CN204831366U - 机载吊舱式空气环境监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机载吊舱式空气环境监测装置，其特征在于所述装置装配在飞行器上，包括用于检测空气颗粒浓度、温度、湿度的空气传感器模块、用于采集空气的气体采集模块、用于根据GPS卫星进行定位的GPS定位模块、用于与用户进行无线通信的无线通信模块、用于提供主控制器模块电源的动力模块和分别与空气传感器模块、气体采集模块、GPS定位模块、无线通信模块和动力模块电连接的主控制器模块。该吊舱式空气环境监测系统与飞行装置结合，增强其灵活性。该装置可实时分析受限区域空气参数并完成空气样本采集。另外视频采集模块在增加装置可操作性的前提下，为环保执法提供了可靠证据。

Description

机载吊舱式空气环境监测装置

技术领域

本实用新型属于环境监测技术领域，具体涉及一种机载吊舱式空气环境监测装置。

背景技术

空气污染已成为全世界城市居民生活中一个无法逃避的现实。工业文明在为人类创造巨大财富的同时，也对人类赖以生存的大气圈造成了不同程度的污染。对于我国而言，最近几年所引发的空气污染问题接踵而来，这直接威胁了人们的生活质量和身体健康。因此，高效、灵活、可靠的空气污染监测装置是有效防治空气污染的必要前提。

人类社会发展的进程中，带来了严重的环境污染问题。空气污染，又称为大气污染，按照国际标准化组织的定义，空气污染通常是指由于人类活动或自然过程引起某些物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到足够的时间，并因此危害了人类的舒适、健康和福利或环境的现象。空气污染源的监测可以客观反映空气污染的主要来源情况，是一种准确、及时的方法，结合空气污染源的监测结果，相关部门可以正确做出决策，有利于缓解空气污染现状。

我国工业发展步伐较快，综合国力水平大幅度提高，带来的环境污染问题也越来越严重。近年来，国家对空气质量检测系统的建设日趋重视，部分省、市与重点城市开展了联网空气质量检测工作，但是仍然存在很大的局限性，如气象局每天所发布城市空气质量指数，只能总体上描述一个城市的整体空气质量，然而实际情况中，市区和郊区、同一城市的不同区域的空气质量是有区别的。污染源监测是一种环境监测内容，多采用传统人工取样实验室分析法和便携式气体分析仪现场监测法对监测区域进行监测，很少一部分地区也建立了污染源自动监控系统，但建设成本太过高昂，全国已安装和正在建设污染源自动监控系统仅达数万个，这很难满足现实的需求。另外，通过人工取样实验室分析方式手工读取数据后再上报，这种数据的获取方式比较滞后，无法保证数据实时上报，不能及时提供有效的数据值。基于当前热门的无线传感网络ZigBee技术，一些研究者提出了基于ZigBee无线传感网络的空气质量监测系统，实现了采集节点的灵活布置和污染数据的无线采集，但存在的不足是ZigBee对于视频和图像等多媒体数据的传输存在很大的缺陷，以及ZigBee所需要的上位机开发难度较大，过度依赖于PC机的web服务器，且对于受限区域和污染源处使用不方便等缺点。本实用新型由此而来。

发明内容

本实用新型目的在于提供一种机载吊舱式空气环境监测装置，解决了现有技术中空气环境检测受区域和污染源限制，使用不方便，无法准确及时地获取检测信息、无法进行流动采样等技术问题。

为了解决现有技术中的这些问题，本实用新型提供的技术方案是：

一种机载吊舱式空气环境监测装置，其装配在飞行器上，其特征在于所述装置包括用于检测空气颗粒浓度、温度、湿度的空气传感器模块、用于采集空气的气体采集模块、用于根据GPS卫星进行定位的GPS定位模块、用于与用户进行无线通信的无线通信模块、用于提供主控制器模块电源的动力模块和分别与空气传感器模块、气体采集模块、GPS定位模块、无线通信模块和动力模块电连接的主控制器模块。

优选的技术方案是：所述装置还包括用于进行视频或者图像采集的视频采集模块，所述视频采集模块与主控制器模块电连接。

优选的技术方案是：所述主控制器模块包括MT7620N主控单元，所述MT7620N主控单元通过USB转串口电路与空气传感器模块、气体采集模块、GPS定位模块、无线通信模块连接。

优选的技术方案是：所述气体采集模块选用气泵或者气体收集袋。

优选的技术方案是：所述空气传感器模块包括用于检测PM2.5数值和PM10数值的可吸附颗粒传感器、用于检测烟雾的浓度的烟雾传感器、用于检测环境温度和环境湿度的温湿度传感器。

优选的技术方案是：所述可吸附颗粒传感器通过USB转串口电路直接与MT7620N主控单元连接；所述温湿度传感器、烟雾传感器通过STM32处理器与MT7620N主控单元连接。

优选的技术方案是：所述气体采集模块通过STM32处理器与MT7620N主控单元连接。

优选的技术方案是：所述动力模块包括吊舱电池组和电源管理模块，所述吊舱电池组通过电源管理模块稳压整流后给MT7620N主控单元提供电源。

优选的技术方案是：所述MT7620N主控单元采用DRAM内存芯片，并采用NANDFlash和/或SPIFlash作为存储介质。

优选的技术方案是：所述飞行器为航空器，所述航空器选自气球、滑翔机、飞艇、飞机、直升机。

本发明的工作原理在于：

本发明的机载吊舱式空气环境监测装置主要由空气传感器模块、空气样本采集模块、GPS定位模块、无线通信模块、视频采集模块组成。将其搭载于飞行装置上，操作人员通过调整飞行装置的姿态与位置，并借助于智能手机与机载吊舱进行数据通信。此装置可实现对人类难达区域（高空、工厂烟囱等）的污染源采集、分析等工作。

该吊舱式空气环境监测系统与飞行器这样的飞行装置结合，可以根据飞行器移动到需要的空间位置，由于飞行器的灵活性，也增强了检测装置的灵活性。

本发明的机载吊舱式空气环境监测装置装配了动力模块，可以设定样本采集的频率和样本量的大小，可实时分析受限区域空气参数并完成空气样本采集。通过无线通信模块可以远程传输数据，实现远程分析和控制。

本发明的机载吊舱式空气环境监测装置还配备视频采集模块，在增加装置可操作性的前提下，为环保执法提供了可靠证据。

相对于现有技术，本发明具有以下技术效果：

本发明基于飞行装置的机载吊舱式空气环境探测系统，其具有体积小、易安装、成本低、功耗低、灵活性高等特点：

a)吊舱式的设计可与飞行装置高效融合，进而借助于飞行装置的灵活性，对人类难到达区域（高空、恶劣自然环境区域等）进行全方位覆盖。

b)系统在设计时引入了高扩展的传感器模块，通过配备灵敏可靠的传感器可实现空气污染源的实时监测功能，进而有效克服传统人工采样分析法的低效率问题。

c)系统配备空气样本采集部分，可为后续实验室内的定量分析提供实验素材，进而更加精确的进行数据分析。

d)系统配备的摄像头模块，首先为操作人员提供了最直接的视觉感受，进而增强了系统的可操作性；其次为环境执法提供了最有效的证据。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为本发明机载吊舱式空气环境监测装置的系统整体框图；

图2为本发明机载吊舱式空气环境监测装置的系统硬件结构图；

图3为本发明机载吊舱式空气环境监测装置的MT7620N核心电路整体框图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例

如图1所示，该机载吊舱式空气环境监测装置，其装配在飞行器上，如热气球上，包括用于检测空气颗粒浓度、温度、湿度的空气传感器模块、用于采集空气的气体采集模块、用于根据GPS卫星进行定位的GPS定位模块、用于与用户进行无线通信的无线通信模块、用于提供主控制器模块电源的动力模块和分别与空气传感器模块、气体采集模块、GPS定位模块、无线通信模块和动力模块电连接的主控制器模块。

在系统硬件上，主要包括吊舱电池组、电池管理模块、主控MT7620N电路、传感器设备硬件、摄像头以及北斗GPS模块电路。其硬件结构框图如图2示中吊舱电池组部分采用7.2V电池组，容量3800mAh，系统正常工作需要3.3V和5V电压。研究采用IT7620和IT76530电源芯片方案，该型芯片是一个高效率同步降压DC/DC转换器，能够提供2.5A的连续输出电流，峰值电流高达3A。可以为系统提供稳定的电源支持。

7.2V转5V电路设计采用的是IT76520，7.2V转3.3V电路设计采用的是IT76530，输出电压由两个1%精度的精密电阻控制，峰值电流能达到3A，能够满足系统的正常使用。

MT7620N核心板电路主要有MT7620N处理器、内存及闪存、电源、无线局域网、有线以太网接口等部分组成。

处理器MT7620N采用NANYA公司生产的NT5TU32M16DG的内存芯片，该型芯片为512Mbit的高速DDR2型DRAM，采用的是8MbitX16I/OX4bank型内存芯片。

由MT7620N芯片的特性，该型芯片支持NANDFlash和SPIFlash。该型中Flash主要作为代码存储介质，从容量和成本角度考虑，采用容量不是太高的SPINORFlash更为合适。

。以太网接口电路的主要作用是调试使用的，程序的下载以及更新都是通过以太网口来进行的。

底板硬件电路设计包括MT7620NUSB口的拓展以及STM32串口和AD口的预留，STM32和MT7620N正常通信必须设计USB转串口电路，这样数据才能正常传输给MT7620N。MT7620NUSB口的扩展使用FE1.1S芯片，可使一个USB口扩展成四个USB口。

、传感器模块电路

系统默认配置温湿度传感器DHT11，烟雾浓度传感器，PM2.5和PM10传感器。其中，DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，产品具有极高的可靠性与长期的稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，采用单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。该传感器具有响应速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点。MQ-2烟雾传感器对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度。具有长期的使用寿命和可靠的稳定性，快速的响应恢复特性，适用于家庭或工厂的气体泄漏监测装置，可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。PM2.5和PM10传感器使用激光检测原理，能够得到空气中0.3~10微米悬浮颗粒物浓度，采用激光检测原理进行工作，由专用的激光模块产生一束特定的激光，当颗粒物经过时，其信号会被超高灵敏的数字电路模块检测到，通过对信号数据进行智能识别分析得到颗粒计数和颗粒大小，根据专业的标定技术得到粒径分布与质量浓度转换公式，最终得到PM2.5和PM10的质量浓度。

温湿度传感器采用单线制串行接口，只需要一个IO口即可完成传感器的驱动和数据的采集。

烟雾传感器电路设计了双路信号输出方式，模拟量输出及TTL电平输出，模拟量输出电压越高代表浓度越高，TTL输出有效信号为低电平。

、空气样本采集电路

空气样本采集是通过气泵把空气抽进气体采样袋中。所使用的电机正常工作需要1.5V电压，因此设计了AMS1117-1.5电压电路，电机则通过NPN三极管驱动，管脚MOTOR由STM32控制。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机载吊舱式空气环境监测装置，其特征在于所述装置装配在飞行器上，包括用于检测空气颗粒浓度、温度、湿度的空气传感器模块、用于采集空气的气体采集模块、用于根据GPS卫星进行定位的GPS定位模块、用于与用户进行无线通信的无线通信模块、用于提供主控制器模块电源的动力模块和分别与空气传感器模块、气体采集模块、GPS定位模块、无线通信模块和动力模块电连接的主控制器模块。

2.根据权利要求1所述的机载吊舱式空气环境监测装置，其特征在于所述装置还包括用于进行视频或者图像采集的视频采集模块，所述视频采集模块与主控制器模块电连接。

3.根据权利要求1所述的机载吊舱式空气环境监测装置，其特征在于所述主控制器模块包括MT7620N主控单元，所述MT7620N主控单元通过USB转串口电路与空气传感器模块、气体采集模块、GPS定位模块、无线通信模块连接。

4.根据权利要求3所述的机载吊舱式空气环境监测装置，其特征在于所述气体采集模块选用气泵或者气体收集袋。

5.根据权利要求3所述的机载吊舱式空气环境监测装置，其特征在于所述空气传感器模块包括用于检测PM2.5数值和PM10数值的可吸附颗粒传感器、用于检测烟雾的浓度的烟雾传感器、用于检测环境温度和环境湿度的温湿度传感器。

6.根据权利要求5所述的机载吊舱式空气环境监测装置，其特征在于所述可吸附颗粒传感器通过USB转串口电路直接与MT7620N主控单元连接；所述温湿度传感器、烟雾传感器通过STM32处理器与MT7620N主控单元连接。

7.根据权利要求6所述的机载吊舱式空气环境监测装置，其特征在于所述气体采集模块通过STM32处理器与MT7620N主控单元连接。

8.根据权利要求5所述的机载吊舱式空气环境监测装置，其特征在于所述动力模块包括吊舱电池组和电源管理模块，所述吊舱电池组通过电源管理模块稳压整流后给MT7620N主控单元提供电源。

9.根据权利要求5所述的机载吊舱式空气环境监测装置，其特征在于所述MT7620N主控单元采用DRAM内存芯片，并采用NANDFlash和/或SPIFlash作为存储介质。

10.根据权利要求1所述的机载吊舱式空气环境监测装置，其特征在于所述飞行器为航空器，所述航空器选自气球、滑翔机、飞艇、飞机、直升机。