基于北斗的無人機(jī)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王汝清 趙騰飛 張力軍 莊曉寶 楊榮根 吳有龍

摘 要：為了監(jiān)測(cè)城市發(fā)展帶來的有害物質(zhì)如PM1.0，PM2.5，PM10，SO2，NO2等，設(shè)計(jì)了一種基于北斗定位的無人機(jī)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)利用C語言實(shí)現(xiàn)硬件的數(shù)據(jù)傳輸功能;Java語言和數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)部分網(wǎng)頁功能;利用傳感器技術(shù)獲取相關(guān)信息，借助網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁與硬件部分通信。該系統(tǒng)對(duì)于提高環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性、安全性等具有深遠(yuǎn)意義。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星定位技術(shù);網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù);傳感器網(wǎng)絡(luò);數(shù)據(jù)庫;四旋翼無人機(jī);監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）02-00-02

0 引 言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口激增，摩天大樓拔地而起，各類機(jī)動(dòng)車與通行道路隨之增多。在建造大樓、道路的同時(shí)，不僅會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)，還會(huì)產(chǎn)生大量對(duì)人體有害的物質(zhì)[1]。這些物質(zhì)包括直徑小于10 μm的PM10，直徑小于或等于2.5 μm的細(xì)顆粒物PM2.5，直徑小于1 μm的極細(xì)顆粒物或超細(xì)顆粒物[2-3]PM1.0，SO2，NO2。

為保護(hù)大氣環(huán)境和人類健康，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大氣中的污染物變得尤為重要[4]。通過四旋翼無人機(jī)不僅可以保護(hù)監(jiān)測(cè)員不受監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的污染物影響，而且可以實(shí)時(shí)、安全地監(jiān)測(cè)一些類似高空等人力難監(jiān)測(cè)的區(qū)域。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，空氣中顆粒物的監(jiān)測(cè)方法也變得更加靈活，其中就包括利用四旋翼無人機(jī)監(jiān)測(cè)環(huán)境[5-6]。目前，我國已研究設(shè)計(jì)出兩種配備了新一代臭氧傳感器的微型無人機(jī)，不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其測(cè)得的數(shù)據(jù)也更加科學(xué)、合理、有效，無人機(jī)平臺(tái)、機(jī)載傳感器及相關(guān)地面系統(tǒng)均符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在國外，此類技術(shù)更為成熟，相關(guān)人員已進(jìn)行了多架無人機(jī)共同監(jiān)測(cè)環(huán)境的研究，多架無人機(jī)相互協(xié)作，搭建相關(guān)大氣模型進(jìn)行大氣環(huán)境污染監(jiān)測(cè)[7]。這項(xiàng)技術(shù)隨著科技的發(fā)展將更加實(shí)用并且應(yīng)用更為廣泛，方便人們了解環(huán)境的污染程度，提高警惕并更好地監(jiān)測(cè)和治理環(huán)境[8]。本文設(shè)計(jì)了基于北斗定位的四旋翼無人機(jī)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，方便用戶實(shí)時(shí)觀測(cè)無人機(jī)附近的大氣狀況，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣污染物的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于北斗的無人機(jī)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由硬件和軟件構(gòu)成，硬件部分是載有傳感器的無人機(jī)，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并傳輸信號(hào)至單片機(jī);軟件部分主要為用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有害物質(zhì)濃度提供平臺(tái)，同時(shí)還存儲(chǔ)無人機(jī)的位置和有害物濃度等相關(guān)信息。系統(tǒng)通過北斗與GPS雙模塊獲取無人機(jī)的實(shí)時(shí)精確位置信息，使用SIM卡訪問網(wǎng)絡(luò)，后臺(tái)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸聯(lián)網(wǎng)功能捕獲位置信息，經(jīng)由百度API技術(shù)顯示在Web服務(wù)器的地圖頁面上。用戶可以通過登錄Web服務(wù)器訪問數(shù)據(jù)庫，查詢相關(guān)信息。

本系統(tǒng)使用Tomcat服務(wù)器作為搭載網(wǎng)頁的Web服務(wù)器，MySQL作為存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，阿里云服務(wù)器的Ubuntu系統(tǒng)作為搭載整個(gè)服務(wù)器的系統(tǒng)[9]。通過STS軟件完成后臺(tái)服務(wù)器的控制代碼編寫，以及前端頁面的代碼編寫，最終導(dǎo)出Web Content文件夾的內(nèi)容并發(fā)布到Tomcat服務(wù)器，以便外網(wǎng)訪問。

2 功能闡述

用戶登錄Web服務(wù)器并確認(rèn)位置信息后，頁面的左側(cè)會(huì)顯示無人機(jī)菜單欄，分別有“打開地圖”和“打開無人機(jī)”兩個(gè)功能選項(xiàng)。點(diǎn)擊“打開地圖”顯示百度地圖界面，界面部分有一個(gè)靜止的紅點(diǎn)和一個(gè)跳動(dòng)的紅點(diǎn)，靜止的紅點(diǎn)是用戶的位置，跳動(dòng)的紅點(diǎn)是無人機(jī)的位置，具體如圖2所示。

點(diǎn)擊“打開無人機(jī)”選項(xiàng)，進(jìn)入無人機(jī)信息頁面。該頁面包含序號(hào)、無人機(jī)位置編號(hào)、經(jīng)度、緯度、PM1.0濃度、PM2.5濃度、PM10濃度、SO2濃度、NO2濃度等字段，以便用戶查詢與統(tǒng)計(jì)。在無人機(jī)飛行過程中，位置信息也會(huì)發(fā)生變化，通過設(shè)置位置編號(hào)來區(qū)分不同的位置，通過經(jīng)緯度來記錄不同的方位，點(diǎn)擊頁面中的“查詢”按鈕便可實(shí)時(shí)更新信息，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。無人機(jī)信息頁面如圖3所示。

當(dāng)用戶點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)編號(hào)污染程度的“查看”選項(xiàng)時(shí)，會(huì)彈出信息提示框，輸入提示框中相關(guān)污染氣體的濃度便可查看空氣質(zhì)量等級(jí)。該系統(tǒng)根據(jù)氣體濃度的不同將空氣質(zhì)量分為6級(jí)，即優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染、嚴(yán)重污染。圖4所示為彈出的信息提示框，顯示了該位置的空氣質(zhì)量為良，如圖4所示。

3 相關(guān)技術(shù)

3.1 衛(wèi)星定位技術(shù)

衛(wèi)星定位技術(shù)是指利用衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離來確定接收機(jī)的位置，讓全球用戶能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地獲取位置信息[10]。本系統(tǒng)運(yùn)用安信可公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的A9G模塊，可實(shí)現(xiàn)GPS、北斗雙模定位和GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能。程序通過同一個(gè)串口控制數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器、獲取定位信息。通過該模塊可以獲得無人機(jī)的實(shí)時(shí)位置信息，后臺(tái)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸聯(lián)網(wǎng)功能捕獲位置信息，經(jīng)百度API技術(shù)顯示在地圖頁面上。

3.2 傳感器技術(shù)

傳感器感知被測(cè)對(duì)象的相關(guān)信息后通過信息轉(zhuǎn)換來獲取用戶所需的信息。作為信息獲取的重要手段之一，傳感器與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)共同構(gòu)成了信息技術(shù)的三大支柱。本系統(tǒng)使用PM傳感器來監(jiān)測(cè)無人機(jī)周圍的污染物狀況，包括PM1.0，PM2.5，PM10，SO2，NO2，再通過A9G模塊實(shí)時(shí)上傳到服務(wù)器，數(shù)據(jù)經(jīng)實(shí)時(shí)處理后，用戶可在網(wǎng)頁中直觀獲取空氣質(zhì)量信息。

3.3 四旋翼無人機(jī)

作為本系統(tǒng)的硬件運(yùn)載平臺(tái)，四旋翼無人機(jī)為其他模塊提供了電源支持并搭載了所有硬件以便進(jìn)行高空作業(yè)。圖5所示為無人機(jī)實(shí)物以及電路連接，圖6所示為無人機(jī)硬件框圖。該系統(tǒng)以運(yùn)載的電池支撐整個(gè)平臺(tái)，穩(wěn)壓模塊和GPS北斗雙模塊與A9G通信模塊相連，A9G模塊和PM傳感器模塊與STM32單片機(jī)相連。QQ飛控作為飛行器中心控制系統(tǒng)被裝載在無人機(jī)平臺(tái)的中心，遙控器傳感模塊被裝載在無人機(jī)的頂端，接收天線傳輸?shù)男盘?hào)。

3.4 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是各類具有聯(lián)網(wǎng)通信功能的設(shè)備，通過對(duì)文字、圖像等資料進(jìn)行采集、分析、處理等，使得這些信息可以被各臺(tái)設(shè)備共享。該空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)中常用的HTTP協(xié)議（超文本傳輸協(xié)議），通過模塊上的SIM卡訪問服務(wù)器并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中。一般情況下，由用戶端發(fā)起一個(gè)HTTP請(qǐng)求，搭建一個(gè)到網(wǎng)站指定端口的TCP連接。網(wǎng)站可以從該端口接收用戶發(fā)送的請(qǐng)求。當(dāng)接收到請(qǐng)求時(shí)，網(wǎng)站向用戶端發(fā)回一個(gè)命令行和響應(yīng)短消息。

3.5 數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

數(shù)據(jù)庫用以存放電子數(shù)據(jù)、文件，用戶可對(duì)其進(jìn)行添加、存儲(chǔ)、修改、刪除等一系列操作。數(shù)據(jù)庫主要分為兩大類，即關(guān)系數(shù)據(jù)庫（MySQL為代表）和非關(guān)系數(shù)據(jù)庫。本系統(tǒng)運(yùn)用MySQL數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存儲(chǔ)所需要的無人機(jī)經(jīng)緯度以及污染物相關(guān)濃度等信息，以便用戶能夠更加簡(jiǎn)潔明了地查看數(shù)據(jù)，并使數(shù)據(jù)更加具體、豐富，便于后續(xù)分析和處理。

3.6 工程的開發(fā)及發(fā)布

STS（Spring Tools Suite）基于Eclipse構(gòu)建而成，是將Java作為開發(fā)語言的一款軟件，可用來開發(fā)網(wǎng)頁。該軟件集成有Spring和很多常用工具插件，如Git等，這些插件能夠幫助開發(fā)者迅速構(gòu)建網(wǎng)頁架構(gòu)，完善后臺(tái)服務(wù)器的設(shè)置，通過編寫前端頁面代碼實(shí)現(xiàn)完整的網(wǎng)頁功能。本設(shè)計(jì)利用STS這一特性編寫后端與前端程序，完成訪問、查詢無人機(jī)與其周圍可吸入顆粒物的信息網(wǎng)頁，并通過Web Content文件夾發(fā)布到Tomcat服務(wù)器上，保證其他外網(wǎng)用戶亦能夠訪問。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了基于北斗定位的無人機(jī)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過對(duì)基于北斗定位的無人機(jī)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能闡述、結(jié)構(gòu)分析、軟硬件相關(guān)技術(shù)介紹等，旨在設(shè)計(jì)一種更安全、更便捷的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)激發(fā)我國無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)，進(jìn)一步推動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)行業(yè)向現(xiàn)代化、智能化方向發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]魏慶麗，王潔，楊晨，等.GSM網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2016，35（9）：69-71.

[2]馬騖，邊晨昱，唐顥蘇.基于衛(wèi)星遙感和北斗無人機(jī)的災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)[J].科技視界，2017（6）：180.

[3]廖煌輝.淺談做好空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的途徑[J].能源與環(huán)境，2019（2）：78-79.

[4]盛敏敏，方春霞.環(huán)境保護(hù)工程空氣監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量控制措施探究[J].低碳世界，2019，9（7）：24-25.

[5]郭堅(jiān).基于SIM908的無人機(jī)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].天津：天津大學(xué)，2014.

[6]魏杰，戎征，邢昱，等.無人機(jī)遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用研究[J].中國資源綜合利用，2018，36（10）：190-192.

[7] CHEN P. Visualization of real-time monitoring datagraphic of urban environmental quality [J]. EURASIP journal on image and video processing，2019，1（1）：42-52.

[8] DUFRESNE S，JOHNSON C，MAVRIS D N. Variable fidelity conceptual design environment for revolutionary unmanned aerial vehicles [J]. Journal of aircraft，2014，45（4）：1405-1418.

[9]李平生.試論無人機(jī)測(cè)繪數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（34）：147-148.

[10] HODGSON J C，BAYLIS S M，ROWAN M，et al. Precision wildlife monitoring using unmanned aerial vehicles [J]. Scientific reports，2016，6（5）：22574-22579.