基于无人机的大气二氧化碳浓度实时监测系统探讨

李冰皓 许运华

摘 要：近年来频频出现的突发性气体超标排放事件，对传统气体监测方式提出极大的挑战。基于无人机平台的CO2监测方式，可以破解固定点位监测和测试人员暴露于取样环境中的难题。该监测方式，可以对样本数据实时、精准、高效传输，对于存在的问题及时预警，极大减轻从业人员工作强度，克服复杂环境对测试的影响。

关键词：无人机平台;样本数据;CO2监测方式

一、前言

随着社会的发展和全球工业化进程的加快，人类对环境的影响日益加剧。其中，全球气候变暖，给人类带来了巨大的挑战，经研究发现，人类活动和工业生产排放的温室气体是引起这一变化的主要原因。京都议定书明确指出，温室气体主要包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氫氟碳化物（HFCs）、全氟碳化物（PFCs）和六氟化硫（SF6），其中二氧化碳占比约55%，产生的增温效应占比可达63%。进入21世纪以来，CO2的排放量大大增加，其浓度值远远超过了过去的几个世纪，据测算，到本世纪中后期将达到500ppm[1]。当前，国际组织在积极应对碳排放问题，世界各国以全球协约的方式减排温室气体。近年来我国积极参与国际社会碳减排，在2021两会上，“碳达峰、碳中和”被首次写入政府工作报告，实现经济走向绿色可持续发展。

目前对大气监测研究，大多集中在对整个大气CO2浓度变化进行研究，即对工业企业生产中的CO2浓度监测，大多停留在固定点位监测，或者实验室化验监测。针对近期频发的突发性CO2超标排放事件，传统的定点监测难以满足监测需求，具备不同维度的快速监测对于环境治理及污染扩散具有重大意义。要实现碳排放精准控制，需要更加快捷、准确、实时的区域性监测方法。无人机技术的快速发展，使大气环境监测方法不再局限于固定点位监测[2]。另外，无人机技术与传感技术相结合，能够有效弥补传统监测方式存在的不足，可实现现场数据动态获取、同步回传、迅速预警，从而为大气监测提供了一种高效方式。

本文主要从无人机CO2浓度实时监测系统总体设计、优势分析、未来应用前景三方面进行论述，旨在为无人机大规模应用于气体监测提供可行性分析和理论支撑。继而减轻从业者劳动强度，有力保障其人身安全，提升监测时效和监测精度。

二、无人机CO2浓度实时监测系统总体设计

从总体上说，要实现无人机上搭载CO2监测装置，对指定区域内气体浓度进行实时监测，可分为四个主要单元：无人机平台选型和扩展单元，CO2监测装置和承载单元，远程控制单元、实时监测程序设计单元[3]。总体设计方案如图1-1所示。

1、CO2监测装置和承载单元

市面上有各种相对成熟的高精度便携气体监测装置，基于无人机对于设备自身重量和监测设备连续工作时间等因素，本文选取深圳元特科技有限公司生产的泵吸式CO2气体监测装置，其型号为SKY6000-04，其实物如图1-2所示。

该设备优点是选用PID光离子传感器，监测精准性高，3.5寸高清彩屏，无线通讯（选取蓝牙、LORA、4G、WIFI等无线模块，外置蓝牙打印机，通过电脑和手机端可查看实时数据），内置采样泵，可实现为不同的气体在诸多复杂环境定制气流监测，可以持续工作10小时。主要性能参数如表1-1所示。

气体监测承载装置是系统设计中重要一项，其实际搭载位置需要结合无人机平台独立设计。本设计中因气体监测仪通过进气泵将气体导入，气体监测仪重量均匀分布问题和无人机升空平衡问题需要纳入考虑范围。选取承载装置的原则是

保证安全前提下选择重量小的，故选择新型碳纤维材质，此外尽可能安装重心与无人机平台重心在一条垂直线。

2无人机平台选型和扩展单元

按照常用的无人机分类方法，可分为固定翼和多旋翼无人机。本设计选取当下相对技术成熟的大疆多旋翼无人机大疆经纬M300 RT。选取原因有两方面：

一是选取多旋翼无人机其工作原理是靠多个旋翼同时转动来平衡无人机和扩展单元的重力，悬速增加，无人机向上的升力会大于重力，即可实现整体平稳上升。另外，要实现指定区域内CO2的监测，需要多次、多点位反复核验，所以需要无人机可以水平移动，多旋翼无人机横斜分力可以很好的实现该功能。

二是考虑到现场数据采集过程中，无人机作为气体监测平台，无人机选取动力形式要采用无排放模式，故选用动力电池类型的无人机。这样可以避免因自身动力排放，影响气体监测精度，较少误差。选取大疆经纬M300 RT，电机转速控制较为容易，可实现遥控操作，不需要初速度，起飞降落方便，飞行场地选择灵活。基于最大起飞重量可达9 kg，最大飞行海拔高度5000 m，最大可承受风速15 m/s，工作环境温度-20℃至 50℃等参数指标，选取该型号作为无人机监测平台可满足各项参数指标。如图1-3所示：

3远程控制单元

该控制单元的设计，基于为无人机搭载气体监测仪提供实时控制信号，可实现操作者在地面远程控制无人机搭载气体监测仪进行气体监测。远程控制单元的设计，从监测仪操作部分引出接线端，设计独立的控制系统，实现对无人机和气体监测仪的两路控制[4]。

远程控制单元基本功能包括：气体监测仪的工作状态模块，无人机工作状态模块，CO2监测阈值上下限调整模块，被测CO2超标报警模块，无人机平台采样点位取样模块，无人机报警模块等。

通过以上基本模块的设计，可实现液晶屏在远程灵活控制无人机平台和监测仪实时工作状态，对其飞行数据和气体监测实时数据清晰显示。

4实时监测程序设计单元

监控程序设计单元，是基于远程控制单元的模块化思想的前提，程序编写采用模块编程思路。程序设计方案如图1-4所示。本文采用C语言，运用keil环境进行调试编辑工作。

独立芯片主控制系统是本单元的核心模块，无人机平台动力程序和CO2气体监测程序同时与核心主控制系统进行数据输出和反馈，并且二者由于是互相依附关系，实时同步进行数据交互，以实现无人机平台前提下的CO2气体监测。主控制系统与液晶屏之间建立双向联系，可实现人机互动，便于远程控制精准化[5]。

无人机平台动力程序的下游环节是无人机采样点位科学化选取程序，该环节是为了确保气体监测数据准确可信，保证取样反映环境真实状况，如果在取样过程中，已经达到无人机各项动力参数的阈值，报警单元迅速启动，该报警单元为无人机提供安全折返保障。

CO2气体监测程序的下游环节是CO2监测阈值上下限调整环节，该环节的设定是为了满足不同工况条件下CO2数据标准不同，可以根据实验标准进行上下限调整，进而满足各类实验要求。一旦超出该实验要求，转入超标报警环节。

三、優势分析

1、有效弥补传统监测方式不足，机动灵活：传统监测大都停留在固定点位，或者是实验室化监测层面，该设计灵活选择扫描路径与监测方位，不受地表因素（如道路与建筑等）限制，且准备时间短，出动速度快。

2、快速锁定污染源：通过带有经纬度标记的污染浓度数据和强大的数据可视化与分析软件，可以快速定位污染源的位置与传输方向。利用作业隐蔽性强的特点，为环境监管部门提供行动指南，及时回应社会关切。

3、降低人身风险：在突发性环境污染事件中，可利用大气监测无人机代替人工深入危险区域采集数据，确保人员安全;

4、全面分析：利用大气监测无人机扫描不同高度下的三维污染浓度信息，可帮助有关部门了解污染的三维空间分布情况，进而捋清污染成因及传输特点，为大气防治提供行动思路和依据。

四、未来应用前景

无人机平台具有成本低、损耗小、可重复实验且危险系数小等特点，在气体监测领域推广应用，可以为CO2气体监测提供有力帮助，切实提高环境监测质量，从而让环境监测工作更精准和高效。利用无人机对不同维度气体快速监测，对于定性判断污染程度以及防扩散外溢具有重要意义[6]。利用无人机平台气体监测过程中，仍需着力解决一些技术和标准规范层面的问题。

1、加大小型、轻型的气体监测设备研发力度，减小无人机负载和自身空间限制等因素的影响。

2、扩展无人机平台下气体监测数据分析处理系统，提升人机互动体验感

有助于提高在复杂工况环境下气体导入监测水平。

3、无人机飞行高度受限，电池续航能力还有待提高，且在水域上空发生故障时难以回收。因此，需要加强监测现场环境的实地调查与研判，合理有效规划无人机飞行航线，提高无人机操作的安全性。

4、针对无人机获取的气体监测指标数据，没相关的标准、规范，其数据只能作为参考，怎样和地面监测指标统一标准界定，实现空地一体化数据综合使用，是无人机应用技术开发的一个研究方向。

五、结语

本文对基于无人机CO2浓度实时监测系统进行总体设计，对于设计中的四个主要单元进行了硬件选项及程序流程图描述，实现无人机搭载CO2快速精准监测功能。通过多次系统调试及人机交互界面优化，实现了整体操作方便，灵活机动的系统性能，可以很好服务于行业应用。该设计的优势分析，本文总结为四个方面，较为客观全面的进行了总结。最后在未来应用前景中，肯定了该设计的重要意义，并提出需改进方向。

参考文献：

[1]陈宇.2016.中国城市大气污染的影响因素研究.[硕士学位论文].浙江大学

[2]魏顺成. 基于无人机的大气污染应急监测与溯源[D].杭州：浙江工业学，2020. [3][3]谢涛，刘锐，胡秋红，鹿强，杨维顺.2013.无人机大气环境应急监测系统设计探讨.环境科学与技术（S1）：289-293

[4]魏杰，戎征，邢昱等.无人机遥感技术在环境监测的应用研究[J].中国资源综合利用2018，36（10）：196-198

[5]李琪.无人机在大气环境监测中的应用[J]. 中国环保产业，2018（2）： 54-57.

[6]康晓风，于勇，张迪，王光，翟超英.2015.新形势下环境监测科技发展现状与展望[J].中国环境监测，（06）：5-8

作者简介：

李冰皓，男，硕士研究生，主要从事电子应用研究。

基金来源：

邢台市市级科技计划（项目编号：2021ZC041）