基于物聯網的氣象探測無人機研究

（榆林學院 信息工程學院，陜西 榆林 719000）

0 引 言

氣象工作在國家公共安全、軍事安全、生態安全、環境安全、資源安全等領域發揮著非常重要的作用，獲取精確、高分辨率的探測數據在安全防范和決策方面有著非常重要的意義[1]。傳統氣象數據監測與采集主要依靠自動氣象站、衛星、航空遙感等方式，這些傳統方法在時間和空間分辨率等方面存在一定缺陷。氣象無人機涉及遙感遙測、中繼通信、氣候變化監測、颶風監測、林火監測、生態保護等綜合應用領域，可實現包括溫度、濕度、氣壓、風速、風向、空氣質量等綜合氣象數據的探測和作業[2]。作為傳感器承載平臺，氣象無人機能夠以快速、靈活、多方位且更經濟的方式獲取傳感數據，并實現高空區域、定點、垂直、水平數據觀測；能夠在時間和空間上滿足監測需求，并獲取高分辨率探測數據；克服了傳統氣象監測方式的不足，為氣象數據的探索開辟新的可行性方案。

隨著物聯網技術的快速發展，氣象物聯網的應用使其能夠為相關領域提供更廣泛、便捷的專業服務。目前，在發達國家，物聯網技術已被應用于氣象監測和氣象預報中，也有國家將物聯網技術用于軍事氣象領域，為管理和決策提供智能化服務。在國內，物聯網技術主要在氣象數據監測、氣象信息發布、氣象服務等方面應用[3]。物聯網技術和氣象監測相融合，將是實現氣象服務行業創新和技術革新的關鍵所在，也是構建社會新模式和提高國家科技競爭力的重要舉措。

1 系統架構

系統總體架構如圖1所示，包括感知層、傳輸層、服務層和應用層。

圖1 系統總體架構

感知層由配置有傳感器的無人機群組構成，包括無人機終端節點和無人機網關節點，無人機終端節點搭載有氣象探測傳感器模塊，主要用于實施區域氣象數據的采集工作和完成其他復雜的任務要求；無人機網關通過機載攝像頭對其他無人機進行狀態監測，并接收環境感知數據。各無人機之間可進行數據通信，通過網關節點將數據傳輸至地面數據中心。傳輸層包括無線傳感網絡和Internet網絡，通過無線傳感網絡實現無人機的網內通信和數據中繼轉發，通過Internet網絡為用戶提供實時在線氣象信息服務。服務層包括地面數據接收中心和數據云服務平臺，地面數據接收中心用于接收無人機平臺數據，并傳輸至服務器端；數據云服務平臺用于為用戶提供氣象信息的網絡訪問和共享。

2 系統硬件

系統硬件由無人機平臺、地面數據中心、地面控制中心構成。無人機平臺為系統基礎級硬件，包括無人機機體、飛行控制模塊、系統控制模塊、無線通信模塊、無線傳感網絡模塊、動力系統、執行機構、GPS導航模塊、姿態傳感器模塊、氣象傳感器載荷。系統結構如圖2所示。

圖2 氣象無人機系統結構

（1）飛行控制模塊：該模塊為無人機的核心，其集成了一個功能強大的32位RISC微控制器，內存為64 MB，用于監測和控制無人機的飛行狀態，運行飛行控制算法，同時還配置有不同類型的電氣接口，用于和其各子系統通信。飛行控制模塊連接姿態傳感器模塊和GPS導航模塊，傳感數據傳輸至微控制器進行轉換、計算和處理，確定飛行狀態并控制執行控制導航算法，計算結果最終送到執行機構和動力系統進而控制無人機飛行。

（2）系統控制器模塊：該模塊由一個具有通用模擬和數字接口的微控制器組成，連接氣象傳感器載荷，用于接收氣象傳感數據；系統控制模塊集成了無線傳感網絡模塊，用于網內無人機和地面數據網關的通信。

（3）動力系統：該系統由動力電池組和電子調速器構成，動力電池一般要求具有較高的放電效率、較大的放電電流、容量較高、質量較輕，可采用具有高C值鋰電池。電子調速器為電機提供可控的動力電流輸出，飛行控制模塊提供的控制信號電流驅動能力無法直接驅動無刷電機，需要通過電子調速器將控制信號快速轉變為電樞電壓和電流要求的范圍，以控制電機的轉速。

（4）執行機構：無人機執行機構是伺服動作設備，由4個PC2212-KV910電機構成，根據計算機指令，按規定的靜態和動態要求實現對無人機的飛行控制。

盡管我國實施了鐵路投融資體制改革，將鐵路建設權利下放至地方政府和社會資本手中，但力度不夠強硬，缺乏有效的政策法規為民間資本在土地綜合利用、財稅扶持、公平競爭等方面作保障。然而，實現投融資主體和融資方式的多元化、建立公平競爭的市場環境，以及完善社會資本進入和退出機制，都需要政府提供有效的政策支持，這樣才能加快推進鐵路建設進程。

（5）GPS導航模塊：為氣象無人機自主飛行管理提供保障，通過GPS導航、地面導引、預先路徑規劃為無人機系統完成氣象探測任務提供位置和目標信息。

（6）姿態傳感器：提供無人機的飛行姿態信息，通過姿態控制無人機的航向。

（7）氣象傳感器載荷：該模塊主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器、風速風向傳感器、空氣質量傳感器等，用于完成飛行區域的氣象參數測量。

（8）無線傳感網絡模塊：該模塊主要實現無人機組網、數據中繼轉發及網內通信功能。

（9）無線通信控制模塊：該模塊負責建立無人機與地面控制中心的無線連接，地面控制中心通過無線通信控制模塊接收無人機的飛行狀態，同時向無人機發送控制命令。

（10）地面控制中心：該部分用于控制無人機完成數據探測、飛行控制、起降等任務。

3 氣象載荷

有效傳感器載荷是氣象無人機氣象探測的“眼睛”，具有非常重要的意義[4]。在飛行控制方面，配置用于獲取無人機的位置、航速、姿態等數據的傳感器，可實現無人機的飛行導航和自動駕駛。在氣象數據采集方面，配置相關傳感器載荷模塊的無人機將是測量溫度、濕度、氣壓、風矢量、空氣質量等基本大氣參數的理想測試平臺。利用無人機進行氣象測量，有效載荷需滿足整體體積小、重量輕、高可靠性、高測量精度等要求[5]。測量的精度指標要求見表1所列。

表1 測量精度指標

3.1 溫度載荷

目前，應用在無人機上溫度測量的方法主要有直接測量法和遙感測量法。系統采用直接測量方式，為兼顧測量可靠性和響應特性，選用2個不同特性的溫度傳感器，一個采用密封的PT100元件，雖然精度高但響應較慢，響應時間達到10 s；另一個采用開放式TSCI506數字溫度傳感器，其具有高分辨率、高準確度、低功耗、快速響應等特點。通過互補濾波，可以將2個傳感器的特性結合起來，達到檢測數據穩定可靠、高精度、快速響應的要求[6]。

3.2 濕度載荷

考慮無人機載重量，濕度傳感器選擇體積小、質量輕的電容式濕度傳感器或電阻式濕度傳感器。HS1101濕度傳感器是基于獨特工藝設計的電容元件，通過傳感器中干濕介質和空氣接觸吸濕或脫濕的過程，使介質的介電常數發生變化，從而引起傳感器電容值發生改變，完成空氣濕度的測量。HS1101相對濕度的變化和輸出的電容值基本呈線性關系，并具有高可靠性、長時間穩定性、快速響應等特點。

3.3 風速、風向載荷

目前，在氣象監測領域，風矢量的測量普遍使用傳統機械式測量方式，有風杯式風速儀、尾翼式風向儀等[4]，受限于無人平臺體積和重量，不適于搭載此類傳感器。超聲波風速儀具有體積小、精度高、時間分辨率高、運行穩定等特點，可以在無人值守的環境下長期測量并輸出數據，且安裝相對容易。

超聲波風速儀布置3個具有等間距的超聲波探頭，在測量運行過程中，每個探頭向另外2個探頭發送超聲波脈沖并接收另外2個探頭發送的脈沖，3個探頭共有6條超聲波脈沖的收發。由于風速會影響超聲波傳播的速度，因此通過計算3個方向上超聲波發送和接收的時間間隔，確定各方向的風速；通過對3個方向的風速進行矢量合成，得到風速風向的實際檢測數據[7]。

3.4 氣壓載荷

氣壓測量用于獲取無人機周圍環境的靜壓、總壓等參數，為無人機提供飛行高度數據，可采用靜壓傳感器模塊MS5534B作為無人機的高度測量器件。MS5534B是一個數字式氣壓傳感器，具有低電壓、低功耗、高精度等特點，由一個壓阻元件和一個15 bit的ADC模塊組成。系統通過微處理器周期讀取MS5534B輸出的絕對氣壓數據，經過校準補償及計算處理得到有效的相對氣壓值，并轉換為對應海拔高度，從而在無人機飛行探測過程中實時掌握無人機的飛行高度信息。

3.5 空氣質量載荷

空氣質量監測主要包括一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）、可吸入顆粒物（PM10）、細顆粒物（PM2.5）等污染指標，利用相應傳感器的電化學監測法對各類氣體進行定質、定量檢測。可采用ZE07-CO型傳感器對CO氣體濃度進行檢測，采用ME3-SO2傳感器對二氧化硫濃度進行檢測，采用ME3-NO2傳感器對二氧化氮濃度進行檢測，采用ZE25-O3傳感器對臭氧濃度進行檢測，采用激光傳感器SDS018實現對PM2.5/PM10顆粒物的檢測。

4 無人機無線組網

為獲得較廣的探測覆蓋范圍，系統采用多無人機無線組網探測方案，可獲得較為完整的三維氣象探測數據。無人機各自機載氣象傳感器模塊探測區域空間位置的氣象數據；各無人機之間通過無線方式進行數據傳輸、實時通信和中繼探測；各無人機通過GPS導航模塊進行實時定位導航以確定位置和航向，進而完成無人機的精確組網。

4.1 LoRa無線通信技術

LoRa是Semtech公司創建并推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案，使用了免授權的ISM頻段，包括433 MHz、868 MHz、915 MHz，提供了最大168 dB的鏈路預算和+20 dBm的功率輸出，一般情況下，其在空曠郊區環境中的無線傳輸距離可達20 km。LoRa無線通信技術可為用戶提供一種簡單的能夠實現遠距離、低功耗、大容量的系統[8]。

系統采用ALIENTEK公司出品的ATK-LoRa-01模塊實現無人機無線組網。ATK-LoRa-01是一款體積小、微功率、低功耗、高性能、遠距離的LoRa無線串口模塊，該模塊采用Semtech公司出品的SX1278器件。SX1278器件采用LoRa TM擴頻調制跳頻技術，其通信距離大幅延長，且具有更高的接收靈敏度。模塊的工作頻率為410～441 MHz，通過1×6的排針和微控制器接口相連，連接電路如圖3所示。

圖3 模塊連接

4.2 多無人機無線探測網絡

氣象無人機搭載了LoRa無線通信模塊，通過LoRa無線通信協議實現多無人機無線組網。由多點空間位置構成的氣象數據探測網絡可實現探測數據誤差補償及糾正，多無人機相互配合，可靈活獲取多維空間坐標精確的氣象數據，進而完成氣象探測目標任務。

系統采用分層分布式組網方式，其結構如圖4所示，包括中心網關節點和終端探測節點。終端探測節點負責氣象數據采集、轉換、處理，并通過LoRa通信模塊轉發給中心網關節點；中心網關節點搭載攝像頭模塊，一方面完成對其他無人機和周邊環境進行狀態監測，另外一方面可接收終端節點和其他網關節點數據信息，并轉發給地面數據中心。數據信息包括無人機飛行姿態與位置傳感器數據、氣象監測傳感器數據、圖像與視頻信息、命令以及相應的ACK命令。中心網關節點之間可相互通信，以避免當某個中心網關節點遭到破壞而導致整個鏈路終端通信癱瘓，無法與地面數據中心完成正常通信。

圖4 系統網絡結構

5 結 語

目前，氣象物聯網的研究和應用尚處于初步階段，隨著物聯網、大數據、人工智能等技術日漸成熟以及5G技術的逐步落地，多方位的氣象數據來源、高精準的氣象信息預報和高精度的氣象定制服務將是氣象領域未來發展的趨勢，氣象探測也將向智能化、精細化、網絡化、快速反應化轉變。氣象無人機具有高機動、高時間和空間分辨率等優點，對氣象服務實現互聯互通具有十分重要的作用。