CN104897537B - 基于无人机的pm2.5浓度采集装置和数据过滤方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于无人机的PM2.浓度采集装置和实时数据过滤方法。基于无人机的城市PM2.5浓度采集装置包括空中PM2.5浓度采集模块和地面控制站模块，所述的空中城市PM2.5浓度采集模块包括无人机模块和PM2.5浓度采集载荷，所述的无人机模块包括GPS模块和无线通信模块，所述PM2.5浓度采集载荷包括传感器模块，数据存储模块和SIM卡模块。利用所述的基于无人机的PM2.5浓度采集装置对PM2.5浓度进行采集，设备灵活性强，操作简单，有效的节约了采集成本，本发明提出的数据过滤方法过滤原始PM2.5浓度数据提高了数据准确性，并节省了大量资源。
Description
技术领域
本发明属于无线传感技术、计算机应用技术和数据处理技术领域，是一种基于无人机的PM2.5浓度采集装置和实时数据过滤方法。
背景技术
PM2.5是指环境空气中动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物。PM2.5浓度过大不仅降低能见度，对人们出行生活带来影响，而且严重危害着人们的健康。
目前的PM2.5浓度采集是在城市区域中设置几个固定的PM2.5监测站，监测站使用高精密设备采集PM2.5浓度，以此来监测PM2.5的浓度。这种PM2.5浓度采集装置数据区域覆盖率低，监测设备成本高昂，且设备难以维护。随着经济发展，城市中出现了越来越多的高层建筑，近地面成为人们公共活动的重要场所，监测空中PM2.5浓度也越发重要。然而，目前并没有一种有效的城市空中PM2.5浓度采集装置。
大规模传感器的实时采集环境信息一般使用廉价的传感器，不可避免地会带来一定量的误差数据，这些无效数据的传输、存储耗费大量资源并为后续的数据挖掘、数据到知识的飞跃增加了难度，所以设计一种复杂度低的数据过滤方法十分重要。而目前的数据过滤方法要不就是计算复杂就是实时性低。
发明内容
本发明针对现有PM2.5浓度采集装置和数据过滤方法的缺点，提出了基于无人机的PM2.5浓度采集装置和实时数据过滤方法。本发明提出的PM2.5浓度采集装置设备灵活性强，操作简单，数据区域覆盖率高，有效的节约了采集成本，通过本发明提出的数据过滤方法过滤原始PM2.5浓度数据提高了数据准确性，并节省了大量资源。
基于无人机的PM2.5浓度采集装置包括空中PM2.5浓度采集模块和地面控制站模块，所述的空中PM2.5浓度采集模块包括无人机模块和PM2.5浓度采集载荷，所述的无人机模块包括GPS模块和无线通信模块，所述PM2.5浓度采集载荷包括传感器模块，数据处理模块，数据存储模块和SIM卡模块。
所述的基于无人机的PM2.5浓度采集装置，所述的无人机模块和所述的PM2.5浓度采集载荷模块连接，接收所述的传感器模块采集到的PM2.5浓度数据，并联合所述的GPS模块采集到的GPS信息通过所述的无线传输模块传回所述的地面控制站模块。所述的无线传输模块还接收来自所述的地面控制站模块的控制信号，控制所述的无人机模块飞行。
所述的基于无人机的PM2.5浓度采集装置，所述的传感器模块采用型号为DN7C3CA006的PM2.5传感器，它被安装在所述的PM2.5浓度采集载荷上，用来采集空中PM2.5浓度。采集到的空中PM2.5浓度发送给所述的数据处理模块对PM2.5浓度数据实时过滤处理。
所述的基于无人机的PM2.5浓度采集装置，所述的数据处理模块实时过滤处理所述的传感器模块采集到的空中PM2.5浓度。处理完的数据被发送到3个模块：1.发送给所述的数据存储模块存储，2.发送给所述的SIM卡模块上传到服务器，3.发送给所述的无人机模块通过所述的无线通信模块传回所述的地面站模块。
用上述基于无人机的PM2.5浓度采集装置对PM2.5浓度实时数据过滤的方法包括以下步骤：1、利用无人机周期性采集原始PM2.5浓度数据2、计算数据误差容忍率φ3、删除误差容忍率φ大于容忍上限δ的数据4、排序时间窗口中剩余数据，删除过大过小数据5、平均化时间窗口中数据6、从第2个时间窗口开始，计算数据过滤结果并输出。
本发明方法的具体步骤是：
步骤(1)、利用无人机周期性采集原始PM2.5浓度数据。具体是将城市区域网格化，搭载PM2.5浓度采集设备的无人机按规划路径飞行，当无人机到达指定位置，悬停并采集PM2.5浓度数据。按时间周期为t采集一个数据，令时间窗口的大小为T，一个时间窗口共采集T/t个PM2.5浓度数据，设原始数据为。
步骤(2)、计算数据误差容忍率φ。如下式所示，一个时间窗口中，从第2个数据开始到T/t-1个数据，分别计算数据误差容忍率φ，其中φ i 表示第i个数据的误差容忍率，i的范围为2到T/t-1。
Φ i =(|X i -X i-1 |+|X i -X i+1 |)/X i
步骤(3)、删除误差容忍率φ大于容忍上限δ的数据。将一个时间窗口中所有数据的误差容忍率φ和容忍上限δ进行比较，删除误差容忍率大于容忍上限的原始数据。目的是删除个别突变的错误数据。
步骤(4)、排序时间窗口中剩余数据，删除过大过小数据。将时间窗口中剩余的数据进行排序，删除其中首尾5%的数据。目的是使时间窗口中的数据更平滑，处理结果更准确。
步骤(5)、平均化时间窗口中数据。具体为将时间窗口内剩余的数据平均成1个数据，设Y j 是平均化后的数据，其中j表示第j个窗口。
步骤(6)、从第2个时间窗口开始，计算数据过滤结果并输出。重复步骤(1)到步骤(5)，计算下一时间窗口的数据Y j+1 ，从第2个时间窗口开始，将当前窗口数据Y j ,上一窗口数据Y j-1 和下一窗口数据Y j+1 平均为一个数据作为数据结果并输出,其中D j 为数据过滤结果，输出D j 。即时间周期t采集一个数据，一个时间窗口共T/t个数据，3个时间窗口3T输出一个过滤后的数据。
本发明的有益效果是：
(1)、无人机采集PM2.5浓度灵活性强，操作简单，数据区域覆盖率高；
(2)、本发明方法设备价格低，利用率高；
(3)、利用本发明方法过滤PM2.5浓度准确性高，实时性好。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为城市区域网格化示意图；
图3为本发明方法实时数据过滤流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，基于无人机的PM2.5浓度采集装置包括空中PM2.5浓度采集模块1和地面控制站模块2，所述的空中PM2.5浓度采集模块包括无人机模块3和PM2.5浓度采集载荷模块4，所述的无人机模块包括GPS模块5和无线通信模块6，所述PM2.5浓度采集载荷包括传感器模块7，数据处理模块8数据存储模块9和SIM卡模块10。
所述的无人机模块和所述的PM2.5浓度采集载荷模块连接，接收所述的传感器模块采集到的PM2.5浓度数据，并联合所述的GPS模块采集到的GPS信息通过所述的无线传输模块传回所述的地面控制站模块。所述的无线传输模块还接收来自所述的地面控制站模块的控制信号，控制所述的无人机模块飞行。
所述的传感器模块采用型号为DN7C3CA006的PM2.5传感器，它被安装在所述的PM2.5浓度采集载荷模块上，用来采集空中PM2.5浓度。采集到的空中PM2.5浓度发送给所述的数据处理模块对PM2.5浓度数据实时过滤处理。
所述的数据处理模块实时过滤处理所述的传感器模块采集到的空中PM2.5浓度。处理完的数据被发送到3个模块：1.发送给所述的数据存储模块存储，2.发送给所述的SIM卡模块上传到服务器，3.发送给所述的无人机模块通过所述的无线通信模块传回所述的地面站模块。
用上述基于无人机的PM2.5浓度采集装置对PM2.5浓度实时数据过滤的方法包括以下步骤：1、利用无人机周期性采集原始PM2.5浓度数据2、计算数据误差容忍率φ3、删除误差容忍率φ大于容忍上限δ的数据4、排序时间窗口中剩余数据，删除过大过小数据5、平均化时间窗口中数据6、从第2个时间窗口开始，计算数据过滤结果并输出。
本发明方法的具体步骤是，参见图3：
步骤(1)、利用无人机周期性采集原始PM2.5浓度数据。具体是将城市区域网格化，如图2所示，将待采集PM2.5浓度的城市区域看作是个立方体，以200m（经度）*200m（维度）*200m（高度）的维度将立方体均匀分割网格化。搭载PM2.5浓度采集设备的无人机按规划路径飞行，当无人机到达指定位置，悬停并采集PM2.5浓度数据。按时间周期为t采集一个数据，令时间窗口的大小为T，一个时间窗口共采集T/t个PM2.5浓度数据，设原始数据为。
步骤(2)、计算数据误差容忍率φ。如下式所示，一个时间窗口中，从第2个数据开始到T/t-1个数据，分别计算数据误差容忍率φ，其中φ i 表示第i个数据的误差容忍率，i的范围为2到T/t-1。
Φ i =(|X i -X i-1 |+|X i -X i+1 |)/X i
步骤(3)、删除误差容忍率φ大于容忍上限δ的数据。将一个时间窗口中所有数据的误差容忍率φ和容忍上限δ进行比较，删除误差容忍率大于容忍上限的原始数据。目的是删除个别突变的错误数据。
步骤(4)、排序时间窗口中剩余数据，删除过大过小数据。将时间窗口中剩余的数据进行排序，删除其中首尾5%的数据。目的是使时间窗口中的数据更平滑，处理结果更准确。
步骤(5)、平均化时间窗口中数据。具体为将时间窗口内剩余的数据平均成1个数据，设Y j 是平均化后的数据，其中j表示第j个窗口。
步骤(6)、从第2个时间窗口开始，计算数据过滤结果并输出。重复步骤(1)到步骤(5)，计算下一时间窗口的数据Y j+1 ，从第2个时间窗口开始，将当前窗口数据Y j ,上一窗口数据Y j-1 和下一窗口数据Y j+1 平均为一个数据作为数据结果并输出,其中D j 为数据过滤结果，输出D j 。即时间周期t采集一个数据，一个时间窗口共T/t个数据，3个时间窗口3T输出一个过滤后的数据。
Claims (2)
1.基于无人机的PM2.5浓度实时数据过滤的方法，所使用的PM2.5浓度采集装置，包括空中PM2.5浓度采集模块和地面控制站模块，所述的空中PM2.5浓度采集模块包括无人机模块和PM2.5浓度采集载荷模块，所述的无人机模块包括GPS模块和无线通信模块，所述PM2.5浓度采集载荷包括传感器模块，数据处理模块，数据存储模块和SIM卡模块；
所述的无人机模块和所述的PM2.5浓度采集载荷模块连接，接收所述的传感器模块采集到的PM2.5浓度数据，并联合所述的GPS模块采集到的GPS信息通过所述的无线通信模块传回所述的地面控制站模块；所述的无线通信模块还接收来自所述的地面控制站模块的控制信号，控制所述的无人机模块飞行；
其特征在于包括以下步骤：
步骤(1)、利用无人机周期性采集原始PM2.5浓度数据；具体是将城市区域网格化，搭载PM2.5浓度采集设备的无人机按规划路径飞行，当无人机到达指定位置，悬停并采集PM2.5浓度数据；按时间周期为t采集一个数据，令时间窗口的大小为T，一个时间窗口共采集T/t个PM2.5浓度数据，设原始数据为X1…XT/t；
步骤(2)、计算数据误差容忍率φ；如下式所示，一个时间窗口中，从第2个数据开始到T/t-1个数据，分别计算数据误差容忍率φ，其中φi表示第i个数据的误差容忍率，i的范围为2到T/t-1；
Φi＝(|Xi-Xi-1|+|Xi-Xi+1|)/Xi
步骤(3)、删除误差容忍率φ大于容忍上限δ的数据；具体是：将一个时间窗口中所有数据的误差容忍率φ和容忍上限δ进行比较，删除误差容忍率大于容忍上限的原始数据；
步骤(4)、排序时间窗口中剩余数据，删除过大过小数据；具体是：将时间窗口中剩余的数据进行排序，删除其中首尾5％的数据；
步骤(5)、平均化时间窗口中数据；具体是：将时间窗口内剩余的数据平均成1个数据，设Yj是平均化后的数据，其中j表示第j个窗口；
步骤(6)、从第2个时间窗口开始，计算数据过滤结果并输出；重复步骤(1)到步骤(5)，计算下一时间窗口的数据Yj+1，从第2个时间窗口开始，将当前窗口数据Yj,上一窗口数据Yj-1和下一窗口数据Yj+1平均为一个数据作为数据结果并输出,其中Dj为数据过滤结果，输出Dj；即时间周期t采集一个数据，一个时间窗口共T/t个数据，3个时间窗口3T输出一个过滤后的数据。
2.根据权利要求1所述的基于无人机的PM2.5浓度实时数据过滤的方法，其特征在于：所述的传感器模块采用型号为DN7C3CA006的PM2.5传感器，它被安装在所述的PM2.5浓度采集载荷模块上，用来采集空中PM2.5浓度；采集到的空中PM2.5浓度发送给所述的数据处理模块对PM2.5浓度数据实时过滤处理；
所述的数据处理模块实时过滤处理所述的传感器模块采集到的空中PM2.5浓度；处理完的数据被发送到三个模块，分别是：
发送给所述的数据存储模块存储；
发送给所述的SIM卡模块上传到服务器；
发送给所述的无人机模块通过所述的无线通信模块传回所述的地面站模块。
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