基于无人机的危险气体检测方法|江阴雨辰互联

2023年6月28日发(作者：)

基于无人机的危险气体检测方法

摘要：近年来，危险气体泄漏引起的爆炸事故层出不穷。据统计，仅在2020年第一季度全国燃气事故数量共计87起，事故共造成14人死亡，51人受伤。可见危险气体泄漏的危害巨大。本文通过分析总结传统危险气体检测方法的优缺点。基于STM32F450无人机套件以及STM32F103C8T6核心板的研究，从安全，便捷着手为危险气体的捕捉与封存提供高效的新型解决方案。

关键词：危险气体泄漏；爆炸事故；无人机

1.前言

据统计，2017年我国共发生爆炸气体泄漏事故702起，共1100余人受伤，126人死亡；仅2018年上半年就有燃气爆炸事故780起，共371人受伤，28人死亡。可见危险气体泄漏引发的爆炸事故危害性之广泛。

目前，对于检测危险地带的气体泄漏情况，国内外主要采用气体泄漏检测仪进行检测，如“impulse x1可燃气体检测报警器”，“PGM-1820可燃气体检测仪”，“燃气泄漏检测分析仪器”等，但它们停留在检测人员手持检测仪到大概泄漏位置进行检测的“半自动”层面。开发一个让人远离危险区，通过遥控以及远程数据显示就能知道泄漏位置并做出相应的报警提示的无人机检测危险气体泄漏系统显得尤为重要。

本课题基于STM32F450无人机套件以及STM32F103C8T6核心板做了以下研究。首先在无人机飞行控制方面，通过分析检测系统所需的飞行距离、高度等，实现对无人机的飞行控制；在数据采集方面，在分析危险气体的种类之后，选取甲烷、氢气、一氧化碳、硫化氢传感器采集泄漏数据；数据无线传输方面，通过对常用的远距离无线传输技术研究，设计本课题无线传输方案，配合无线传输模块完成无线传输程序开发；移动平台应用程序开发方面，通过分析多种移动开发平台优缺点，选取微信小程序作为移动端。通过无人机对危险气体进行检测的方式，可以有效减少因危险气体泄漏引发的爆炸事故，做到及时检测、及时决策、及时反馈、及时警报。为危险气体的捕捉与封存提供高效的新型解决方案。

2.系统设计

该装置无人机采用STM32F450核心板进行控制，结合PIX2.4.8飞控系统，实现无人机的启停、上升、下降、前进、后退等功能，便于无人机进入到各种复杂的气体泄漏环境中。

危险气体数据采集及定位检测时，选取4种危险气体传感器，分析危险气体的浓度并利用GPS准确定位气体泄漏位置。

由于危险气体检测需兼顾室内和室外应用，所以数据通过无线方式传送到服务器，选取工业级四频GSM/GPRS模块，对比分析无线传输协议，选取HTTP协议实现数据的无线传输服务，保证可靠的数据传输，实现数据的实时反馈。

后端使用Spring MVC框架实时接收无人机检测的气体浓度数据。经过分析计算后使用JSON格式通过HTTP协议将数据传输到可视化应用。

最后用WXML、WXSS、JS、JSON在微信开发者工具中编写微信小程序，实时显示甲烷，氢气，一氧化碳和硫化氢的浓度。当由这四个数据算得的危险系数超过阀值时，提示用户及时排除危险。 3.详细系统设计

3.1无人机硬件详细设计

无人机检测危险气体装置采取MQ4天然气传感器、MQ8氢气传感器、MQ9一氧化碳传感器、MQ135硫化氢传感器采集气体泄漏浓度，将危险气体体积分数转换为对应电信号的模拟量，通过ADC模块进行模拟量与数字量的转换。无线传输模块GPRS通过RS232协议接受危险气体浓度数据并无线传输到后端服务器。

图2 嵌入式软件流程图

嵌入式软件实现流程图如图2所示。无人机进行危险气体检测时，首先完成系统初始化工作。飞行控制系统接收遥控器的控制命令，控制无人机飞行。数据采集系统主要完成对当前环境数据的采集，传感器主要采集甲烷、氢气、一氧化碳、硫化氢等危险气体浓度数据，用以判断当前环境危险气体泄露情况。无人机摄像头采集视频数据，用于无人机飞行操作和检测人员远程分析当前气体泄露情况。GPS采集位置信息，定位气体泄露位置，气压/高度传感器采集当前飞行高度信息，并将所有数据通过GPRS模块上传后端服务器。

3.2详细后端设计

服务器端接收到HTTP请求之后，通过Tomcat后端服务器进行解析处理，封装成Servlet对象，传递给SpringMVC框架。数据在Service层进行处理后传递给Mybatis框架，存储到Mysql数据库中。同时，将处理后的数据以JSON格式传递到微信小程序。

图3 后端设计图

3.3详细移动端设计

移动平台采用微信小程序进行移动端的开发。视图层用WXML和WXSS以及部分组件实现，逻辑层用JS和调用部分API实现。微信小程序的用户界面主要实现实时查看由后端分析后的气体浓度信息，并根据各个数据的危险程度提示用户注意排查安全隐患。

4.系统测试与分析

为证明实验结果正确性，本项目采用多种实验条件下进行仿真测试。

在标准环境下（无气体泄露），分别在室内以及室外进行无人机气体检测，当无人机到达预设区域时，手机可视系统显示气体浓度显示正常，APP没有警示信息。

在利用打火机中燃气进行危险气体模拟测试环境中，分别在室内与室外进行模拟测试，当无人机到达预设区域时，手机可视化系统显示危险气体浓度升高，当室内外危险气体释放达到一定浓度时，APP显示危险信息预警。

当利用烟雾进行危险气体模拟时，分别在室内与室外进行模拟测试，当无人机到达预测区域时，手机可视化应用显示一氧化碳浓度升高APP预警，同时视频准确显示当前仿真泄露点的环境情形。

5.结论本文针对当前危险气体泄露检测不方便、危险性高、泄露环境复杂等问题，提出一种基于无人机进行危险气体检测的方法。首先，无人机通过远程遥控以及视频监控，飞行到气体泄露位置，4种危险气体传感器对于空气中主要的危险气体进行检测，并将结果反馈给手机可视化应用，便于检测人员对于气体泄露位置进行分析。

仿真结果表明该系统具有以下优点。