CN108760594A - 基于无人机的扬尘监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于无人机的扬尘监测系统，其包括无人机系统、扬尘监测传感器系统、网络传输模块及云平台数据处理系统。该扬尘监测系统可实时准确地采集工地现场的扬尘数据，弥补了目前人工定点式扬尘监测的不足，并克服了现有扬尘监测系统的实时性滞后、空间局限、精度低等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种扬尘监测系统。更具体地，本发明涉及一种基于无人机的扬尘监测系统。
背景技术
建筑工地扬尘污染是建筑施工过程中排放的无组织颗粒物污染，既包括施工工地内部各种施工环节造成的一次扬尘，也包括因施工运输车辆粘带泥土以及建筑材料遗洒在工地外部道路上所造成的二次交通扬尘。
根据北京市环保部门的监测和分析，扬尘污染约占PM2.5来源的15.8％。南京的六类主要污染源中，扬尘所占的比例最大，达37.28％。由于建筑工地扬尘的排放高度一般较低，并且往往集中在人口密集的城市地区，因此建筑工地扬尘对空气质量的影响日益受到关注。
为了有效监控建筑工地扬尘污染，接受市民的监督和投诉，共建绿色环保建筑工地，有必要进行建筑工地扬尘污染自动监控系统的研究和开发。但现有的工地扬尘监测系统大多采用地面微型站的形式进行扬尘监测，对于高空施工项目(如高层、高塔等)的监测不准确，且无法分析工地扬尘的分布与扩散，只能对固定点的扬尘进行监测。这种监测方式范围小、精度低。
现有的扬尘监测系统大多以微型地面站(参见图1)的形式进行监测，该系统的功能结构示意图如图2所示。该系统通过激光传感器获取扬尘的颗粒物浓度，并显示于LED屏幕上，以供监控者使用。
上述系统的缺点在于：只能针对工地地面的某固定点的数据进行监测，所述数据的可分析性和代表性较差；无法分析整个工地的扬尘分布及扩散情况，存在漏检、数据缺失等问题；无法对工地扬尘进行全面精确的监管。
针对现有工地扬尘监测的实时性滞后、空间局限、精度低等问题，本发明提供了一种基于无人机技术的工地扬尘监测系统。该系统包括无人机系统、扬尘监测传感器系统、网络传输模块及云平台数据处理系统。其中，扬尘监测传感器系统优选但不限于采用ARMCortex M3内核芯片内嵌uCOS-II实时操作系统，对PM2.5、PM10浓度及温湿度数据进行采集，并融合GPS定位数据，例如通过GPRS网络传输至云平台，云平台数据处理系统中的软件将数据校验处理后，形成图表并展示扬尘的空间分布。该扬尘监测系统可实时准确地采集工地现场的扬尘数据，弥补了目前人工定点式扬尘监测的不足，为有效治理工地扬尘提供有力参考。
发明内容
本发明提供一种基于无人机的扬尘监测系统，其包括：
扬尘监测传感器系统，其包括颗粒物激光传感器模块、温湿度传感器和核心控制模块，其中：所述颗粒物激光传感器模块包括流量计、伺服电机、过滤装置、激光传感器、气体采样头和主控板；
网络传输模块，其将所述扬尘监测传感器系统采集的数据传输至云平台服务器；
无人机系统，其用于携带所述扬尘监测传感器系统及网络传输模块至规划的区域进行数据采集及数据传输；
云平台数据处理系统，其接收来自所述网络传输模块的所述数据，将该数据储存至MySQL数据库，并对该数据进行甄别处理，形成图形报表，并将该数据以3D模型的形式展现。
在一些实施方式中，所述过滤装置为过滤塞。
在一些实施方式中，所述气体采样头设有溢水口结构。
在一些实施方式中，所述气体采样头从水平方向倾斜。
在一些实施方式中，所述气体采样头从水平方向倾斜约30°角。
在一些实施方式中，所述气体采样头通过对气体采样头进行控制的驱动结构与扬尘监测传感器系统外壳相连接。
在一些实施方式中，所述驱动结构为齿轮结构。
在一些实施方式中，所述气体采样头的通风口高于所述无人机的螺旋桨位置。
在一些实施方式中，所述主控板通过获取所述流量计的数据来控制所述伺服电机的速度，从而实现闭环控制。
附图说明
本发明的新颖特征在权利要求书中得以详细阐述。通过参考以下对利用了本发明原理的说明性实施方案加以阐述的详细描述和附图，将会更充分地理解本发明的特征和优点，在附图中：
图1所示为现有的扬尘监测系统-微型地面站。
图2所示为现有的扬尘监测系统的系统示意图。
图3所示为本发明的扬尘监测系统的总体结构图。
图4所示为本发明的示例性无人机实物。
图5所示为本发明的扬尘监测系统的数据信息传输过程。
图6所示为现有的SM-PWM-01A型激光传感器。
图7所示为本发明的M-1颗粒物激光传感器模块结构图。
图8所示为本发明的M-1颗粒物激光传感器模块(包括气体采样头)外形示意图。
图9所示为本发明的气体采样头进气口局部放大图。
图10所示为本发明的云平台数据处理系统示意图。
图11所示为本发明的扬尘监测系统的总结构示意图。
图12所示为本发明的扬尘监测系统的现场试验。
图13所示为采用本发明的扬尘监测系统进行试验的系统操作界面截图。
图14所示为实施例1中空间位置与PM2.5颗粒物浓度的关系。
图15所示为实施例1中空间位置与PM10颗粒物浓度的关系。
图16所示为实施例1中空间位置与NO2浓度的关系。
图17所示为实施例1中空间位置与CO浓度的关系。
图18所示为实施例1中空间位置与O3浓度的关系。
图19所示为实施例2中空间位置与PM2.5颗粒物浓度的关系。
图20所示为实施例2中空间位置与PM10颗粒物浓度的关系。
图21所示为实施例2中空间位置与NO2浓度的关系。
图22所示为实施例2中空间位置与CO浓度的关系。
图23所示为实施例2中空间位置与O3浓度的关系。
具体实施方式
本发明的扬尘监测系统的总体结构图如图3和图11所示。
无人机系统方案
根据本发明需求，采用旋翼式无人机系统，例如8旋翼、6旋翼或4旋翼无人机系统。
本发明优选8旋翼无人机系统，其载重5KG，可连续飞行30分钟。该无人机系统支持GPS定位巡航，飞行姿态控制较稳定，且对飞行速度控制较好，该无人机系统参数如下表1所示。
表1无人机系统参数
本发明实施方案可采用的无人机实物如图4所示。无人机可按照手动遥控进行飞行，也可以按照地面飞行任务管理软件的规划自主飞行，同时无人机可将飞行参数实时传回地面，地面PC端利用回传的飞行参数，例如高度、速度、航行和位置坐标等监控无人机的飞行状况。为了对设定高度的扬尘进行测量，在无人机垂直上升到一定高度后开启GPS定点模式，无人机将在空中保持在一个固定位置，待采集完一组数据后再移至另一高度位置进行采样。
根据本发明的实施方案，相关数据信息传输如图5所示。
扬尘监测传感器系统
扬尘监测传感器系统主要由颗粒物激光传感器模块、温湿度传感器和核心控制模块组成。在本发明中，所述传感器模块又称为M-1颗粒物激光传感器模块。所述传感器系统的最大功率为1.5W，采用2000mAh的锂电池供电，连续工作时间可达约5小时。
颗粒物激光传感器模块
本发明的M-1颗粒物激光传感器是利用光学方法检测空气中粉尘浓度的传感器。在该传感器中，一个激光发射器和一个光感传感器光路呈90°角，当携带粉尘的气流通过交叉区，将产生反射光。光感传感器检测到粉尘反射的激光束，根据该传感器输出的强弱判断粉尘的粒径大小及浓度，从而输出PWM脉冲信号。
如图6所示为现有的SM-PWM-01A型激光传感器。该激光传感器包括传感器主体、空气上部出口、镜头清洁口的覆盖海绵以及空气下部入口。
但上述传感器使用场景较为单一，存在三个缺点。
一、该传感器适用于室内气流稳定的环境。其内部气流由一部直流电机风扇产生，只能在稳定环境下方可达到设定的气流流速，气流流速不可随意调节。一旦环境产生较大的气流扰动，该传感器精度则急剧下降。
二、该传感器只能提供理想状态下恒定的气流流速，内部并没有采集气流流速的装置，因此传感器在使用前需使用高等级的设备进行标定。由于使用中输出的数据并非经采集计算获得，故数据精度一般。
三、该传感器未设颗粒物过滤装置，在室外使用时，灰尘及柳絮等大颗粒物会对其检测造成干扰。
由于本发明实施方案中的无人机会产生较大的气流扰动，所以目前市售颗粒物传感器明显无法满足本发明的使用场景。
针对上述问题，本发明提供了一种新型传感器模块，其可在气流扰动较大的环境下进行工作，检测精度和稳定性优势明显。该传感器模块结构如图7所示。
针对无人机扬尘监测场景设计的M-1颗粒物激光传感器模块描述如下。
该传感器模块由流量计、伺服电机、过滤装置、激光传感器、气体采样头和主控板组成。主控板通过获取流量计的数据来控制伺服电机的速度，从而达到闭环控制的效果。并且，主控板直接通过流量计的数据和激光传感器的信号计算出颗粒物浓度。过滤装置位于导气管中，其可较好地过滤空气中的大颗粒物和柳絮等干扰物质，所述过滤装置优选但不限于过滤塞。
在无人机机载传感器检测过程中，其采样进气速度和地面固定式设备不同，主要受到无人机飞行方向和飞行速度的影响。并且在高空飞行时，容易受云层及潮湿空气影响。因此，如图9所示，在气体采样头设计时，加入了溢水口结构设计，可以保证在气体采样头附近形成的小水珠不会进入激光传感器，以至于传感器性能受到不利影响。此外，无人机扬尘监测系统主要对某一高度层的颗粒物进行巡航监测，因此，采样头设计为从水平方向倾斜，优选约30°角倾斜，可保证飞机水平飞行，气体进入采样头时，风道较流畅。
如图8所示，气体采样头与设备外壳相连接，连接处有一驱动结构优选齿轮结构(例如控制电机结合传导齿轮结构)对气体采样头的朝向进行控制，从而保证气体采样头的朝向与无人机的飞行方向相同，即均为迎风向。若不同，则会因大颗粒物的惯性问题而产生监测误差。
本发明的M-1颗粒物激光传感器模块已进行了室外长期运行试验，性能稳定。
网络传输模块
在本发明中，主控板在读取颗粒物传感器的采集数据后，将该时间点的GPS数据同时获取，打包发送至公共无线传输网络例如GPRS模块，通过GPRS模块发送该数据包至云端数据平台，供使用者保存及数据分析。GPRS模块可采用GSM模组及本领域已知的其它数据传输模组，其优选但不限于SIM800模组。所述模组可提供多种形式的无线通信网络输出传输，并可根据情况选择TCP/IP和HTTPPOST等协议。
云平台数据处理系统
如图10所示，云平台软件即云平台数据处理系统搭建在具有公网IP的云端服务器上，扬尘数据通过GPRS信号传输，经HTTP协议传输至云平台的JavaWeb服务器中，云平台软件将数据整理分类存储至MySQL数据库，并通过Web网页展示，JavaWeb服务器也可将数据处理发布，操作人员可通过PC客户端读取数据并处理。
实施例
该系统于2017年6月28日在北京西六环妙峰山景区进行了功能性试验，各参数数据获取较为完整，数据波动均在合理区间。
具体试验监测参数和飞行前准备如表2所示。
表2试验监测及飞行参数
注：1.-实施例1；2.-实施例2
在本发明的具体实施例中，均采用大疆精灵4pro系列机型无人机来搭载本发明设备，通讯距离5km。在监测试验中，采用设定点悬停和匀速飞行两种飞行控制方式进行气体采样监测。具体如图12中a)、b)和c)所示，进行了两次试验。
实施例1
2017年6月28日15时55分，地点为妙峰山景区，飞行最大高度为260米，于101省道旁起飞，约7分钟后达到最高点，于顶层环绕飞行一圈后采用逐层悬停方式监测(每层约40m高度)，飞行约13分钟后，降落至起飞点，气体采样口与螺旋桨高度一致。试验系统操作界面如图13所示。
图14-图23为空间位置与各项监测参数的关系图。在所述图14-图23中，a)为飞行轨迹-数据的3d图，X轴为经度，Y轴为纬度，Z轴为高度，灰度代表被测参数浓度；b)为飞行轨迹的俯视图；c)、d)为飞行轨迹的侧视图。
由图14可知，飞行范围内，PM2.5分布较为均匀，约为130μg/m3。
由图15可知，飞行范围内，PM10分布较为均匀，约为140μg/m3。
由图16可知，飞行范围内，NO2浓度有微弱变化，在无人机盘旋过程中数值较高，约为0.08mg/m3。
由图17可知，飞行范围内，CO浓度在无人机下降时有剧烈变化，在盘旋过程中数值约为2mg/m3。由于降落在公路旁，所以CO浓度增加，约为3.5mg/m3。
由图18可知，飞行范围内，O3浓度无明显变化，均值约为0.3mg/m3。
实施例2
2017年6月28日14时30分，地点为妙峰山景区，飞行最大高度为500米，于101省道旁起飞，约8分钟后达到最高点，于顶层环绕飞行一圈后采用逐层悬停方式监测，飞行约15分钟后，降落至起飞点，气体采样口高度比螺旋桨高出约40cm。
实施例2的数据如图19、图20、图21、图22和图23所示。分析及总结
从上述两个实施例的试验数据比较可知，实施例1中的颗粒物数据变化较为明显，主要是由于飞行过程中螺旋桨扇叶对气体采样口的进风速度产生了影响，因此在无人机急起急停时，数据变化较大；实施例2中提高了气体采样口的位置，使该影响减小，颗粒物浓度数据较为一致。两次试验中，在同一空间位置NO2浓度较高，从而证明了监测的准确性。在实施例1的数据中，CO浓度在下落接近地面时有较大增加，主要是因为降落地点为一公共停车场附近，CO浓度可能会较高。
本发明的基于无人机的工地扬尘监测系统实现了对工地扬尘的实时监测，采用无人机方式获取工地环境数据，从而将传统的定点静态监测方式改为动态3D监测方式，可对监测区域和范围自由选定，因此实现了多点立体的工地环境实时监控。本发明利用覆盖范围较广的GPRS网络传输数据，使所获取的扬尘数据得以实时传输。该方案极大程度地提高了现有工地扬尘监测水平，同时可对空气六要素进行全方位监测及扬尘扩散区域变化分析，从而丰富了环境监测的手段，在时间和空间上加大了污染监测的力度。
尽管本文中已经示出并描述了本发明的优选实施方案，但对于本领域技术人员显而易见的是，这些实施方案仅以示例的方式提供。本领域技术人员在不脱离本发明的情况下将想到多种变化、改变、组合和替代。应当理解，本文中所述的本发明实施方案的各种替代方案均可用于实施本发明。旨在由权利要求来限定本发明的范围，并由此涵盖这些权利要求范围内的方法和结构及其等同物。
Claims (9)
1.一种基于无人机的扬尘监测系统，其包括：
扬尘监测传感器系统，其包括颗粒物激光传感器模块、温湿度传感器和核心控制模块，其中：所述颗粒物激光传感器模块包括流量计、伺服电机、过滤装置、激光传感器、气体采样头和主控板；
网络传输模块，其将所述扬尘监测传感器系统采集的数据传输至云平台服务器；
无人机系统，其用于携带所述扬尘监测传感器系统及网络传输模块至规划的区域进行数据采集及数据传输；
云平台数据处理系统，其接收来自所述网络传输模块的所述数据，将所述数据储存至MySQL数据库，并对所述数据进行甄别处理，形成图形报表，并将所述数据以3D模型的形式展现。
2.如权利要求1所述的扬尘监测系统，其中所述过滤装置为过滤塞。
3.如权利要求1或2所述的扬尘监测系统，其中所述气体采样头设有溢水口结构。
4.如权利要求3所述的扬尘监测系统，其中所述气体采样头从水平方向倾斜。
5.如权利要求4所述的扬尘监测系统，其中所述气体采样头从水平方向倾斜约30°角。
6.如权利要求3所述的扬尘监测系统，其中所述气体采样头通过对气体采样头进行控制的驱动结构与扬尘监测传感器系统的外壳相连接。
7.如权利要求6所述的扬尘监测系统，其中所述驱动结构为齿轮结构。
8.如权利要求1或2所述的扬尘监测系统，其中所述气体采样头的通风口高于所述无人机的螺旋桨位置。
9.如权利要求1所述的扬尘监测系统，其中所述主控板通过获取所述流量计的数据来控制所述伺服电机的速度，从而实现闭环控制。
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |