王琦華，陳 城，洪 嵐，任 偉，董天天

(1.江蘇信息職業(yè)技術(shù)學院微電子學院，江蘇 無錫 214153；2.南京信息工程大學自動化學院，江蘇 南京 210044；3.南京信息工程大學大氣物理學院，江蘇 南京 210044；4.中國電信股份有限公司興化分公司，江蘇 泰州 225300)

目前我國大氣監(jiān)測、監(jiān)控以及采樣方式主要采用傳統(tǒng)的地面大氣監(jiān)測、人工現(xiàn)場監(jiān)控以及現(xiàn)場采樣為主，其中，現(xiàn)有的大氣監(jiān)測方式對空氣質(zhì)量監(jiān)測存在數(shù)據(jù)不夠全面，誤差較大，對于高空以及危險區(qū)的大氣監(jiān)測比較困難，在緊急應(yīng)急能力上存在很多缺陷，同時不同高度的大氣情況差異較大，人工采樣方式需要實地采樣，具有采樣周期長、成本高以及采樣具有地域局限性等缺點[1-2]，同時也不能即時第一視角觀看現(xiàn)場畫面。為此，尋求一種高效、準確、便捷的大氣監(jiān)測、監(jiān)控以及采樣的方式具有重要的現(xiàn)實意義。

大氣采樣/監(jiān)測技術(shù)主要包括地基監(jiān)測技術(shù)、車載監(jiān)測技術(shù)、機載監(jiān)測技術(shù)以及星載監(jiān)測技術(shù)[3-4]，其中，地基監(jiān)測技術(shù)存在位置固定，車載監(jiān)測技術(shù)無法垂直立體化，星載監(jiān)測技術(shù)成本比較昂貴難以民用，機載監(jiān)測技術(shù)將無人機技術(shù)與大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)進行有機結(jié)合，對實現(xiàn)大氣污染的立體化監(jiān)測具有十分關(guān)鍵的作用。同時，隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展，無人機也在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，利用旋翼無人機的高機動性、便捷性，可適用于高空及各種危險區(qū)域飛行的特性，可以實現(xiàn)大氣采樣和監(jiān)測的定點、定高操作，從而彌補傳統(tǒng)采樣和監(jiān)測方式的缺陷，提高大氣采樣和監(jiān)測的信息化、高效化、精確化水平[5-6]。同時遇到有毒有害的氣體，無人機憑借其非現(xiàn)場第一視角能夠俯瞰現(xiàn)場畫面，進行實時監(jiān)控。

機載監(jiān)測技術(shù)憑借無人機的快速性、空中懸停、定位準確、第一視角等優(yōu)勢，能夠有效面對環(huán)境污染突發(fā)性事件，便于工作人員及時了解并掌握特殊區(qū)域情況，同時能夠積極采取有效措施應(yīng)對，對降低環(huán)境污染突發(fā)事件監(jiān)測工作危險性具有極其關(guān)鍵的積極作用[7]。機載大氣采樣、監(jiān)測、監(jiān)控裝置系統(tǒng)一般包含環(huán)境采集終端、定位模塊、定高模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、大氣采樣裝置、監(jiān)控系統(tǒng)等，它們可為各級環(huán)境監(jiān)測部門及環(huán)境信息化建設(shè)提供整套的解決方案。

1 機載大氣監(jiān)測、監(jiān)控、采樣裝置技術(shù)路線

系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1 所示，該系統(tǒng)由無人機平臺(含圖傳系統(tǒng))、大氣監(jiān)測裝置以及大氣采樣裝置組成，其大氣采樣和監(jiān)測可以同時安裝在無人機平臺上也可以單獨安裝在平臺上并由無人機遙控器上的空閑通道分別完成采樣和監(jiān)測任務(wù)。與此同時，本系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的三層架構(gòu)圖，感知層主要完成對大氣污染物濃度監(jiān)測、大氣樣本采樣以及第一視角圖像信息采集，傳輸層完成對采集數(shù)據(jù)、圖像信息的實時傳輸，應(yīng)用層實現(xiàn)對大氣污染物濃度的分布以“第一視角”展示[8-9]。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

1.1 機載大氣采樣裝置分析流程圖

首先將大氣采樣裝置靈活安裝在無人機上，無人機飛行到采樣區(qū)域進入懸停模式，撥動遙控器上的采集按鈕將大氣樣本采集到專用的采樣袋中進行現(xiàn)場保存(并將采樣的三維信息本地保存)，無人機飛行至下一個采樣區(qū)域進行樣本采樣，系統(tǒng)的技術(shù)路線如圖2 所示。

圖2 機載大氣采樣流程圖

1.2 機載大氣監(jiān)測裝置分析流程圖

大氣監(jiān)測裝置搭載在多旋翼無人機上，利用無人機的高機動性、便捷性，可適用于在高空及各種危險區(qū)域進行大氣污染事件監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)(PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3)本地存儲以及實時發(fā)送給測繪平臺處理、展示等，其大氣監(jiān)測流程如圖3 所示。

圖3 機載大氣監(jiān)測流程圖

2 機載大氣采樣與監(jiān)測裝置設(shè)計

機載大氣采樣與監(jiān)測裝置設(shè)計包含硬件設(shè)計、軟件設(shè)計以及機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，下面將分別介紹各自的設(shè)計框架。

2.1 機載大氣采樣裝置設(shè)計

2.1.1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，硬件電路主要包含STM32F103RCT6 最小系統(tǒng)電路、定位模塊、氣壓計模塊、存儲模塊以及電機驅(qū)動等，如圖4所示。

圖4 大氣采樣硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 軟件設(shè)計

采樣裝置終端軟件采用STM32 的微處理器GPIO 管腳，捕獲無人機遙控器接收機上的PWM 開關(guān)，進而控制自吸泵的工作，并將GPS 和氣壓計信息存儲到存儲模塊中，作為記錄信息，其步驟如下:

Step 1:STM32_GPIO 引腳初始化；

Step 2:GPS、氣壓計模塊以及存儲模塊初始化(處理器對其進行結(jié)算三維空間信息)；

Step 3:遙控器發(fā)送采集指令；

Step 4:自吸泵啟動大氣采樣完成，并將采集的三維信息記錄在存儲模塊中；

Step 5:自此一個采樣點位的大氣采樣完成。

2.1.3 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計采用Solidworks 進行繪制，每個采樣袋之間用隔板檔開，采樣袋和自吸泵之間采用軟管進行連接，采樣裝置外觀結(jié)構(gòu)和剖視圖如圖5所示。

2.2 機載大氣監(jiān)測裝置設(shè)計

2.2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的監(jiān)測模塊設(shè)計，硬件電路主要包含STM32F103RCT6 最小系統(tǒng)電路、定位模塊、氣壓計模塊、存儲模塊、無線通信模塊、環(huán)境采集模塊等，硬件框圖如圖6 所示

圖6 大氣監(jiān)測硬件框圖

2.2.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

監(jiān)測終端軟件采用STM32 微處理器的GPIO 管腳捕獲無人機遙控器接收機上的PWM 開關(guān)，進而控制大氣監(jiān)測工作，并將監(jiān)測終端上的GPS 模塊和氣壓計模塊處理后同監(jiān)測數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，通過數(shù)傳模塊實時傳輸至地面站，并保存于存儲模塊中，防止因信息丟失導致缺少監(jiān)測數(shù)據(jù)，其步驟如下:

Step 1:STM32_GPIO 引腳初始化；

Step 2:GPS、氣壓計模塊以及存儲模塊初始化(處理器對其進行結(jié)算三維空間信息)；

Step 3:遙控器發(fā)送采集指令；

Step 4:大氣監(jiān)測裝置進行大氣環(huán)境監(jiān)測并將采集的三維信息記錄在存儲模塊中，同時并將監(jiān)測的數(shù)據(jù)實時傳輸至地面站；

Step 5:自此一個架次的監(jiān)測裝置完成。

2.2.3 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

本機械結(jié)構(gòu)設(shè)計同樣采用Solidworks 軟件進行繪制并采樣3D 打印，機械結(jié)構(gòu)外觀和剖視圖如圖7所示。

圖7 大氣監(jiān)測裝置外觀和剖視圖

3 實驗及實驗結(jié)果分析

3.1 無人機系統(tǒng)

載體采用自主研發(fā)的無人機平臺，其無人機平臺主要包含動力系統(tǒng)部分、飛控系統(tǒng)部分以及供電系統(tǒng)部分，其中動力系統(tǒng)部分包含機架(ZD850)、電機(朗宇X5212S KV400)、電調(diào)(好盈樂天60A)、槳葉(1855)；飛控部分包含PIXHAWK4、遙控器系統(tǒng)(云卓H12)、圖傳系統(tǒng)；供電系統(tǒng)部分為鋰電池(Lipo 16 000 mAh)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖組成和裝配如圖8和圖9 所示[10-11]。

圖8 系統(tǒng)連接圖

圖9 系統(tǒng)裝配圖

3.2 監(jiān)測、采樣以及監(jiān)控裝置功能測試

為了驗證監(jiān)測、采樣及監(jiān)控裝置功能的完整性，將監(jiān)測、采樣裝置靈活安裝在無人機上進行外場實驗，如圖10 所示。監(jiān)測數(shù)據(jù)通過數(shù)傳模塊P900 進行實時傳輸，在QGround Control 地面站顯示，采樣裝置通過無人機遙控器的控制通道遠程控制；監(jiān)控的“第一視角”通過無人機的圖傳系統(tǒng)實時傳輸，如圖11所示。

圖10 飛行實驗圖

圖11 數(shù)據(jù)實時回傳

3.3 實驗結(jié)果分析

無人機的大氣環(huán)境立體化監(jiān)測、監(jiān)控以及采樣主要是將監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)字化以便更直觀地展示，監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)字化將從技術(shù)準備、外業(yè)采集以及內(nèi)業(yè)處理等方面開展，具體流程如圖12 所示[12]。

圖12 數(shù)字賦能大氣環(huán)境智能化“監(jiān)、采、控”一體化系統(tǒng)流程圖

將監(jiān)測數(shù)據(jù)和微型氣象監(jiān)測站數(shù)據(jù)進行比對分析，選擇江蘇某區(qū)域生態(tài)環(huán)境局，以監(jiān)測時間每隔5 min為一個數(shù)據(jù)，監(jiān)測參數(shù)為(PM10、PM2.5、NO2、SO2、O3、CO)數(shù)據(jù)對比如圖13 所示。

圖13 實驗數(shù)據(jù)對比分析圖

由圖13 數(shù)據(jù)對比分析圖可知，連續(xù)監(jiān)測運行1 h 后，其監(jiān)測數(shù)據(jù)與環(huán)保監(jiān)測數(shù)據(jù)走勢基本一致，數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的誤差也在合理范圍之內(nèi)，實驗結(jié)果表明監(jiān)測數(shù)據(jù)符合環(huán)保監(jiān)測標準要求，能夠為環(huán)保部分在應(yīng)對突發(fā)性環(huán)境污染事件提供解決方案需求。

4 結(jié)論與展望

本文主要針對傳統(tǒng)的大氣采樣和監(jiān)測方法存在采樣人員的危險性、采樣/監(jiān)測位置固定以及無法立體化監(jiān)測等問題，提出了利用機載遙感技術(shù)具有立體監(jiān)測、監(jiān)測范圍廣、地形干擾小、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢來彌補傳統(tǒng)采樣和監(jiān)測方式的局限性。為今后突發(fā)性環(huán)境污染事件提供一種可能的解決方案。

后續(xù)將針對大氣污染源排查取證智能化水平不足、高精度追因溯源能力與大氣污染調(diào)控措施靶向性不足的問題，研發(fā)觸發(fā)式無人機巡查與智慧采樣取證裝備，形成“分析研判”—“精準溯源”—“定點執(zhí)法”監(jiān)管技術(shù)體系，為提升大氣環(huán)境智能化監(jiān)管與非現(xiàn)場執(zhí)法能力提供技術(shù)支撐。