基于LORA和四旋翼的大气环境智能检测系统设计

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摘 要： 为了实时掌握大气环境信息，提高工作效率，减少人工成本，设计一种基于LORA和四旋翼的智能檢测系统。系统以STM32微处理器为中央控制器，四旋翼飞行器为传感器搭载平台，采用LORA扩频技术将采集数据传送到监控终端节点，实现大气环境的实时显示。实验结果表明，该系统具有实时性好、检测范围广、整体功耗低等特点，具有广泛的应用前景。

关键词： 大气环境信息； LORA； 四旋翼； STM32微处理器； 智能检测系统； 监控终端

中图分类号： TN915.5⁃34 文献标识码： A 文章编号： 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

随着工业化和城镇化进程的加快，有毒、有害等突发性大气污染和城镇雾霾频发，严重威胁了人类的生存和发展，已被评为地球上“最危险的环境致癌物质之一”[1⁃2]。因此，如何方便、及时地获取精准、可靠的大气环境基础数据资料，实现对大气环境的有效监控和保护成为亟待解决的问题。现有的大气环境检测方法主要分为两种：一是采用便携式空气监测仪人工采样、分析的方式；二是采用由远程监测中心和若干个监测子站组成的大气环境自动监测系统[3⁃4]。前者存在劳动强度大、时间周期长、针对性差、数据采集慢等问题，无法反映大气环境动态变化，且不易及早发现污染源并报警。后者虽能较好解决上述不足，但需要预先铺设电缆并建立多个监测子站，存在系统成本高、监测大气范围有限、易对监测区域造成破环等缺点。

本文结合了LORA扩频技术[5⁃6]和四旋翼飞行器[7⁃8]的双重优势，设计一种大气环境智能测试系统。该系统针对目前影响空气质量指数的细颗粒物（PM2.5）、可吸入颗粒物（PM10）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）及一氧化碳（CO）六种主要大气污染物[8]进行了测试，有效地完成了大气环境智能监控。

1 系统总体设计

大气环境智能检测系统主要由ARM微控制器STM32F103、四旋翼飞行器、数据采集电路、AS32⁃TTL⁃100无线串口模块和数据监控电路组成。系统总体框图如图1所示。四旋翼飞行器用于搭载大气环境检测系统，STM32F103处理器将采集数据通过AS32⁃TTL⁃100无线串口模块传递给监控终端，并在终端进行显示及处理。通过四旋翼的巡航飞行，提高系统工作效率和实时性，减小系统成本。

2 系统硬件电路设计

大气环境智能检测系统主要包括四旋翼大气环境检测平台和数据监控终端平台。系统采用模块设计，便于调试和开发。

2.1 微处理器概述

系统主控芯片为32位STM32F103微处理器。它采用Cortex™⁃M3内核，工作频率72 MHz，拥有DCode总线（D⁃bus）、系统总线（S⁃bus）、通用DMA1和通用DMA2四个驱动单元，USART，ADC，DAC，RTC，SDIO，I2C及SPI丰富的外设接口[9⁃10]。其三种低功耗模式：睡眠模式、停机模式和待机模式，可以确保系统的低功耗性。此外，其Thumb⁃2指令集使系统运行的实时性和工作效率大大提高。

2.2 四旋翼控制系统设计

四旋翼飞行器是由四个直流无刷电机驱动的十字交叉螺旋桨提供全部动力的飞行运动装置。其机身轻便、易操控，能够实现垂直起降、自由悬停等功能。本文提出用一台四旋翼飞行器作为大气环境检测系统的搭载平台，充分利用了四旋翼作业效率高、实时性强、机动灵活、使用方便、监测范围广等特点，为大气环境检测提供了一种新的技术平台与工具选择，也为四旋翼机的应用开辟了一个全新的领域。四旋翼控制系统框图如图2所示。AHRS模块内集成三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁强计，STM32可以通过串口读取飞行器的姿态角、角速率及磁航向等信息，经过相关处理后，通过PWM信号控制四个电机，从而实现姿态控制。此外，系统采用超声波传感器以及GPS全球定位系统，将三维地理位置等信息，通过无线串口模块传递给监控终端，实现巡航控制。

2.3 无线串口通信设计

LORA是LPWAN（低功耗广域网）通信技术中的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案[11]。它比2.4 GHz的WiFi、蓝牙、ZigBee等局域网的无线技术传输距离更远，比2G/3G/4G等广域网的无线技术功耗更低，兼顾了远距离和低功耗的双重优势，能够有效地节省中继器成本，具有远距离、低功耗（电池寿命长）、多节点、低成本的特性[12]。同时，LORA信号对建筑的穿透力也很强，非常适合应用在城市大气环境监测系统中。

AS32⁃TTL⁃100是一款100 mW，高稳定性，工业级的无线数传模块。其采用SX1278主芯片，LORA扩频传输，TTL电平输出，兼容3.3 V与5 V的I/O口电压。同时具有一般模式、唤醒模式、省电模式和休眠模式四种工作模式，抗干扰性强、传输距离远、功耗极低。无线通信模块的连接框图如图3所示。

3 系统软件设计

大气环境智能检测系统的软件分为四旋翼搭载平台软件设计、检测终端软件设计。其主要采用自底向上模块化程序设计方法。

3.1 四旋翼搭载平台软件设计

四旋翼搭载平台程序主要完成大气环境信息、AHRS航姿参考数据、飞行器三维数据、遥控器数据的采集，飞行器控制，以及无线串口数据通信等功能，其程序结构框图如图4所示。

四旋翼搭载平台流程图如图5所示。系统首先进行单片机外设、SPI和中断初始化；其次，开全局中断，采集各传感器数据；再次，进行飞行器控制，大气环境信息均值计算；最后，将采集到的数据打包后，通过串口发送给检测终端。

3.2 检测终端软件设计

检测终端程序主要负责大气环境信息的处理及显示。其程序流程图如图6所示。首先，系统初始化；其次，AS32⁃TTL⁃100串口通信模块读取数据。当配对成功读取到数据后，在LCD12864液晶显示器上进行处理及显示。

4 系统调试结果分析

系統调试是整个系统在设计和开发中的一个不可或缺的环节，是保证系统性能和质量的重要步骤。系统上电后，发射端和接收端LED灯同时闪烁，表明AS32⁃TTL⁃100串口通信模块配对成功。四旋翼大气环境检测平台和数据监控终端平台的示意图如图7、图8所示。图8表明数据监控终端可以实时显示大气环境相关信息，通过计算可以得知当前空气质量为优。

5 结 论

四旋翼是人类智慧的结晶，其具有作业效率高、实时性强、机动灵活、使用方便、监测范围广等特点，为突发性环境事件的预防控制、各类信息的快速获取提供强有力的技术支撑。基于LORA扩频技术的AS32⁃TTL⁃100无线传输模块，功耗低、传输距离远，延长了电池的使用寿命。将四旋翼和LORA扩频技术应用于大气环境监测系统，实现了优势的互补，具有立体监测、响应速度快、监测范围广、续航能力强、地形干扰小等优点，非常值得推广。

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