基于四旋翼無人機的區(qū)域環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

盛希寧

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學院 常州劉國鈞分院，江蘇 常州 213000）

0 引 言

根據(jù)2016年世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每年有近300萬人因長期暴露在室外被污染的環(huán)境中而死亡。中國早在1987年就發(fā)布了《中華人民共和國大氣污染防治法》，其中，環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測標準采用空氣污染指數(shù)API進行衡量。監(jiān)測的空氣污染物包括PM10、PM2.5、CO、NO2、SO2。PM10及PM2.5等懸浮粒子能夠在大氣中長時間停留，并可隨呼吸進入人體，這些粒子長期積聚在氣管或肺部易導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病。因此，我國氣象局積極架設(shè)空氣質(zhì)量監(jiān)測站，用以監(jiān)測不同空氣污染物的濃度，并結(jié)合其他氣候因子，例如溫度、濕度、風速、風向等，建立相關(guān)警報系統(tǒng)，提醒外出民眾采取攜帶口罩等一系列預(yù)防措施。

然而，氣象局在城市內(nèi)所架設(shè)的測量空氣污染物的監(jiān)測站點數(shù)量有限，且監(jiān)測高度相近，導(dǎo)致氣象局無法追查空氣污染物源頭，并進一步防止污染的產(chǎn)生。因此，為了追蹤空氣污染物的來源，可以在同一地點架設(shè)不同高度的監(jiān)測點，此舉不僅能夠精確獲悉污染物的擴散模式，更能夠采集更多氣候因子數(shù)據(jù)作為專業(yè)氣象人員進行空氣污染物擴散分析的依據(jù)。若要監(jiān)測區(qū)域內(nèi)不同高度的氣候因子，唯有選擇無人機作為飛行載具采集三維空間內(nèi)更為完整的環(huán)境數(shù)據(jù)[1-2]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

為了實現(xiàn)上述功能，本研究使用微控制器、溫濕度傳感器、PM2.5濃度傳感器以及LoRa無線傳輸模塊作為環(huán)境監(jiān)測平臺，搭載四旋翼無人機，于每小時采集不同高度的環(huán)境數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫中，并以網(wǎng)頁方式將數(shù)據(jù)進行圖表化呈現(xiàn)。

目前市面上常見的無人機依照飛行機制可以分為定翼型與旋翼型兩類。為了彌補一般氣象監(jiān)測站的缺陷，我們利用旋翼型無人機在三維空間可飛行和懸停的特性，建立了一個區(qū)域環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，使其周期性地在同一地點不同高度測量溫度、濕度以及PM2.5數(shù)據(jù)。本文提出的基于四旋翼無人機的區(qū)域環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計框架如圖1所示，其可分為兩部分，即數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)分析和可視化系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集以及傳輸系統(tǒng)將通過無人機將采集區(qū)域內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)包括高度、溫度、濕度和PM2.5濃度，經(jīng)LoRa無線傳輸模塊上傳至數(shù)據(jù)庫存儲。使用者通過數(shù)據(jù)分析和可視化系統(tǒng)在網(wǎng)頁上選擇需要查詢和確認的數(shù)據(jù)，借助用戶接口由數(shù)據(jù)庫調(diào)用和分析處理，并以視覺化圖表的方式呈現(xiàn)于網(wǎng)頁之上[3-5]。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計框架

數(shù)據(jù)采集以及傳輸系統(tǒng)由微控制器Arduino mega、溫濕度傳感器DHT11、灰塵傳感器GP2Y1010AU0F以及LoRa無線傳輸模塊RN2483組成。

飛行控制器使用Pixhawk作為硬件平臺，輔以PX4作為飛行控制軟件。當無人機從選定的地點起飛到達特定高度后便開始偵測溫度、濕度以及PM2.5濃度。微控制器與飛行控制器、無線傳輸模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸利用非同步收發(fā)傳輸器UART作為傳輸介質(zhì)。微控制器端作為地面控制站，通過飛行控制系統(tǒng)Pixhawk讀取無人機當前的高度。系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集的間隔高度為3 m，經(jīng)由無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫儲存。當無人機飛至30 m時，采集最后一次數(shù)據(jù)，并結(jié)束此次飛行任務(wù)。

溫濕度傳感器DHT11的顯示溫度范圍為0～50 ℃，相對濕度范圍為0～92%RH，溫度誤差為±2 ℃，相對濕度誤差為±5%RH。其內(nèi)部包括一個電阻式感濕元件和一個測溫元件，供電電壓為3～5.5 V，采用單線制數(shù)據(jù)傳輸，傳輸一次完整數(shù)據(jù)的長度為40 bit，數(shù)據(jù)格式為：濕度整數(shù)數(shù)據(jù)8 bit+濕度小數(shù)數(shù)據(jù)8 bit+溫度整數(shù)數(shù)據(jù)8 bit+溫度小數(shù)數(shù)據(jù)8 bit+校驗碼8 bit。

GP2Y1010AU0F是一款利用光敏原理探測空氣質(zhì)量的傳感器，通過其內(nèi)部對角安裝的紅外線發(fā)光管和光電晶體管檢測空氣中懸浮微粒的反射光。根據(jù)手冊中其輸出電壓與濃度的關(guān)系圖線，可將圖線的前半段表示為線性方程，見式（1）。在溫度為-10～65 ℃的環(huán)境中，其誤差為±0.15 V/（0.1 mg ·m-3）。

式中：C為濃度，單位為mg/m3；Vout為輸出電壓，單位為V。通過微控制器Arduino mega將輸出脈沖電壓轉(zhuǎn)換成粉塵濃度。

低功率廣域網(wǎng)絡(luò)LPWAN是一種長距離無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，具有傳輸距離長、功耗低、多節(jié)點等優(yōu)勢，常應(yīng)用于傳輸量較小且傳輸頻率較低的物聯(lián)網(wǎng)。目前常見的物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)有802.11ah、ZigBee、LTE、LoRa等。本研究選用的RN2483模塊使用了嵌入式LoRaWAN的A類協(xié)議。該模塊的工作溫度為-40～85 ℃、相對濕度為10%RH～90%RH、工作電壓為2.1～3.6 V，傳輸頻段分別為433 MHz及868 MHz，在郊區(qū)的傳送距離最長可達15 km，市區(qū)的傳送距離最長為5 km。當無人機采集到數(shù)據(jù)后，通過LoRa模塊傳輸至伺服器，由伺服器進行數(shù)據(jù)拆解后存儲至數(shù)據(jù)庫。最后，將采集的數(shù)據(jù)進行分析后使用網(wǎng)頁視覺化圖表繪圖工具Highcharts在網(wǎng)頁上呈現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計圖表[6-7]。系統(tǒng)硬件實物如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件實物

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

無人機的LoRa傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳送至計算機通信接口的LoRa傳輸模塊。用戶界面與數(shù)據(jù)庫網(wǎng)頁框架之間的接口利用Python語言編寫，其數(shù)據(jù)格式和長度見表1所列，分別為監(jiān)測域代碼、監(jiān)測高度、溫度、濕度、PM2.5濃度以及校驗碼。

表1 數(shù)據(jù)和長度對應(yīng)表 bit

3 系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

為了測試實際制作的區(qū)域環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的可用性，我們將其放置于福州市內(nèi)某高層小區(qū)進行實驗。由于氣象局設(shè)立的氣象監(jiān)測站所測量的數(shù)據(jù)僅代表大區(qū)域的天氣情況，無法精確表示小區(qū)域范圍內(nèi)的天氣情形，因此，為了突顯本系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)與一般氣象監(jiān)測站的差異，此處將二者的數(shù)據(jù)進行比較。無人機在12 m處實測的溫度、濕度以及PM2.5濃度如圖3、圖4、圖5所示。由圖可知，系統(tǒng)測得的實驗數(shù)據(jù)與氣象監(jiān)測站測量的數(shù)據(jù)存在一定差異。氣象監(jiān)測站獲得的PM2.5平均濃度偏低，而無人機偵測到的PM2.5平均濃度較高，說明無人機所測的環(huán)境數(shù)據(jù)更貼近小區(qū)范圍內(nèi)的真實環(huán)境狀況。

圖3 監(jiān)測站與無人機溫度測量數(shù)據(jù)比較

圖4 監(jiān)測站與無人機濕度測量數(shù)據(jù)比較

圖5 監(jiān)測站與無人機PM2.5濃度測量數(shù)據(jù)比較

4 結(jié) 語

目前該系統(tǒng)的無人機監(jiān)測地點采用人工取點方式，因此監(jiān)測點相對固定。后續(xù)將為系統(tǒng)加入當前無人機所在位置的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)測量功能，并動態(tài)同步至網(wǎng)頁端進行實時顯示。同時，新增系統(tǒng)自動返航功能，當無人機執(zhí)行完飛行任務(wù)或電量低于設(shè)定值時，能自動返回至起飛點充電。未來更可以結(jié)合機器學習或深度學習，建立該區(qū)域短時間內(nèi)的天氣預(yù)測模型，并提供預(yù)警功能。