CN107860869A - 一种基于飞行器的智能空气监测系统及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于飞行器的智能空气监测系统及监测方法，包括基于APM开源飞控平台的无人机和无人机的飞控系统，还包括设置在无人机上与飞控系统连接的嵌入式系统，所述嵌入式系统上还连接有定位模块和设置在无人机机壳外部的数据采集模块；所述嵌入式系统上还连接有通信模块；所述嵌入式系统上还连接有MTF FPV图像采集模块；所述数据采集模块和图像采集模块的安装位置与无人机的重心位于一条垂直于水平面方向的直线上；本方案的优点是：系统融合度高，节约成本；对空气质量异常的区域进行更精确的测量；可以对采集的数据进行实时处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种空气监测系统，具体涉及一种基于飞行器的智能空气监测系统及监测方法。
背景技术
伴随着社会经济的迅速发展,人类赖以生存的自然环境污染逐渐加重，雾霾对人类生命健康威胁越来越大，研究有效的空气质量有效检测手段变得尤为迫切。传统的空气质量监测方法(定点监测，人工巡查、车载流动巡检)不仅无法对工业园区高空区域进行准确测量，而且无法对人为偷排偷放等行为进行有效监督，限制了对城市空气质量监测全面性和有效分析，并且无法实现污染源取证。
近来出现的无人机携带空气质量监测装置对特定区域进行空气质量监测的方法可以较好的解决上述问题，但是由于检测装置和无人机是相互独立的设备，融合度差，不仅总成本较高，而且缺乏前端数据分析，导致通信数据量大，后续存储和处理复杂等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是由于检测装置和无人机是相互独立的设备，融合度差，不仅总成本较高，而且缺乏前端数据分析，导致通信数据量大，后续存储和处理复杂，目的在于提供一种基于飞行器的智能空气监测系统及监测方法，解决由于检测装置和无人机是相互独立的设备，融合度差，不仅总成本较高，而且缺乏前端数据分析，导致通信数据量大，后续存储和处理复杂的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于飞行器的智能空气监测系统，包括基于APM开源飞控平台的无人机和无人机的飞控系统，还包括设置在无人机上与飞控系统连接的嵌入式系统，所述嵌入式系统上还连接有定位模块和设置在无人机机壳外部的数据采集模块；所述嵌入式系统上还连接有通信模块；所述嵌入式系统上还连接有MTF FPV图像采集模块；所述数据采集模块和图像采集模块的安装位置与无人机的重心位于一条垂直于水平面方向的直线上；
飞控系统：接收嵌入式系统发送控制信号，根据控制信号进行飞行；
嵌入式系统：接收数据采集模块发送的空气质量参数，发送控制信号到飞控系统；接收数据采集模块发送的空气质量参数和定位模块发送的位置信息，处理后进行储存；接收数据采集模块发送的空气质量参数，发送触发信号到图像采集模块进行拍照取证；接收图像采集模块发送的图像数据进行储存；
定位模块：实时采集无人机的位置信息，将位置信息发送到嵌入式系统；
数据采集模块：采集空气质量参数，将空气质量参数发送到嵌入式系统；
通信模块：接收嵌入式系统发送的空气质量参数和位置信息，将空气质量参数和位置信息向其他设备发送；
图像采集模块：接收嵌入式系统发送的触发信号进行拍照取证，将拍摄的图像作为图像数据发送到嵌入式系统。
本方案通过在无人机与数据采集模块之间加入一套嵌入式系统，嵌入式系统自带智能数据分析功能，可实时对数据采集模块采集的空气质量参数进行分析，实现选择性存储数据，避免对大量数据的传输和存储，以避免数据传输不稳定和及时导致的关键数据丢失。同时嵌入式系统与无人机的飞控系统连接，使无人机不仅可以根据遥控或者预设的线路飞行，也可以通过接收来自嵌入式系统的控制信号进行飞行。同时定位模块的位置信息可以辅助嵌入式系统记录各项空气质量参数的位置坐标。在系统工作时飞控系统控制无人机的飞行，在无人机飞行的过程中，数据采集模块实时采集空气质量参数，将空气质量参数发送到嵌入式系统中进行实时处理，处理后的数据量远远小于数据采集模块采集的数据量，所需的储存空间大幅降低，使无人机能采集更多区域的空气质量参数，同时，当嵌入式系统判断数据采集模块实时采集的空气质量参数异常时，可以介入无人机的飞控系统，临时改变无人机的飞行轨迹。像采集模块采用触发工作方式，在数据采集模块采集的空气质量参数在正常范围内时，图像采集模块待机，当嵌入式系统判断数据采集模块采集的空气质量参数异常并启动，进行拍照或录像。由于是在无人机上进行图像采集工作，持续使用较为耗电，影响无人机的续航。同时，由于无人机本身自重较小，而数据采集模块如果安装的位置偏离了过无人机重心的垂线，则可能导致整个系统的重心出现大的偏移，不利于飞行的稳定。
所述嵌入式系统包括MCU和与MCU连接的机载数据库。嵌入式系统硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和I/O接口。在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。以MCU作为嵌入式微处理器具有体积小、功耗低的优点，由于无人机的飞行由独立的飞控系统控制，因此，嵌入式微处理器选用MCU可以满足数据处理和控制的需求，而MCU体积小、功耗低的优点使无人机能搭载更多的数据采集模块和获得更长的续航。
所述数据采集模块包括二氧化硫传感器、二氧化氮传感器、一氧化碳传感器、臭氧传感器和海博伦粉尘传感器中的至少一种。空气污染物主要为二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳和PM2.5/10，采用上述设备可根据需求分别对这些污染物进行检测。
还包括为嵌入式系统和数据采集模块供电的锂电池供电电源模块。由于嵌入式系统和数据采集模块需要持续工作，如果由无人机的电池进行供电的话，容易导致无人机的续航大幅度的下降，因此，为嵌入式系统和数据采集模块安装的供电电源模块，供电电源模块可以通过外挂电池的方法安装在无人机机身上。
所述无人机采用基于APM开源飞控平台的多旋翼飞行器。由于在进行证据采集的时候，可能需要无人机在空中悬停，而固定翼式的无人机无法悬停，难以进行拍照取证。
一种基于飞行器的智能空气监测方法，所述数据采集模块包括二氧化硫传感器、二氧化氮传感器、一氧化碳传感器、臭氧传感器和粉尘传感器，包括以下步骤：
A、接收数据采集模块采集的空气中一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫、臭氧、PM2.5和PM10的浓度；计算各采集成分浓度数据的平均值；
B、嵌入式系统根据步骤A中各采集成分浓度数据的平均值和AQI计算模型计算AQI指数；
C、嵌入式系统根据步骤A中各采集成分浓度数据的平均值判断一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫、臭氧浓度是否正常，如果包括至少一项异常，生成告警信息并存储异常证据数据；判断PM2.5和PM10浓度是否正常，如果包括至少一项异常，生成告警信息、触发图像采集模块拍照取证并存储异常证据数据；
D、嵌入式系统读取定位模块的位置信息，将位置信息与步骤A中计算得到的各采集成分浓度数据的平均值以及步骤B中计算的AQI指数进行匹配后通过通信模块向其他设备发送。
本方案通过在无人机与数据采集模块之间加入一套嵌入式系统，嵌入式系统自带智能数据分析功能，可实时对数据采集模块采集的空气质量参数进行分析，实现选择性存储数据，避免对大量数据的传输和存储，以避免数据传输不稳定和及时导致的关键数据丢失。同时嵌入式系统与无人机的飞控系统连接，使无人机不仅可以根据遥控或者预设的线路飞行，也可以通过接收来自嵌入式系统的控制信号进行飞行。同时，定位模块和图像采集模块为采集的数据提供辅助参数和证据。
所述步骤C中触发图像采集模块拍照取证的方法包括以下步骤：
C1、嵌入式系统对步骤A中各采集成分浓度数据进行处理，判断是否有异常数据；
C2、判断异常数据所属的成分属于一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫和臭氧还是PM2.5和PM10；
C3、异常数据所属的成分属于一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫和臭氧时，嵌入式系统生成告警信息并存储异常证据数据；如果异常数据所属的成分属于PM2.5和PM10时，嵌入式系统生成告警信息、触发图像采集模块拍照取证并存储异常证据数据；
C4、所属嵌入式系统触发图像采集模块后，发送控制信号到飞控系统控制无人机悬停，然后控制图像采集模块进行拍照取证。
嵌入式系统与无人机的飞控系统连接，使无人机不仅可以根据遥控或者预设的线路飞行，也可以通过接收来自嵌入式系统的控制信号进行飞行。例如，当嵌入式系统接收到的空气质量参数异常时，中断无人机的预设飞行任务，控制无人机在空气质量参数异常的区域上空进行一段时间的盘旋，获取更精确的空气质量参数，待盘旋完成后恢复中断的飞行任务。
还包括步骤C5：在拍照取证完成后，嵌入式系统通过飞控系统控制无人机进行盘旋，数据采集模块持续进行数据采集，以获得更精确的数据。
所述步骤C5中，嵌入式系统通过飞控系统控制无人机进行盘旋直到数据采集模块采集数据的时间大于30秒且采集的数据的标准差小于平局值的5％时，嵌入式系统施放飞控系统，飞控系统按照预设的飞行轨迹继续运动。通过长时间的采集使采集的数据可靠性更高，降低系统误差。
还包括步骤E：当步骤C中生产告警信息时，嵌入式系统将触发告警信息的空气成分及其浓度参数和定位模块的位置信息进行匹配后通过通信模块实时向其他设备发送。可以实时向外部设备发送告警信号，及时对污染源进行处理。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种基于飞行器的智能空气监测系统及监测方法，嵌入式系统与无人机飞控系统高度融合，从而使装置体积小，适合无人机飞行；
2、本发明一种基于飞行器的智能空气监测系统及监测方法，装置自带智能数据分析功能，可实时对采样数据进行分析，实现选择性存储证据数据，避免对大量数据的传输和存储，以避免数据传输不稳定和及时导致的关键数据丢失；
3、本发明一种基于飞行器的智能空气监测系统及监测方法，无人机不仅可以由飞手遥控或预设路线飞行，也可以通过接收来自嵌入式系统飞行任务自主飞行采样空气质量数据。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，本发明一种基于飞行器的智能空气监测系统，基于APM开源飞控平台的多旋翼无人机和无人机的飞控系统，还包括设置在无人机上与飞控系统连接的嵌入式系统，所述嵌入式系统上还连接有ATGM336H-5N定位模块和设置在无人机机壳外部的数据采集模块；所述嵌入式系统上还连接有通信模块；所述嵌入式系统上还连接有MTF FPV图像采集模块；所述数据采集模块和图像采集模块的安装位置与无人机的重心位于一条垂直于水平面方向的直线上；
飞控系统：接收嵌入式系统发送控制信号，根据控制信号进行飞行；
嵌入式系统：接收数据采集模块发送的空气质量参数，发送控制信号到飞控系统；接收数据采集模块发送的空气质量参数和定位模块发送的位置信息，处理后进行储存；接收数据采集模块发送的空气质量参数，发送触发信号到图像采集模块进行拍照取证；接收图像采集模块发送的图像数据进行储存；
定位模块：实时采集无人机的位置信息，将位置信息发送到嵌入式系统；
数据采集模块：采集空气质量参数，将空气质量参数发送到嵌入式系统；
通信模块：接收嵌入式系统发送的空气质量参数和位置信息，将空气质量参数和位置信息向其他设备发送；
图像采集模块：接收嵌入式系统发送的触发信号进行拍照取证，将拍摄的图像作为图像数据发送到嵌入式系统。
本方案通过在无人机与数据采集模块之间加入一套嵌入式系统，嵌入式系统自带智能数据分析功能，可实时对数据采集模块采集的空气质量参数进行分析，实现选择性存储数据，避免对大量数据的传输和存储，以避免数据传输不稳定和及时导致的关键数据丢失。同时嵌入式系统与无人机的飞控系统连接，使无人机不仅可以根据遥控或者预设的线路飞行，也可以通过接收来自嵌入式系统的控制信号进行飞行。同时定位模块的位置信息可以辅助嵌入式系统记录各项空气质量参数的位置坐标。在系统工作时飞控系统控制无人机的飞行，在无人机飞行的过程中，数据采集模块实时采集空气质量参数，将空气质量参数发送到嵌入式系统中进行实时处理，处理后的数据量远远小于数据采集模块采集的数据量，所需的储存空间大幅降低，使无人机能采集更多区域的空气质量参数，同时，当嵌入式系统判断数据采集模块实时采集的空气质量参数异常时，可以介入无人机的飞控系统，临时改变无人机的飞行轨迹。像采集模块采用触发工作方式，在数据采集模块采集的空气质量参数在正常范围内时，图像采集模块待机，当嵌入式系统判断数据采集模块采集的空气质量参数异常并启动，进行拍照或录像。由于是在无人机上进行图像采集工作，持续使用较为耗电，影响无人机的续航。同时，由于无人机本身自重较小，而数据采集模块如果安装的位置偏离了过无人机重心的垂线，则可能导致整个系统的重心出现大的偏移，不利于飞行的稳定。
所述嵌入式系统包括STM32F407MCU和与MCU连接的机载数据库。嵌入式系统硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和I/O接口。在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。以MCU作为嵌入式微处理器具有体积小、功耗低的优点，由于无人机的飞行由独立的飞控系统控制，因此，嵌入式微处理器选用MCU可以满足数据处理和控制的需求，而MCU体积小、功耗低的优点使无人机能搭载更多的数据采集模块和获得更长的续航。
所述数据采集模块包括LOGOELE 2SH12二氧化硫传感器、solidsense 4NO2-2000CLE-0323-400二氧化氮传感器、Telesky MQ-9一氧化碳传感器、Telesky MQ-131臭氧传感器和海博伦DLS-01粉尘传感器中的至少一种。空气污染物主要为二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳和PM2.5/10，采用上述设备可根据需求分别对这些污染物进行检测。
还包括为嵌入式系统和数据采集模块供电的锂电池供电电源模块。由于嵌入式系统和数据采集模块需要持续工作，如果由无人机的电池进行供电的话，容易导致无人机的续航大幅度的下降，因此，为嵌入式系统和数据采集模块安装的供电电源模块，供电电源模块可以通过外挂电池的方法安装在无人机机身上。
所述无人机采用基于APM开源飞控平台的多旋翼飞行器。由于在进行证据采集的时候，可能需要无人机在空中悬停，而固定翼式的无人机无法悬停，难以进行拍照取证。
实施例2
如图1和2所示，一种基于飞行器的智能空气监测方法，基于实施例1所述的系统，所述数据采集模块包括二氧化硫传感器、二氧化氮传感器、一氧化碳传感器、臭氧传感器和粉尘传感器，包括以下步骤：
A、接收数据采集模块采集的空气中一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫、臭氧、PM2.5和PM10的浓度；计算各采集成分浓度数据的平均值；
B、嵌入式系统根据步骤A中各采集成分浓度数据的平均值和AQI计算模型计算AQI指数；
C、嵌入式系统根据步骤A中各采集成分浓度数据的平均值判断一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫、臭氧浓度是否正常，如果包括至少一项异常，生成告警信息并存储异常证据数据；判断PM2.5和PM10浓度是否正常，如果包括至少一项异常，生成告警信息、触发图像采集模块拍照取证并存储异常证据数据；
D、嵌入式系统读取定位模块的位置信息，将位置信息与步骤A中计算得到的各采集成分浓度数据的平均值以及步骤B中计算的AQI指数进行匹配后通过通信模块向其他设备发送。
本方案通过在无人机与数据采集模块之间加入一套嵌入式系统，嵌入式系统自带智能数据分析功能，可实时对数据采集模块采集的空气质量参数进行分析，实现选择性存储数据，避免对大量数据的传输和存储，以避免数据传输不稳定和及时导致的关键数据丢失。同时嵌入式系统与无人机的飞控系统连接，使无人机不仅可以根据遥控或者预设的线路飞行，也可以通过接收来自嵌入式系统的控制信号进行飞行。同时，定位模块和图像采集模块为采集的数据提供辅助参数和证据。
所述步骤C中触发图像采集模块拍照取证的方法包括以下步骤：
C1、嵌入式系统对步骤A中各采集成分浓度数据进行处理，判断是否有异常数据；
C2、判断异常数据所属的成分属于一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫和臭氧还是PM2.5和PM10；
C3、异常数据所属的成分属于一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫和臭氧时，嵌入式系统生成告警信息并存储异常证据数据；如果异常数据所属的成分属于PM2.5和PM10时，嵌入式系统生成告警信息、触发图像采集模块拍照取证并存储异常证据数据；
C4、所属嵌入式系统触发图像采集模块后，发送控制信号到飞控系统控制无人机悬停，然后控制图像采集模块进行拍照取证。
嵌入式系统与无人机的飞控系统连接，使无人机不仅可以根据遥控或者预设的线路飞行，也可以通过接收来自嵌入式系统的控制信号进行飞行。例如，当嵌入式系统接收到的空气质量参数异常时，中断无人机的预设飞行任务，控制无人机在空气质量参数异常的区域上空进行一段时间的盘旋，获取更精确的空气质量参数，待盘旋完成后恢复中断的飞行任务。
还包括步骤C5：在拍照取证完成后，嵌入式系统通过飞控系统控制无人机进行盘旋，数据采集模块持续进行数据采集，以获得更精确的数据。
所述步骤C5中，嵌入式系统通过飞控系统控制无人机进行盘旋直到数据采集模块采集数据的时间大于30秒且采集的数据的标准差小于平局值的5％时，嵌入式系统施放飞控系统，飞控系统按照预设的飞行轨迹继续运动。通过长时间的采集使采集的数据可靠性更高，降低系统误差。
还包括步骤E：当步骤C中生产告警信息时，嵌入式系统将触发告警信息的空气成分及其浓度参数和定位模块的位置信息进行匹配后通过通信模块实时向其他设备发送。可以实时向外部设备发送告警信号，及时对污染源进行处理。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于飞行器的智能空气监测系统，包括基于APM开源飞控平台的无人机和无人机的飞控系统，其特征在于，还包括设置在无人机上与飞控系统连接的嵌入式系统，所述嵌入式系统上还连接有定位模块和设置在无人机机壳外部的数据采集模块；所述嵌入式系统上还连接有通信模块；所述嵌入式系统上还连接有图像采集模块；所述数据采集模块和图像采集模块的安装位置与无人机的重心位于一条垂直于水平面方向的直线上；
飞控系统：接收嵌入式系统发送控制信号，根据控制信号进行飞行；
嵌入式系统：接收数据采集模块发送的空气质量参数，发送控制信号到飞控系统；接收数据采集模块发送的空气质量参数和定位模块发送的位置信息，处理后进行储存；接收数据采集模块发送的空气质量参数，发送触发信号到图像采集模块进行拍照取证；接收图像采集模块发送的图像数据进行储存；
定位模块：实时采集无人机的位置信息，将位置信息发送到嵌入式系统；
数据采集模块：采集空气质量参数，将空气质量参数发送到嵌入式系统；
通信模块：接收嵌入式系统发送的空气质量参数和位置信息，将空气质量参数和位置信息向其他设备发送；
图像采集模块：接收嵌入式系统发送的触发信号进行拍照取证，将拍摄的图像作为图像数据发送到嵌入式系统。
2.根据权利要求1所述的一种基于飞行器的智能空气监测系统，其特征在于，所述嵌入式系统包括MCU和与MCU连接的机载数据库。
3.根据权利要求1所述的一种基于飞行器的智能空气监测系统，其特征在于，所述数据采集模块包括二氧化硫传感器、二氧化氮传感器、一氧化碳传感器、臭氧传感器和粉尘传感器中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于飞行器的智能空气监测系统，其特征在于，还包括为嵌入式系统和数据采集模块供电的供电电源模块。
5.根据权利要求1所述的一种基于飞行器的智能空气监测系统，其特征在于，所述无人机采用基于APM开源飞控平台的多旋翼飞行器。
6.根据权利要求1所述的一种基于飞行器的智能空气监测方法，所述数据采集模块包括二氧化硫传感器、二氧化氮传感器、一氧化碳传感器、臭氧传感器和粉尘传感器，其特征在于，包括以下步骤：
A、接收数据采集模块采集的空气中一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫、臭氧、PM2.5和PM10的浓度；计算各采集成分浓度数据的平均值；
B、嵌入式系统根据步骤A中各采集成分浓度数据的平均值和AQI计算模型计算AQI指数；
C、嵌入式系统根据步骤A中各采集成分浓度数据的平均值判断一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫、臭氧浓度是否正常，如果包括至少一项异常，生成告警信息并存储异常证据数据；判断PM2.5和PM10浓度是否正常，如果包括至少一项异常，生成告警信息、触发图像采集模块拍照取证并存储异常证据数据；
D、嵌入式系统读取定位模块的位置信息，将位置信息与步骤A中计算得到的各采集成分浓度数据的平均值以及步骤B中计算的AQI指数进行匹配后通过通信模块向其他设备发送。
7.根据权利要求6所述的一种基于飞行器的智能空气监测方法，其特征在于，所述步骤C中触发图像采集模块拍照取证的方法包括以下步骤：
C1、嵌入式系统对步骤A中各采集成分浓度数据进行处理，判断是否有异常数据；
C2、判断异常数据所属的成分属于一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫和臭氧还是PM2.5和PM10；
C3、异常数据所属的成分属于一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫和臭氧时，嵌入式系统生成告警信息并存储异常证据数据；如果异常数据所属的成分属于PM2.5和PM10时，嵌入式系统生成告警信息、触发图像采集模块拍照取证并存储异常证据数据；
C4、所属嵌入式系统触发图像采集模块后，发送控制信号到飞控系统控制无人机悬停，然后控制图像采集模块进行拍照取证。
8.根据权利要求7所述的一种基于飞行器的智能空气监测方法，其特征在于，还包括步骤C5：在拍照取证完成后，嵌入式系统通过飞控系统控制无人机进行盘旋，数据采集模块持续进行数据采集，以获得更精确的数据。
9.根据权利要求8所述的一种基于飞行器的智能空气监测方法，其特征在于，所述步骤C5中，嵌入式系统通过飞控系统控制无人机进行盘旋直到数据采集模块采集数据的时间大于30秒且采集的数据的标准差小于平局值的5％时，嵌入式系统施放飞控系统，飞控系统按照预设的飞行轨迹继续运动。
10.根据权利要求6所述的一种基于飞行器的智能空气监测方法，其特征在于，还包括步骤E：当步骤C中生产告警信息时，嵌入式系统将触发告警信息的空气成分及其浓度参数和定位模块的位置信息进行匹配后通过通信模块实时向其他设备发送。
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