（榆林學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 榆林 719000）

0 引 言

氣象工作在國(guó)家公共安全、軍事安全、生態(tài)安全、環(huán)境安全、資源安全等領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要的作用，獲取精確、高分辨率的探測(cè)數(shù)據(jù)在安全防范和決策方面有著非常重要的意義[1]。傳統(tǒng)氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與采集主要依靠自動(dòng)氣象站、衛(wèi)星、航空遙感等方式，這些傳統(tǒng)方法在時(shí)間和空間分辨率等方面存在一定缺陷。氣象無(wú)人機(jī)涉及遙感遙測(cè)、中繼通信、氣候變化監(jiān)測(cè)、颶風(fēng)監(jiān)測(cè)、林火監(jiān)測(cè)、生態(tài)保護(hù)等綜合應(yīng)用領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)包括溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、空氣質(zhì)量等綜合氣象數(shù)據(jù)的探測(cè)和作業(yè)[2]。作為傳感器承載平臺(tái)，氣象無(wú)人機(jī)能夠以快速、靈活、多方位且更經(jīng)濟(jì)的方式獲取傳感數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)高空區(qū)域、定點(diǎn)、垂直、水平數(shù)據(jù)觀測(cè)；能夠在時(shí)間和空間上滿足監(jiān)測(cè)需求，并獲取高分辨率探測(cè)數(shù)據(jù)；克服了傳統(tǒng)氣象監(jiān)測(cè)方式的不足，為氣象數(shù)據(jù)的探索開辟新的可行性方案。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，氣象物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用使其能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域提供更廣泛、便捷的專業(yè)服務(wù)。目前，在發(fā)達(dá)國(guó)家，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已被應(yīng)用于氣象監(jiān)測(cè)和氣象預(yù)報(bào)中，也有國(guó)家將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于軍事氣象領(lǐng)域，為管理和決策提供智能化服務(wù)。在國(guó)內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要在氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、氣象信息發(fā)布、氣象服務(wù)等方面應(yīng)用[3]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和氣象監(jiān)測(cè)相融合，將是實(shí)現(xiàn)氣象服務(wù)行業(yè)創(chuàng)新和技術(shù)革新的關(guān)鍵所在，也是構(gòu)建社會(huì)新模式和提高國(guó)家科技競(jìng)爭(zhēng)力的重要舉措。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，包括感知層、傳輸層、服務(wù)層和應(yīng)用層。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

感知層由配置有傳感器的無(wú)人機(jī)群組構(gòu)成，包括無(wú)人機(jī)終端節(jié)點(diǎn)和無(wú)人機(jī)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，無(wú)人機(jī)終端節(jié)點(diǎn)搭載有氣象探測(cè)傳感器模塊，主要用于實(shí)施區(qū)域氣象數(shù)據(jù)的采集工作和完成其他復(fù)雜的任務(wù)要求；無(wú)人機(jī)網(wǎng)關(guān)通過(guò)機(jī)載攝像頭對(duì)其他無(wú)人機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并接收環(huán)境感知數(shù)據(jù)。各無(wú)人機(jī)之間可進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸至地面數(shù)據(jù)中心。傳輸層包括無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的網(wǎng)內(nèi)通信和數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)，通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)為用戶提供實(shí)時(shí)在線氣象信息服務(wù)。服務(wù)層包括地面數(shù)據(jù)接收中心和數(shù)據(jù)云服務(wù)平臺(tái)，地面數(shù)據(jù)接收中心用于接收無(wú)人機(jī)平臺(tái)數(shù)據(jù)，并傳輸至服務(wù)器端；數(shù)據(jù)云服務(wù)平臺(tái)用于為用戶提供氣象信息的網(wǎng)絡(luò)訪問和共享。

2 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件由無(wú)人機(jī)平臺(tái)、地面數(shù)據(jù)中心、地面控制中心構(gòu)成。無(wú)人機(jī)平臺(tái)為系統(tǒng)基礎(chǔ)級(jí)硬件，包括無(wú)人機(jī)機(jī)體、飛行控制模塊、系統(tǒng)控制模塊、無(wú)線通信模塊、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊、動(dòng)力系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、GPS導(dǎo)航模塊、姿態(tài)傳感器模塊、氣象傳感器載荷。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 氣象無(wú)人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）飛行控制模塊：該模塊為無(wú)人機(jī)的核心，其集成了一個(gè)功能強(qiáng)大的32位RISC微控制器，內(nèi)存為64 MB，用于監(jiān)測(cè)和控制無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)，運(yùn)行飛行控制算法，同時(shí)還配置有不同類型的電氣接口，用于和其各子系統(tǒng)通信。飛行控制模塊連接姿態(tài)傳感器模塊和GPS導(dǎo)航模塊，傳感數(shù)據(jù)傳輸至微控制器進(jìn)行轉(zhuǎn)換、計(jì)算和處理，確定飛行狀態(tài)并控制執(zhí)行控制導(dǎo)航算法，計(jì)算結(jié)果最終送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)和動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)而控制無(wú)人機(jī)飛行。

（2）系統(tǒng)控制器模塊：該模塊由一個(gè)具有通用模擬和數(shù)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(shù)據(jù)；系統(tǒng)控制模塊集成了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊，用于網(wǎng)內(nèi)無(wú)人機(jī)和地面數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的通信。

（3）動(dòng)力系統(tǒng)：該系統(tǒng)由動(dòng)力電池組和電子調(diào)速器構(gòu)成，動(dòng)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(zhì)量較輕，可采用具有高C值鋰電池。電子調(diào)速器為電機(jī)提供可控的動(dòng)力電流輸出，飛行控制模塊提供的控制信號(hào)電流驅(qū)動(dòng)能力無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)，需要通過(guò)電子調(diào)速器將控制信號(hào)快速轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌须妷汉碗娏饕蟮姆秶?，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

（4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：無(wú)人機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是伺服動(dòng)作設(shè)備，由4個(gè)PC2212-KV910電機(jī)構(gòu)成，根據(jù)計(jì)算機(jī)指令，按規(guī)定的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)要求實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行控制。

盡管我國(guó)實(shí)施了鐵路投融資體制改革，將鐵路建設(shè)權(quán)利下放至地方政府和社會(huì)資本手中，但力度不夠強(qiáng)硬，缺乏有效的政策法規(guī)為民間資本在土地綜合利用、財(cái)稅扶持、公平競(jìng)爭(zhēng)等方面作保障。然而，實(shí)現(xiàn)投融資主體和融資方式的多元化、建立公平競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)環(huán)境，以及完善社會(huì)資本進(jìn)入和退出機(jī)制，都需要政府提供有效的政策支持，這樣才能加快推進(jìn)鐵路建設(shè)進(jìn)程。

（5）GPS導(dǎo)航模塊：為氣象無(wú)人機(jī)自主飛行管理提供保障，通過(guò)GPS導(dǎo)航、地面導(dǎo)引、預(yù)先路徑規(guī)劃為無(wú)人機(jī)系統(tǒng)完成氣象探測(cè)任務(wù)提供位置和目標(biāo)信息。

（6）姿態(tài)傳感器：提供無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)信息，通過(guò)姿態(tài)控制無(wú)人機(jī)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(fēng)速風(fēng)向傳感器、空氣質(zhì)量傳感器等，用于完成飛行區(qū)域的氣象參數(shù)測(cè)量。

（8）無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊：該模塊主要實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)組網(wǎng)、數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)及網(wǎng)內(nèi)通信功能。

（9）無(wú)線通信控制模塊：該模塊負(fù)責(zé)建立無(wú)人機(jī)與地面控制中心的無(wú)線連接，地面控制中心通過(guò)無(wú)線通信控制模塊接收無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)，同時(shí)向無(wú)人機(jī)發(fā)送控制命令。

（10）地面控制中心：該部分用于控制無(wú)人機(jī)完成數(shù)據(jù)探測(cè)、飛行控制、起降等任務(wù)。

3 氣象載荷

有效傳感器載荷是氣象無(wú)人機(jī)氣象探測(cè)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(wú)人機(jī)的位置、航速、姿態(tài)等數(shù)據(jù)的傳感器，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的飛行導(dǎo)航和自動(dòng)駕駛。在氣象數(shù)據(jù)采集方面，配置相關(guān)傳感器載荷模塊的無(wú)人機(jī)將是測(cè)量溫度、濕度、氣壓、風(fēng)矢量、空氣質(zhì)量等基本大氣參數(shù)的理想測(cè)試平臺(tái)。利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行氣象測(cè)量，有效載荷需滿足整體體積小、重量輕、高可靠性、高測(cè)量精度等要求[5]。測(cè)量的精度指標(biāo)要求見表1所列。

表1 測(cè)量精度指標(biāo)

3.1 溫度載荷

目前，應(yīng)用在無(wú)人機(jī)上溫度測(cè)量的方法主要有直接測(cè)量法和遙感測(cè)量法。系統(tǒng)采用直接測(cè)量方式，為兼顧測(cè)量可靠性和響應(yīng)特性，選用2個(gè)不同特性的溫度傳感器，一個(gè)采用密封的PT100元件，雖然精度高但響應(yīng)較慢，響應(yīng)時(shí)間達(dá)到10 s；另一個(gè)采用開放式TSCI506數(shù)字溫度傳感器，其具有高分辨率、高準(zhǔn)確度、低功耗、快速響應(yīng)等特點(diǎn)。通過(guò)互補(bǔ)濾波，可以將2個(gè)傳感器的特性結(jié)合起來(lái)，達(dá)到檢測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠、高精度、快速響應(yīng)的要求[6]。

3.2 濕度載荷

考慮無(wú)人機(jī)載重量，濕度傳感器選擇體積小、質(zhì)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(dú)特工藝設(shè)計(jì)的電容元件，通過(guò)傳感器中干濕介質(zhì)和空氣接觸吸濕或脫濕的過(guò)程，使介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而引起傳感器電容值發(fā)生改變，完成空氣濕度的測(cè)量。HS1101相對(duì)濕度的變化和輸出的電容值基本呈線性關(guān)系，并具有高可靠性、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性、快速響應(yīng)等特點(diǎn)。

3.3 風(fēng)速、風(fēng)向載荷

目前，在氣象監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，風(fēng)矢量的測(cè)量普遍使用傳統(tǒng)機(jī)械式測(cè)量方式，有風(fēng)杯式風(fēng)速儀、尾翼式風(fēng)向儀等[4]，受限于無(wú)人平臺(tái)體積和重量，不適于搭載此類傳感器。超聲波風(fēng)速儀具有體積小、精度高、時(shí)間分辨率高、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，可以在無(wú)人值守的環(huán)境下長(zhǎng)期測(cè)量并輸出數(shù)據(jù)，且安裝相對(duì)容易。

超聲波風(fēng)速儀布置3個(gè)具有等間距的超聲波探頭，在測(cè)量運(yùn)行過(guò)程中，每個(gè)探頭向另外2個(gè)探頭發(fā)送超聲波脈沖并接收另外2個(gè)探頭發(fā)送的脈沖，3個(gè)探頭共有6條超聲波脈沖的收發(fā)。由于風(fēng)速會(huì)影響超聲波傳播的速度，因此通過(guò)計(jì)算3個(gè)方向上超聲波發(fā)送和接收的時(shí)間間隔，確定各方向的風(fēng)速；通過(guò)對(duì)3個(gè)方向的風(fēng)速進(jìn)行矢量合成，得到風(fēng)速風(fēng)向的實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)[7]。

3.4 氣壓載荷

氣壓測(cè)量用于獲取無(wú)人機(jī)周圍環(huán)境的靜壓、總壓等參數(shù)，為無(wú)人機(jī)提供飛行高度數(shù)據(jù)，可采用靜壓傳感器模塊MS5534B作為無(wú)人機(jī)的高度測(cè)量器件。MS5534B是一個(gè)數(shù)字式氣壓傳感器，具有低電壓、低功耗、高精度等特點(diǎn)，由一個(gè)壓阻元件和一個(gè)15 bit的ADC模塊組成。系統(tǒng)通過(guò)微處理器周期讀取MS5534B輸出的絕對(duì)氣壓數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)補(bǔ)償及計(jì)算處理得到有效的相對(duì)氣壓值，并轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)海拔高度，從而在無(wú)人機(jī)飛行探測(cè)過(guò)程中實(shí)時(shí)掌握無(wú)人機(jī)的飛行高度信息。

3.5 空氣質(zhì)量載荷

空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(xì)顆粒物（PM2.5）等污染指標(biāo)，利用相應(yīng)傳感器的電化學(xué)監(jiān)測(cè)法對(duì)各類氣體進(jìn)行定質(zhì)、定量檢測(cè)。可采用ZE07-CO型傳感器對(duì)CO氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)，采用ME3-SO2傳感器對(duì)二氧化硫濃度進(jìn)行檢測(cè)，采用ME3-NO2傳感器對(duì)二氧化氮濃度進(jìn)行檢測(cè)，采用ZE25-O3傳感器對(duì)臭氧濃度進(jìn)行檢測(cè)，采用激光傳感器SDS018實(shí)現(xiàn)對(duì)PM2.5/PM10顆粒物的檢測(cè)。

4 無(wú)人機(jī)無(wú)線組網(wǎng)

為獲得較廣的探測(cè)覆蓋范圍，系統(tǒng)采用多無(wú)人機(jī)無(wú)線組網(wǎng)探測(cè)方案，可獲得較為完整的三維氣象探測(cè)數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)各自機(jī)載氣象傳感器模塊探測(cè)區(qū)域空間位置的氣象數(shù)據(jù)；各無(wú)人機(jī)之間通過(guò)無(wú)線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)通信和中繼探測(cè)；各無(wú)人機(jī)通過(guò)GPS導(dǎo)航模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航以確定位置和航向，進(jìn)而完成無(wú)人機(jī)的精確組網(wǎng)。

4.1 LoRa無(wú)線通信技術(shù)

LoRa是Semtech公司創(chuàng)建并推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方案，使用了免授權(quán)的ISM頻段，包括433 MHz、868 MHz、915 MHz，提供了最大168 dB的鏈路預(yù)算和+20 dBm的功率輸出，一般情況下，其在空曠郊區(qū)環(huán)境中的無(wú)線傳輸距離可達(dá)20 km。LoRa無(wú)線通信技術(shù)可為用戶提供一種簡(jiǎn)單的能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離、低功耗、大容量的系統(tǒng)[8]。

系統(tǒng)采用ALIENTEK公司出品的ATK-LoRa-01模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)無(wú)線組網(wǎng)。ATK-LoRa-01是一款體積小、微功率、低功耗、高性能、遠(yuǎn)距離的LoRa無(wú)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(kuò)頻調(diào)制跳頻技術(shù)，其通信距離大幅延長(zhǎng)，且具有更高的接收靈敏度。模塊的工作頻率為410～441 MHz，通過(guò)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(wú)人機(jī)無(wú)線探測(cè)網(wǎng)絡(luò)

氣象無(wú)人機(jī)搭載了LoRa無(wú)線通信模塊，通過(guò)LoRa無(wú)線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)多無(wú)人機(jī)無(wú)線組網(wǎng)。由多點(diǎn)空間位置構(gòu)成的氣象數(shù)據(jù)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)探測(cè)數(shù)據(jù)誤差補(bǔ)償及糾正，多無(wú)人機(jī)相互配合，可靈活獲取多維空間坐標(biāo)精確的氣象數(shù)據(jù)，進(jìn)而完成氣象探測(cè)目標(biāo)任務(wù)。

系統(tǒng)采用分層分布式組網(wǎng)方式，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括中心網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和終端探測(cè)節(jié)點(diǎn)。終端探測(cè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)氣象數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、處理，并通過(guò)LoRa通信模塊轉(zhuǎn)發(fā)給中心網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；中心網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)搭載攝像頭模塊，一方面完成對(duì)其他無(wú)人機(jī)和周邊環(huán)境進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，另外一方面可接收終端節(jié)點(diǎn)和其他網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給地面數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)信息包括無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)與位置傳感器數(shù)據(jù)、氣象監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)、圖像與視頻信息、命令以及相應(yīng)的ACK命令。中心網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間可相互通信，以避免當(dāng)某個(gè)中心網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)遭到破壞而導(dǎo)致整個(gè)鏈路終端通信癱瘓，無(wú)法與地面數(shù)據(jù)中心完成正常通信。

圖4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

5 結(jié) 語(yǔ)

目前，氣象物聯(lián)網(wǎng)的研究和應(yīng)用尚處于初步階段，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)日漸成熟以及5G技術(shù)的逐步落地，多方位的氣象數(shù)據(jù)來(lái)源、高精準(zhǔn)的氣象信息預(yù)報(bào)和高精度的氣象定制服務(wù)將是氣象領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，氣象探測(cè)也將向智能化、精細(xì)化、網(wǎng)絡(luò)化、快速反應(yīng)化轉(zhuǎn)變。氣象無(wú)人機(jī)具有高機(jī)動(dòng)、高時(shí)間和空間分辨率等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)氣象服務(wù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通具有十分重要的作用。