱出口处气体采集等。

对10个气袋编号，通过上位机对下位机发送指令，到达某一位置启动1号袋采集，当采集完毕时自动将此位点的经度、纬度、海拔、北京时间、温度、风速和风向信息发送到上位机；到达另一位置启动2号袋采集，同样发送上述信息，以此类推。使用此方法可以随机采集任意一点，提高了智能化水平。

以养殖场附近的气体采集为例，由于养殖场附近释放出大量的氨气、硫化氢及其它污染物，因此气袋要有一定耐腐蚀性，比如采用耐腐蚀材料制作，或者表面设置耐腐蚀涂层，待气袋充满后温度传感器、GPS/BD定位系统和风向风速测量仪将此时的温度、位置信息和风向风速信号传输至单片机，同时将该整合信息通过机载LoRa模块的433Mhz无线通信网传输至地面LoRa模块，地面LoRa模块接收该整合信息后传输至上位机，在显示单元中显示的各个位点污染物温度、位置信息和风向风速信息，用高精度便携式气体分析仪得出每个位点的污染物浓度，通过监测能够有效预测氨扩散浓度，可以减少养殖场大气氨的排放，对减少大气污染和保护生态环境具有重要意义，同时在对同类养殖场的建设有一定指导性意义。

本发明示例的气体采集系统，搭载在无人机上，当所测气体未知时也可以采集回来，通过多功能气体分析仪定性分析，然后定量分析。能够采集在空气中浓度较低气体，但又对污染影响较大的气体。或者不知为何种气体时，先进行采集，通过地面便携式高精度气体分析仪器，能够准确地检测出气体的浓度，大幅度提高了测量数据的准确性，使结果更令人信服。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本发明的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种气体采集系统，其特征在于，包括电源、气泵和多个气袋，所述气泵与多个所述气袋之间分别通过软管相连通，每个气袋分别对应设置有电磁阀，所述电磁阀的进气口与气泵连接，电磁阀的出气口与气袋连接；所述电磁阀分别连接有相对应的分支光耦继电器，所述气泵一端连接所述电磁阀，气泵另一端连接公用光耦继电器；所述电源与气泵及电磁阀相连接并为其供电。

2.根据权利要求1所述的气体采集系统，其特征在于，所述气袋的进气口处设置有止回阀。

3.一种环境监测系统，其特征在于，包括微处理器和权利要求1或2所述的气体采集系统，所述公用光耦继电器和分支光耦继电器均与微处理器连接，所述微处理器与所述电源相连接。

4.根据权利要求3所述的环境监测系统，其特征在于，所述微处理器还与以下部件中的一种或多种相连接：温度采集模块、定位模块、风向风速测量仪。

5.根据权利要求4所述的环境监测系统，其特征在于，所述微处理器上连接有机载LoRa模块，机载LoRa模块配备有与其相匹配的地面LoRa模块，所述地面LoRa模块与上位机连接，所述上位机设置有显示单元。

6.根据权利要求5所述的环境监测系统，其特征在于，所述地面LoRa模块通过USB-UART模块与上位机连接。

7.一种无人机，包括机架，机架的底部设置有脚架，其特征在于，所述脚架上设置有固定底板，固定底板上设置有吊舱，吊舱内搭载有权利要求4-6任一所述的环境监测系统；所述吊舱包括至少两层，所述气袋与其他部件位于不同的分层内且气袋位于其他部件的上方。

8.根据权利要求7所述的无人机，其特征在于，所述机架上设置有旋翼轴，旋翼轴的一端设置有螺旋桨，旋翼轴的另一端设置有电机，旋翼轴中心位置设置有纵向的支柱，所述气泵的进气口连接进气软管，进气软管的开口通过支柱固定在高于螺旋桨旋翼的位置。

9.根据权利要求8所述的无人机，其特征在于，所述机架的中部设置有飞控和电池，在飞控与螺旋桨以及飞控与电机之间分别设置有电子调速器。

10.一种如权利要求5所述的环境监测系统的工作方法，其特征在于，包括：

S1：微处理器得电；

S2：温度采集模块、定位模块、风向风速测量仪采集信号并发送至微处理器；

S3：微处理器发送指令控制公用光耦继电器和分支光耦继电器的动作；

S4：公用光耦继电器控制气泵工作，分支光耦继电器控制电磁阀动作；

S5：气泵像电磁阀开启的气袋内充气；

S6：任一气袋充满后，发送该气袋充气时温度采集模块、定位模块、风向风速测量仪采集的信号至上位机；

重复S3～S6直至气袋全部充满。