CN110243740A - 无人机的扬尘在线监测预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人机的扬尘在线监测预警系统。本发明通过在无人机的云台上搭载采样罐，在无人机的底部设置可打开的底盖，无人机内设置扬尘监测模块；无人机通过采样罐采集待检测区域内的扬尘样本，并将完成采集后的采样罐经打开的底盖运送至无人机内部，以通过扬尘监测模块对采样罐中的扬尘样本进行检测，获得第一颗粒物浓度；数据处理模块根据预设补偿函数及第一颗粒物浓度获得第二颗粒物浓度；监控模块在第二颗粒物浓度大于预设阈值时进行报警。将扬尘监测模块内置于无人机中进行监测，有效阻挡了部分气流，减少了无人机飞行对监测结果的干扰；通过补偿函数对颗粒物浓度进行修正，减少了颗粒物浓度因气压变化的影响，增加了监测的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及数据检测技术领域，尤其涉及一种无人机的扬尘在线监测预警系统。
背景技术
随着我国快速工业化、城镇化发展，高耗能、高排放、高污染等环境问题逐渐突显，其中，城市扬尘污染是环境污染的主要来源，严重降低了空气质量，影响居民的日常生活。为了全面了解区域内的扬尘污染情况，传统的定点扬尘监测已经不能满足用户对于监测范围及实时性的需求，无人机扬尘监测受到了用户的青睐。
目前无人机扬尘监测通常将传感器搭载在无人机云台上，通过传感器直接与扬尘接触进行颗粒物浓度测量，然而无人机在飞行过程中会产生气压变化，甚至还会产生气流变化，导致传感器周边空气的流速处于快速变化的状态，极大干扰了传感器测量的准确性。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种无人机的扬尘在线监测预警系统，旨在解决现有技术中无人机对扬尘监测时测量结果不准确的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种无人机的扬尘在线监测预警系统，所述无人机的扬尘在线监测预警系统包括无人机、数据处理模块及监控模块；所述无人机的下方设置有云台，所述云台上搭载采样罐，所述无人机的底部设置有可打开的底盖，所述无人机内设置有扬尘监测模块；其中，
所述无人机，用于通过所述采样罐采集待检测区域内的扬尘样本，并将完成采集后的所述采样罐经打开的所述底盖运送至所述无人机内部；
所述扬尘监测模块，用于对所述采样罐中的扬尘样本进行检测，获得第一颗粒物浓度；
所述数据处理模块，用于根据预设补偿函数及所述第一颗粒物浓度获得第二颗粒物浓度，并判断所述第二颗粒物浓度是否大于预设阈值；
所述监控模块，用于在所述第二颗粒物浓度大于预设阈值时进行报警。
优选地，所述数据处理模块，还用于获取多个待检测区域内无人机在不同高度时对应的第三颗粒物浓度，并根据无人机在获取第三颗粒物浓度时的不同高度获取对应的气压信息，以根据所述气压信息与所述第三颗粒物浓度建立预设补偿函数。
优选地，所述无人机内还设置有新风模块，用于在待检测区域变化时，对所述采样罐内的扬尘样本进行净化。
优选地，所述扬尘监测模块包括颗粒物检测传感器、模数转换单元、放大单元及微控制器；其中，
所述颗粒物检测传感器，用于对所述采样罐中的扬尘样本进行检测，获得模拟电压信号；
所述模数转换单元，用于将所述模拟电压信号转换为第一数字信号；
所述放大单元，用于将所述第一数字信号放大为第二数字信号；
所述微控制器，用于根据所述第二数字信号获得第一颗粒物浓度。
优选地，所述颗粒物检测传感器为泵吸式激光粉尘传感器。
优选地，所述扬尘监测模块还包括湿度传感器，用于对所述采样罐中的扬尘样本进行检测，获得湿度信息。
优选地，所述无人机与所述数据处理模块通过RS485、TTL及Zigbee中的至少一种协议进行数据传输。
优选地，所述无人机的云台上搭载图像采集模块，用于在所述监控模块报警时，采集待检测区域的图像，并将所述图像发送至所述数据处理模块。
优选地，所述监控模块包括报警单元及显示单元；所述报警单元为警报灯或蜂鸣器，所述显示单元为LED显示屏。
优选地，所述数据处理模块，还用于将所述图像、在采集图像时的待检测区域所分别获得对应的第二颗粒物浓度及湿度信息进行叠加处理，以将叠加后的图像发送至所述显示单元进行显示。
本发明通过在无人机的云台上搭载采样罐，在无人机的底部设置可打开的底盖，无人机内设置扬尘监测模块；无人机通过采样罐采集待检测区域内的扬尘样本，并将完成采集后的采样罐经打开的底盖运送至无人机内部，以通过扬尘监测模块对采样罐中的扬尘样本进行检测，获得第一颗粒物浓度；数据处理模块根据预设补偿函数及第一颗粒物浓度获得第二颗粒物浓度；监控模块在第二颗粒物浓度大于预设阈值时进行报警。将扬尘监测模块内置于无人机中进行监测，有效阻挡了部分气流，减少了无人机飞行对监测结果的干扰；通过补偿函数对颗粒物浓度进行修正，减少了颗粒物浓度因气压变化的影响，增加了监测的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明一种无人机的扬尘在线监测预警系统一实施例的结构示意图；
图2是本发明一实施例中扬尘监测模块的结构示意图。
附图标号说明：
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提供一种无人机的扬尘在线监测预警系统。
参照图1，在一实施例中，所述无人机的扬尘在线监测预警系统包括无人机100、数据处理模块200及监控模块300；所述无人机100的下方设置有云台(图未示)，所述云台上搭载采样罐110，所述无人机100的底部设置有可打开的底盖(图未示)，所述无人机100内设置有扬尘监测模块120；其中，所述无人机100，用于通过所述采样罐110采集待检测区域内的扬尘样本，并将完成采集后的所述采样罐110经打开的所述底盖运送至所述无人机100内部；所述扬尘监测模块120，用于对所述采样罐110中的扬尘样本进行检测，获得第一颗粒物浓度；所述数据处理模块200，用于根据预设补偿函数及所述第一颗粒物浓度获得第二颗粒物浓度，并判断所述第二颗粒物浓度是否大于预设阈值；所述监控模块300，用于在所述第二颗粒物浓度大于预设阈值时进行报警。
需要说明的是，现有技术中为了实现大面积的扬尘监测，通常在无人机底部外挂传感器装置进行检测，但是由于无人机在上升过程中会产生气压变化，而且若使用多旋翼无人机，还可能会产生气流变化，从而影响传感器检测结果的准确性。本实施例通过将扬尘监测模块设置于无人机内部，有效阻挡了部分气流，减少了无人机飞行对监测结果的干扰。另外，考虑到扬尘中的颗粒物浓度因气压不同而有差异，本实施例通过利用补偿函数对颗粒物浓度进行修正，减少了颗粒物浓度因气压变化的影响，使扬尘监测结果更加准确。
易于理解的是，扬尘中的颗粒物主要包括TSP(Total Suspended Particle,总空中悬浮物)、PM2.5(particulate matter 2.5，直径小于或等于2.5微米的颗粒物)、PM10(particulate matter 10，直径小于或等于10微米的颗粒物)等，因此所述第一颗粒物浓度包括TSP颗粒物浓度、PM2.5颗粒物浓度、PM10颗粒物浓度中的一种或多种，本实施例对此不加以限制。
在具体实现中，无人机100按照预设路径飞行至待检测区域后，通过云台上的采样罐110对待检测区域内的扬尘进行采样，然后采样罐110通过无人机100的底盖被运送至无人机100内部，以使扬尘监测模块120对扬尘样本进行检测。
可理解的是，影响扬尘颗粒物浓度的环境因素有风速、温度、气压等，通过预设补偿函数对采样检测后的第一颗粒物浓度数据进行补偿，减少环境对于测量结果的影响，使测量结果更加准确。
进一步地，所述数据处理模块200，还用于获取多个待检测区域内无人机在不同高度时对应的第三颗粒物浓度，并根据无人机100在获取第三颗粒物浓度时的不同高度获取对应的气压信息，以根据所述气压信息与所述第三颗粒物浓度建立预设补偿函数。
应当理解的是，在无人机飞行过程中随着气压不断变化，同一检测区域的颗粒物浓度也会变化，而随着无人机飞行高度增加，气压会降低，无人机的飞行高度与气压的变化是有规律的，因此在具体实现中，可以在前期采集多个待检测区域内无人机在不同高度时扬尘的第三颗粒物浓度，通过高度与气压的关系函数，将高度与第三颗粒物浓度的关系转换为气压与第三颗粒物浓度的关系，从而建立气压与第三颗粒物浓度的预设补偿函数，如此降低无人机飞行时气压对颗粒物浓度测量结果的影响。
具体地，高度与气压的关系函数可以为：
其中，P为气压，H为高度，P0为标准大气压。
进一步地，所述无人机100内还设置有新风模块130，用于在待检测区域变化时，对所述采样罐110内的扬尘样本进行净化。
应当理解的是，新风模块130是指由送风系统和排风系统组成的一套独立空气处理系统，可以对采样罐内的空气进行净化，从而满足采样罐更换扬尘样本的需要，保证待检测区域变化时扬尘监测模块120检测到的是当前待检测区域中的颗粒物浓度。
进一步地，所述扬尘监测模块120与所述数据处理模块通过RS485(TIAA/EIA-485，串行通讯标准)、TTL(Time To Live，生存时间)及Zigbee(紫蜂协议)中的至少一种协议进行数据传输。
应当理解的是，无人机100进行扬尘监测过程中，由于操作地点多为城市、建筑工地或者工业园区，会由于建筑物等的遮挡造成信号中断。因此，传输的稳定性及信号中断后数据的保存及回传是必须解决的问题之一。
在具体实现中，无人机100与地面设备通常使用串口作为设备接口进行通讯，硬件形式有TTL、485等，为了保障传输的稳定性，考虑到Zigbee协议可以实现稳定的无线传输，且传输距离最远可达1.6Km(可视、开阔地)，本实施例中扬尘监测模块120与数据处理模块200还可以选用Zigbee协议通讯，将颗粒物浓度数据以无线的方式进行传输。
进一步地，所述无人机100的云台上搭载图像采集模块140，用于在所述监控模块300报警时，采集待检测区域的图像，并将所述图像发送至所述数据处理模块200。
可以理解的是，所述图像采集模块140可以为摄像机或高清相机，本实施例对此不加以限制。当图像采集模块140接收到监控模块300发送的报警信号时，说明待检测区域的颗粒物浓度超标，此时需要获得待检测区域的图像，为扬尘治理提供依据。
进一步地，所述监控模块300包括报警单元310及显示单元320；所述报警单元310为警报灯或蜂鸣器，所述显示单元320为LED显示屏。
需要说明的是，所述报警单元310，可以为蜂鸣器或警报灯，在颗粒物浓度超标时报警，以提醒用户及时对扬尘进行治理。所述显示单元320可以为LED显示屏，可以对经数据处理模块200处理过的图像进行显示，为用户提供多维度的信息，为扬尘治理提供依据。
进一步地，所述数据处理模块200，还用于将所述图像、在采集图像时的待检测区域所分别获得的第二颗粒物浓度及湿度信息进行叠加处理，以将叠加后的图像发送至所述显示单元320进行显示。
应当理解的是，在图像采集模块140采集到颗粒物浓度超标的检测区域的图像时，数据处理模块200将图像的所有相关信息(如颗粒物浓度及湿度信息)叠加至图像中，以使显示单元320全面展示扬尘监测的结果。
本实施例通过在无人机的云台上搭载采样罐，在无人机的底部设置可打开的底盖，无人机内设置扬尘监测模块；无人机通过采样罐采集待检测区域内的扬尘样本，并将完成采集后的采样罐经打开的底盖运送至无人机内部，以通过扬尘监测模块对采样罐中的扬尘样本进行检测，获得第一颗粒物浓度；数据处理模块根据预设补偿函数及第一颗粒物浓度获得第二颗粒物浓度；监控模块在第二颗粒物浓度大于预设阈值时进行报警。将扬尘监测模块内置于无人机中进行监测，有效阻挡了部分气流，减少了无人机飞行对监测结果的干扰；通过补偿函数对颗粒物浓度进行修正，减少了颗粒物浓度因气压变化的影响，增加了监测的准确性。
进一步地，请一并参照图1及图2，所述扬尘监测模块120包括颗粒物检测传感器B、模数转换单元121、放大单元122及微控制器MCU；其中，所述颗粒物检测传感器B，用于对所述采样罐110中的扬尘样本进行检测，获得模拟电压信号；所述模数转换单元121，用于将所述模拟电压信号转换为第一数字信号；所述放大单元122，用于将所述第一数字信号放大为第二数字信号；所述微控制器MCU，用于根据所述第二数字信号获得第一颗粒物浓度。
所述颗粒物检测传感器B为泵吸式激光粉尘传感器，具有进气均匀、稳定性好、持续性强、浓度范围大的特点，可以满足大部分的使用场合，比如智慧城市、建筑工地、垃圾场、拆迁工地、码头、产业园、社区、道路等。泵吸式激光粉尘传感器的光源为激光二极管，采用电子切割技术及光散射原理，通过微型真空泵直接将扬尘样本吸入传感器仓室，扬尘样本经光散射即进即出，其流量稳定，不易受外界气流干扰。
在具体实现中，模数转换单元121包括模数转换芯片AD、第一电阻R1及二极管D1，所述模数转换芯片AD的第一端与所述颗粒物检测传感器B连接，所述模数转换芯片AD的第二端经所述第一电阻R1与电源VCC连接，所述模数转换芯片AD的第三端与所述二极管D1的阳极连接，所述二极管D1的阴极与所述放大单元122连接。
放大单元122包括第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4及比较放大器U，所述第二电阻R2的第一端与所述二极管D的阴极及所述第三电阻R3的第一端分别连接，所述第二电阻R2的第二端与所述比较放大器U的第一端连接，所述比较放大器U的第二端经所述第四电阻R4接地，所述比较放大器U的第三端与所述微控制器MCU连接，所述比较放大器U的第四端与所述电源VCC连接，所述第三电阻R3的第二端接地。
所述扬尘监测模块120计算第一颗粒物浓度的原理如下：
当扬尘样本中的颗粒物进入泵吸式激光粉尘传感器的激光束所在区域时，会导致激光发生散射；散射光经过光电二极管的光电效应产生模拟电压信号，模拟电压信号经模数转换单元121转换成第一数字信号，再经放大单元122放大处理后获得第二数字信号，经过微控制器MCU的数字化处理，高精度地计算出颗粒物的浓度值。
进一步地，所述扬尘监测模块120还包括湿度传感器(图未示)，用于对所述采样罐110中的扬尘样本进行检测，获得湿度信息。
易于理解的是，除了对待检测区域中的扬尘样本进行颗粒物浓度监测，同时对待检测区域进行湿度监测，使得监测角度更加全面，方便用户结合监测到的数据进行综合治理。
本实施例通过所述扬尘监测模块包括颗粒物检测传感器、模数转换单元、放大单元及微控制器；所述颗粒物检测传感器，用于对所述采样罐中的扬尘样本进行检测，获得模拟电压信号；所述模数转换单元，用于将所述模拟电压信号转换为第一数字信号；所述放大单元，用于将所述第一数字信号放大为第二数字信号；所述微控制器，用于根据所述第二数字信号获得第一颗粒物浓度，高精度地计算出扬尘中的颗粒物浓度，通过采用泵吸式激光粉尘传感器，进一步地降低了无人机飞行中气压和气流对传感器的测量结果的影响，通过湿度传感器可以更全面地掌握扬尘污染情况，方便用户进行综合治理。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种无人机的扬尘在线监测预警系统，其特征在于，包括无人机、数据处理模块及监控模块；所述无人机的下方设置有云台，所述云台上搭载采样罐，所述无人机的底部设置有可打开的底盖，所述无人机内设置有扬尘监测模块；其中，
所述无人机，用于通过所述采样罐采集待检测区域内的扬尘样本，并将完成采集后的所述采样罐经打开的所述底盖运送至所述无人机内部；
所述扬尘监测模块，用于对所述采样罐中的扬尘样本进行检测，获得第一颗粒物浓度；
所述数据处理模块，用于根据预设补偿函数及所述第一颗粒物浓度获得第二颗粒物浓度，并判断所述第二颗粒物浓度是否大于预设阈值；
所述监控模块，用于在所述第二颗粒物浓度大于预设阈值时进行报警。
2.如权利要求1所述的无人机的扬尘在线监测预警系统，其特征在于，所述数据处理模块，还用于获取多个待检测区域内无人机在不同高度时对应的第三颗粒物浓度，并根据无人机在获取第三颗粒物浓度时的不同高度获取对应的气压信息，以根据所述气压信息与所述第三颗粒物浓度建立预设补偿函数。
3.如权利要求2所述的无人机的扬尘在线监测预警系统，其特征在于，所述无人机内还设置有新风模块，用于在待检测区域变化时，对所述采样罐内的扬尘样本进行净化。
4.如权利要求1至3中任一项所述的无人机的扬尘在线监测预警系统，其特征在于，所述扬尘监测模块包括颗粒物检测传感器、模数转换单元、放大单元及微控制器；其中，
所述颗粒物检测传感器，用于对所述采样罐中的扬尘样本进行检测，获得模拟电压信号；
所述模数转换单元，用于将所述模拟电压信号转换为第一数字信号；
所述放大单元，用于将所述第一数字信号放大为第二数字信号；
所述微控制器，用于根据所述第二数字信号获得第一颗粒物浓度。
5.如权利要求4所述的无人机的扬尘在线监测预警系统，其特征在于，所述颗粒物检测传感器为泵吸式激光粉尘传感器。
6.如权利要求5所述的无人机的扬尘在线监测预警系统，其特征在于，所述扬尘监测模块还包括湿度传感器，用于对所述采样罐中的扬尘样本进行检测，获得湿度信息。
7.如权利要求6所述的无人机的扬尘在线监测预警系统，其特征在于，所述无人机与所述数据处理模块通过RS485、TTL及Zigbee中的至少一种协议进行数据传输。
8.如权利要求7所述的无人机的扬尘在线监测预警系统，其特征在于，所述无人机的云台上搭载图像采集模块，用于在所述监控模块报警时，采集待检测区域的图像，并将所述图像发送至所述数据处理模块。
9.如权利要求8所述的无人机的扬尘在线监测预警系统，其特征在于，所述监控模块包括报警单元及显示单元；所述报警单元为警报灯或蜂鸣器，所述显示单元为LED显示屏。
10.如权利要求9所述的无人机的扬尘在线监测预警系统，其特征在于，所述数据处理模块，还用于将所述图像、在采集图像时的待检测区域所分别获得的第二颗粒物浓度及湿度信息进行叠加处理，以将叠加后的图像发送至所述显示单元进行显示。
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