盛希寧

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 常州劉國(guó)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(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每年有近300萬(wàn)人因長(zhǎng)期暴露在室外被污染的環(huán)境中而死亡。中國(guó)早在1987年就發(fā)布了《中華人民共和國(guó)大氣污染防治法》，其中，環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)采用空氣污染指數(shù)API進(jìn)行衡量。監(jiān)測(cè)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(zhǎng)時(shí)間停留，并可隨呼吸進(jìn)入人體，這些粒子長(zhǎng)期積聚在氣管或肺部易導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病。因此，我國(guó)氣象局積極架設(shè)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站，用以監(jiān)測(cè)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(fēng)速、風(fēng)向等，建立相關(guān)警報(bào)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(cè)量空氣污染物的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)量有限，且監(jiān)測(cè)高度相近，導(dǎo)致氣象局無(wú)法追查空氣污染物源頭，并進(jìn)一步防止污染的產(chǎn)生。因此，為了追蹤空氣污染物的來(lái)源，可以在同一地點(diǎn)架設(shè)不同高度的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，此舉不僅能夠精確獲悉污染物的擴(kuò)散模式，更能夠采集更多氣候因子數(shù)據(jù)作為專(zhuān)業(yè)氣象人員進(jìn)行空氣污染物擴(kuò)散分析的依據(jù)。若要監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)不同高度的氣候因子，唯有選擇無(wú)人機(jī)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(jì)

為了實(shí)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(wú)線傳輸模塊作為環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)，搭載四旋翼無(wú)人機(jī)，于每小時(shí)采集不同高度的環(huán)境數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)中，并以網(wǎng)頁(yè)方式將數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表化呈現(xiàn)。

目前市面上常見(jiàn)的無(wú)人機(jī)依照飛行機(jī)制可以分為定翼型與旋翼型兩類(lèi)。為了彌補(bǔ)一般氣象監(jiān)測(cè)站的缺陷，我們利用旋翼型無(wú)人機(jī)在三維空間可飛行和懸停的特性，建立了一個(gè)區(qū)域環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使其周期性地在同一地點(diǎn)不同高度測(cè)量溫度、濕度以及PM2.5數(shù)據(jù)。本文提出的基于四旋翼無(wú)人機(jī)的區(qū)域環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(guò)無(wú)人機(jī)將采集區(qū)域內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括高度、溫度、濕度和PM2.5濃度，經(jīng)LoRa無(wú)線傳輸模塊上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。使用者通過(guò)數(shù)據(jù)分析和可視化系統(tǒng)在網(wǎng)頁(yè)上選擇需要查詢和確認(rèn)的數(shù)據(jù)，借助用戶接口由數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用和分析處理，并以視覺(jué)化圖表的方式呈現(xiàn)于網(wǎng)頁(yè)之上[3-5]。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(wú)線傳輸模塊RN2483組成。

飛行控制器使用Pixhawk作為硬件平臺(tái)，輔以PX4作為飛行控制軟件。當(dāng)無(wú)人機(jī)從選定的地點(diǎn)起飛到達(dá)特定高度后便開(kāi)始偵測(cè)溫度、濕度以及PM2.5濃度。微控制器與飛行控制器、無(wú)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(guò)飛行控制系統(tǒng)Pixhawk讀取無(wú)人機(jī)當(dāng)前的高度。系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的間隔高度為3 m，經(jīng)由無(wú)線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存。當(dāng)無(wú)人機(jī)飛至30 m時(shí)，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(duì)濕度范圍為0～92%RH，溫度誤差為±2 ℃，相對(duì)濕度誤差為±5%RH。其內(nèi)部包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)測(cè)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(zhǎng)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(yàn)碼8 bit。

GP2Y1010AU0F是一款利用光敏原理探測(cè)空氣質(zhì)量的傳感器，通過(guò)其內(nèi)部對(duì)角安裝的紅外線發(fā)光管和光電晶體管檢測(cè)空氣中懸浮微粒的反射光。根據(jù)手冊(cè)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(jiàn)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(guò)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(zhǎng)距離無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，具有傳輸距離長(zhǎng)、功耗低、多節(jié)點(diǎn)等優(yōu)勢(shì)，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(jiàn)的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)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(lèi)協(xié)議。該模塊的工作溫度為-40～85 ℃、相對(duì)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(zhǎng)可達(dá)15 km，市區(qū)的傳送距離最長(zhǎng)為5 km。當(dāng)無(wú)人機(jī)采集到數(shù)據(jù)后，通過(guò)LoRa模塊傳輸至伺服器，由伺服器進(jìn)行數(shù)據(jù)拆解后存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)。最后，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后使用網(wǎng)頁(yè)視覺(jué)化圖表繪圖工具Highcharts在網(wǎng)頁(yè)上呈現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)圖表[6-7]。系統(tǒng)硬件實(shí)物如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件實(shí)物

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)的LoRa傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳送至計(jì)算機(jī)通信接口的LoRa傳輸模塊。用戶界面與數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)頁(yè)框架之間的接口利用Python語(yǔ)言編寫(xiě)，其數(shù)據(jù)格式和長(zhǎng)度見(jiàn)表1所列，分別為監(jiān)測(cè)域代碼、監(jiān)測(cè)高度、溫度、濕度、PM2.5濃度以及校驗(yàn)碼。

表1 數(shù)據(jù)和長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)表 bit

3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

為了測(cè)試實(shí)際制作的區(qū)域環(huán)境監(jiān)測(cè)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于氣象局設(shè)立的氣象監(jiān)測(cè)站所測(cè)量的數(shù)據(jù)僅代表大區(qū)域的天氣情況，無(wú)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與一般氣象監(jiān)測(cè)站的差異，此處將二者的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。無(wú)人機(jī)在12 m處實(shí)測(cè)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(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與氣象監(jiān)測(cè)站測(cè)量的數(shù)據(jù)存在一定差異。氣象監(jiān)測(cè)站獲得的PM2.5平均濃度偏低，而無(wú)人機(jī)偵測(cè)到的PM2.5平均濃度較高，說(shuō)明無(wú)人機(jī)所測(cè)的環(huán)境數(shù)據(jù)更貼近小區(qū)范圍內(nèi)的真實(shí)環(huán)境狀況。

圖3 監(jiān)測(cè)站與無(wú)人機(jī)溫度測(cè)量數(shù)據(jù)比較

圖4 監(jiān)測(cè)站與無(wú)人機(jī)濕度測(cè)量數(shù)據(jù)比較

圖5 監(jiān)測(cè)站與無(wú)人機(jī)PM2.5濃度測(cè)量數(shù)據(jù)比較

4 結(jié) 語(yǔ)

目前該系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)采用人工取點(diǎn)方式，因此監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)固定。后續(xù)將為系統(tǒng)加入當(dāng)前無(wú)人機(jī)所在位置的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)測(cè)量功能，并動(dòng)態(tài)同步至網(wǎng)頁(yè)端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)，新增系統(tǒng)自動(dòng)返航功能，當(dāng)無(wú)人機(jī)執(zhí)行完飛行任務(wù)或電量低于設(shè)定值時(shí)，能自動(dòng)返回至起飛點(diǎn)充電。未來(lái)更可以結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)，建立該區(qū)域短時(shí)間內(nèi)的天氣預(yù)測(cè)模型，并提供預(yù)警功能。