趙麗斌

（黑龍江省人工影響天氣辦公室，哈爾濱 151000）

人工影響天氣業(yè)務(wù)在防災(zāi)減災(zāi)工作中凸顯越來(lái)越重要的作用，并且技術(shù)愈加成熟。人工降雨一般是以飛機(jī)播撒催化劑的方式實(shí)現(xiàn)增雨、降雨，并且觀測(cè)地面氣象數(shù)據(jù)。但外場(chǎng)人工增雨作業(yè)是對(duì)氣象條件及空氣質(zhì)量有前提條件的，對(duì)于機(jī)上指揮人員來(lái)說(shuō)，具有一定危險(xiǎn)性。所以，如果能用無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)播撒，自動(dòng)觀測(cè)，就能很好地解決安全性的問(wèn)題。氣象觀測(cè)對(duì)于防災(zāi)減災(zāi)和避免各種氣象災(zāi)害造成的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失具有重要意義[1]。氣象觀測(cè)主要包括地面、高空、遙感3 種觀測(cè)。無(wú)人機(jī)自動(dòng)觀測(cè)傳輸就相當(dāng)于空中自動(dòng)站。

模擬中由電源、各種氣象要素傳感器、數(shù)據(jù)采集器、通信端口和一些軟件系統(tǒng)組成。而數(shù)據(jù)采集器是自動(dòng)氣象站的核心。其主要功能包括數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、傳輸和系統(tǒng)運(yùn)行管理。數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能是以某種格式保存處理后的數(shù)據(jù)。保存的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括分鐘數(shù)據(jù)、小時(shí)數(shù)據(jù)等[2]。根據(jù)規(guī)定，所有自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)采集器的觀測(cè)要素?cái)?shù)據(jù)應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)文件格式存儲(chǔ)在采集器平臺(tái)的非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外部可插拔CF卡中。文件通常為通用文本格式和二進(jìn)制格式。文本文件以字符串形式存儲(chǔ)各種微小氣象要素?cái)?shù)據(jù)，文件存儲(chǔ)在CF 中，二進(jìn)制文件以固定結(jié)構(gòu)的二進(jìn)制格式存儲(chǔ)氣象要素?cái)?shù)據(jù)，文件存儲(chǔ)在采集器內(nèi)的閃存中。

無(wú)人機(jī)技術(shù)在水土保持、稀土開采、地面塌陷和臺(tái)風(fēng)災(zāi)害等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多。一些學(xué)者在無(wú)人機(jī)上安裝了高光譜成像儀來(lái)收集蘆葦冠層的光譜。利用無(wú)人機(jī)獲得遙感數(shù)據(jù)，他們模擬了中國(guó)墾利地區(qū)東亞飛蝗對(duì)蘆葦冠層的破壞實(shí)驗(yàn)，并成功建立了蝗災(zāi)后損失評(píng)估模型。結(jié)果表明：基于無(wú)人機(jī)的損失估計(jì)模型在有效定量評(píng)估和量化蝗蟲危害程度方面具有很大潛力[3]。其他學(xué)者利用無(wú)人機(jī)對(duì)冬小麥銹病進(jìn)行了遙感監(jiān)測(cè)?；跓o(wú)人機(jī)操作獲得的小麥冠層圖像，他們分析了小麥冠層反射率、各波段反射率與疾病指數(shù)之間的關(guān)系。然而，關(guān)于使用無(wú)人值守機(jī)構(gòu)建氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究很少[4]。

基于現(xiàn)代生活對(duì)更智能、更好服務(wù)的氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的迫切需求，本文利用微嵌入式技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和以太網(wǎng)通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)人機(jī)的氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)和傳輸，傳輸和顯示溫度與濕度、風(fēng)速與風(fēng)向、降雨量、蒸發(fā)量、大氣壓力和其他氣象信息。

1 基于無(wú)人機(jī)的氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.1 無(wú)人機(jī)氣象數(shù)據(jù)采集

采集數(shù)據(jù)主要為溫度、相對(duì)濕度、大氣壓力、海拔、經(jīng)緯度信息和時(shí)間[5]。本文采用溫濕度傳感器、氣壓傳感器和HGPS 傳感器。氣象要素?cái)?shù)據(jù)從控制器寫入SD卡并保存。通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送到地面主機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示[6]。

本文電路采用模塊化電路設(shè)計(jì)，電路之間通過(guò)位置網(wǎng)標(biāo)簽連接。氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電路包括從控制器電路、復(fù)位電路、晶體振蕩器電路、引導(dǎo)設(shè)置電路、電源電路、AM2320 電路、bmpl80 電路、GPS i=1 電路、SD卡存儲(chǔ)電路和USB 到串口電路。其中，復(fù)用了氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路中USB 轉(zhuǎn)串口電路的功能，可作為程序燒寫端口或無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊接口，如圖1 所示。

圖1 空氣壓力采集流程圖

溫度和濕度傳感器收集溫度和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)。采用AM2320 數(shù)字溫濕度傳感器。它是一種具有校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫度和濕度復(fù)合傳感器。它具有特殊的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感器技術(shù)，以確保高可靠性和良好的穩(wěn)定性[7]。

大氣壓力傳感器測(cè)量大氣壓力。本文采用bmpl80空氣壓力傳感器，該傳感器由壓阻傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、E2PROM 和具有串行12C 接口的控制單元組成。傳感器可以輸出大氣壓力值和溫度補(bǔ)償值[8]。

GPS 傳感器測(cè)量海拔、經(jīng)緯度、風(fēng)速和風(fēng)向、氣象數(shù)據(jù)和當(dāng)前時(shí)間，并通過(guò)串口通信將GPS 信息輸出到從控制器。它是一種高性能、低功耗的定位模塊[9]。

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊是本設(shè)計(jì)的主要通信模塊，包括發(fā)送端和接收端。接收端接收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)終端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示[10]。

1.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)的上位機(jī)語(yǔ)言是QT 編程語(yǔ)言。QT 是挪威Trolletch 公司開發(fā)的一種跨平臺(tái)GUI 開發(fā)工具，可在windows、Linux、MAC 等操作系統(tǒng)和面向?qū)ο缶幊躺线\(yùn)行。重要的是它是開源的，并且有詳細(xì)的開發(fā)文檔。它使用C++作為開發(fā)語(yǔ)言，非常適合開發(fā)應(yīng)用軟件。本文使用QT Creator 5.10 作為集成開發(fā)環(huán)境。

QT 編譯器有2 種類型，MinGW（windows 上的極簡(jiǎn)GNU，windows 下一種簡(jiǎn)單方便的基于GCC 的程序開發(fā)環(huán)境）和Microsoft 的VC 編譯器（MSVC）。與MSVC相比，MinGW 運(yùn)行速度較慢，但它具有更好的跨平臺(tái)特性，并且不需要安裝C++運(yùn)行庫(kù)。因此，選擇MinGW作為編譯器。

1.2.1 上位機(jī)功能架構(gòu)

上位機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)思想。采用模塊化思想設(shè)計(jì)的軟件程序復(fù)雜度低，調(diào)試效率高，維護(hù)成本低。根據(jù)用戶對(duì)無(wú)人機(jī)氣象信息采集系統(tǒng)的需求，系統(tǒng)功能主要分為“查看歷史數(shù)據(jù)”和“查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)”2 部分。2個(gè)模塊的數(shù)據(jù)查詢要求不同。前者從服務(wù)器下載更多數(shù)據(jù)，而后者需要更少的數(shù)據(jù)，但后者使用更頻繁，前者使用更少。這2 個(gè)模塊可以減輕服務(wù)器數(shù)據(jù)服務(wù)的壓力，改善用戶體驗(yàn)。

1.2.2 上位機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)庫(kù)連接。MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)程序包含在Qt5及以上版本中。與其他開發(fā)環(huán)境一樣，沒有必要指定驅(qū)動(dòng)程序地址和加載驅(qū)動(dòng)程序，但仍然需要?jiǎng)討B(tài)鏈接庫(kù)文件（DLL 文件）支持。因此，在使用Qt5 連接MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)之前，請(qǐng)下載MySQL 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件libmysql DLL，并將其放入MinGW 的編譯庫(kù)文件中，以便在連接到數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)能調(diào)用相應(yīng)的DLL 文件，然后成功連接到數(shù)據(jù)庫(kù)。

地理位置顯示。QAxWidget 類是QT 中的窗口控件對(duì)象。它支持ActiveX 對(duì)象，包括word、Excel、Power－Point、PDF 等。當(dāng)然，它還包括更常見的網(wǎng)頁(yè)。因此，人們可以使用QAxWidget 類加載包含百度地圖API 的JavaScript 文件來(lái)調(diào)用百度地圖接口。本文設(shè)計(jì)的地圖顯示了每個(gè)設(shè)備上次發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的位置。

2 模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)人機(jī)航路規(guī)劃

航線規(guī)劃需要根據(jù)相關(guān)規(guī)范提前設(shè)計(jì)，然后可以通過(guò)地面站系統(tǒng)設(shè)置具體的飛行參數(shù)，如高度、航線間距等參數(shù)。

2.1.1 地面分辨率的測(cè)定

地面分辨率應(yīng)根據(jù)測(cè)繪比例尺、目標(biāo)區(qū)域的實(shí)際情況和用途確定，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 地面分辨率的測(cè)定

2.1.2 海拔測(cè)定

無(wú)人機(jī)采集數(shù)據(jù)時(shí)，需要根據(jù)公式計(jì)算高度，即

式中：H 表示高度，m；f 表示攝像機(jī)焦距，mm；GSD 表示地面分辨率，m；a 表示像素大小，mm。

2.1.3 路由參數(shù)設(shè)置

路由參數(shù)設(shè)置非常重要。參數(shù)設(shè)置是否正確直接影響無(wú)人機(jī)的圖像質(zhì)量。航向基線的長(zhǎng)度決定了攝像機(jī)2 個(gè)曝光點(diǎn)之間的間隔，側(cè)面基線的長(zhǎng)度決定了相鄰路線之間的間隔。計(jì)算公式為

式中：Ax表示野外拍攝長(zhǎng)度，m；Bx表示野外路徑間距寬度，m；Ox和Oy表示圖像幅度長(zhǎng)度和寬度，mm；px和py分別表示航向重疊和橫向重疊。

2.2 數(shù)據(jù)采集精度測(cè)試

在無(wú)人機(jī)氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，系統(tǒng)測(cè)試是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵步驟。其主要目的是驗(yàn)證系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，并確保在系統(tǒng)推廣和演示之前發(fā)現(xiàn)并及時(shí)修改存在的問(wèn)題。本文主要測(cè)試傳感器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并演示該系統(tǒng)的應(yīng)用。

3 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

使用精密氣壓計(jì)校準(zhǔn)大氣壓力傳感器數(shù)據(jù)，并將其放置在透明密封的測(cè)試室內(nèi)。通過(guò)給實(shí)驗(yàn)箱加壓或抽取內(nèi)部空氣來(lái)改變傳感器周圍的空氣壓力，并測(cè)量圖2 所示的比較數(shù)據(jù)。

圖2 大氣壓力數(shù)據(jù)分析圖

如圖2 所示，本文進(jìn)行了4 組實(shí)驗(yàn)。4 組測(cè)試結(jié)果第1 組：標(biāo)準(zhǔn)值62.8 kPa，實(shí)驗(yàn)值62.9 kPa；第2 組：標(biāo)準(zhǔn)值73.5 kPa，實(shí)驗(yàn)值73.1 kPa；第3 組：標(biāo)準(zhǔn)值85.6 kPa，實(shí)驗(yàn)值85.8 kPa；第4 組：標(biāo)準(zhǔn)值91.1 kPa，實(shí)驗(yàn)值90 kPa。從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)氣象檢測(cè)系統(tǒng)在氣壓測(cè)試中誤差較小，能夠滿足日常使用的需要。

4 結(jié)論

基于氣象觀測(cè)對(duì)于人工影響天氣防災(zāi)減災(zāi)的必要性與緊迫性要求，出于對(duì)避免各種氣象災(zāi)害造成的人員傷亡的考慮，本文引出了研究無(wú)人機(jī)氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的必要性。在分析和研究國(guó)內(nèi)外自動(dòng)氣象站的發(fā)展和現(xiàn)狀后，針對(duì)氣象站行業(yè)日常氣象數(shù)據(jù)采集的需要，設(shè)計(jì)開發(fā)了無(wú)人機(jī)氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，通過(guò)上下位機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、下載和實(shí)時(shí)顯示功能。該系統(tǒng)具有精度高、成本低和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。它可以為科學(xué)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、防災(zāi)減災(zāi)提供有力的數(shù)據(jù)保障，對(duì)發(fā)展農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化等具有重要意義。