CN111122784A - 基于无人机的智能化空气质量监测系统及方法 - Google Patents

基于无人机的智能化空气质量监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于无人机的智能化空气质量监测方法，包括以下步骤：控制无人机巡航系统进行巡航检测；接收无人机巡航系统的巡航检测数据并对巡航检测数据处理形成立体化空气检测数据；将立体化空气检测数据标记于地图上形成检测数据地图；将检测数据地图发送至用户终端进行显示。本发明还提出一种基于无人机的智能化空气质量监测系统。本发明通过无人机搭载嵌入式系统以及多传感器模块实现对空气环境进行立体化空气参数采集，并将数据通过PC端以及APP端进行显示；进行实时定位信息的接收；实现无人机的自动飞行，并利用搭载在无人机上的摄像头和GPS对无人机进行精准定点降落。

Description

基于无人机的智能化空气质量监测系统及方法
技术领域
本发明属于空气质量检测技术领域，具体涉及一种基于无人机的智能化空气质量监测系统及方法。
背景技术
随着城市与农村的拆迁改造，建筑工地施工等日渐增多，加上春季风大、气候干燥，空气里灰尘含量较大，不但影响市容市貌，更让我们出行备受粉尘污染之苦。粉尘不会直接伤人，但对呼吸道和眼睛等器官会造成很大危害。粒径大于10微米的粉尘在空气中停留时间较短，在呼吸作用中可被有效地阻留在呼吸道上，不进入肺泡，但由于木粉尘中含有木焦油，这种物质由各种酚类和烃类组成，并含有致癌性较强的物质，长此以往，工人会部分的患有支气管炎、哮喘和肺气肿等，甚至致癌。粒径小于10微米以下的木粉，会直接进入人的肺部组织，沉淀于肺泡中，有可能引起肺组织的慢性纤维化，甚至导致肺心病、心血管病等一系列病变。而且这些可吸入物质还会将多种污染物或病菌带入肺部，对人体危害很大。粉尘如果弹入或飞入人的眼睛，会造成伤害，影响正常操作。另外木尘还是最危险的易燃物品之一，易引起火灾。
利用飞行物体来监测空气质量的设想来源于2006年的美国一个科学家的创意，也因为此创想的提出加上当前无人机的发展，也不断涌现出了利用无人机搭载空气检测系统对大气环境进行监测的研究单位与企业。但是由于无人机本身的部分缺陷，以及高精度检测仪器的价格高贵等问题，大部分的无人机产业只是将无人机进行娱乐、航拍、植保等方面功能，利用无人机进行环境检测这一领域一直没有发展的过于快速，甚至其相关产业也是屈指可数，或者可以说在中国只是起步不久。2011年由中科宇图天下科技有限公司依照科技部国际科技合作项目——“基于无人机平台环境应急监测关键技术与应用研究”的课题，是我国的首例环境应急大气监测无人机系统研究，且研究取得了重要进展也可以说是开创了中国利用无人机对环境监测的先河。
利用无人机进行环境监测的研究随着人工智能、大数据、云技术等技术领域的发展，目前也是得到了迅速的发展。无人机将采集到的大气数据通过无线技术传输并存储起来，利用大数据分析以及人工智能技术为采集到的空气环境数据进行一个准确分析阐述并依照相关空气质量标准来说明当前空气质量的污染程度。从中就可以得到区域性的大气数据分析结果以及污染源的判断。虽然当前利用无人机技术对空气环境监测的研究在算法、控制等方面都是正处于一个迅速发展的状态，但是此类研究在民用的发展趋势还是明显不高且价格昂贵，也因此得不到一个良好的普遍性效应。故而基于云技术的低功耗无人机空气质量检测系统的研究也是当前科技发展及社会进步的必要。
因此，利用当前已有的云技术、传感器技术、嵌入式技术、物联网以及数据分析等技术，开发一款低成本、低功耗的基于无人机的多传感器大气检测系统对立体化的大气环境进行大气数据检测，对社会的林业保护、河流范围空气监控、城乡大气治理、工厂污气偷排管控等等与空气环境维护相关工作等方面有着不可忽视的意义。
发明内容
针对上述现有技术存在不足，本发明提供一种基于无人机的智能化空气质量监测系统及方法。
本发明采用的技术方案为：
基于无人机的智能化空气质量监测方法，包括以下步骤：控制无人机巡航系统进行巡航检测；
接收无人机巡航系统的巡航检测数据并对巡航检测数据处理形成立体化空气检测数据；
将立体化空气检测数据标记于地图上形成检测数据地图；
将检测数据地图发送至用户终端进行显示。
作为本发明的进一步技术方案为：所述控制无人机巡航系统进行巡航检测，具体包括：设置在无人机上的三轴加速度计、三轴角速度计和气压高度计对无人机的状态进行检测，主控单元根据无人机当前状态以及设定的检测目的地，计算无人机飞行轨迹并发送飞行指令，控制无人机达到检测目的地。
进一步的，所述无人机还设置图像定位装置，所述图像定位装置采用摄像头，利用GPS结合摄像头拍摄图片进行精准定点降落；具体为：通过GPS进行初始定位；无人机飞行至初始定位后，进行图像拍摄，查找图像中定点降落点；无人机根据定点降落点位置降落。
进一步的，所述计算无人机飞行轨迹并发送飞行指令，具体包括：检测目的地为多个，主控单元根据无人机当前的位置，计算无人机到达多个目的地的距离，确定最短路径飞行轨迹。
作为本发明的进一步技术方案为：所述接收无人机巡航系统的巡航检测数据并对巡航检测数据处理形成立体化空气检测数据；具体包括：
所述无人机在检测目的地进行立体化空气数据采集；
无人机上设置空气质量检测装置，所述空气质量检测装置对无人机巡航范围内的空气温度、湿度、气体及其含量进行检测；
通过GPS定位系统对无人机检测点进行定位，获取无人机检测点的经纬度及高度信息；
无人机在检测目的地对不同高度的空气质量进行检测，形成检测目的地的立体化空气检测数据。
进一步的，所述空气质量检测装置包括：MCU、空气温度湿度传感器、集CO、NH3、NO2一体的微传感器、PM2.5传感器和MQ-2烟雾传感器；所述空气温度湿度传感器、集CO、NH3、NO2一体的微传感器、PM2.5传感器和MQ-2烟雾传感器的输出端连接MCU。
更进一步的，所述MCU采用32位嵌入式内核ARM Cortex-M3的微处理器。
作为本发明的进一步技术方案为：所述将巡航检测数据标记于地图上形成检测数据地图；具体包括：根据定位的经纬度信息，将立体化空气检测数据标记在地图上形成检测数据地图。
作为本发明的进一步技术方案为：所述将检测数据地图发送至用户终端进行显示；具体包括：对检测数据地图按照时间间隔进行更新，并将更新的检测数据地图通过无线通信网络发送给用户终端显示。
本发明还提出一种基于无人机的智能化空气质量监测系统：包括：
无人机巡航模块，用于控制无人机巡航系统进行巡航检测；
检测数据处理模块，接收无人机巡航系统的巡航检测数据并对巡航检测数据处理形成立体化空气检测数据；
地图标记模块，将立体化空气检测数据标记于地图上形成检测数据地图；
前端显示模块，用于将检测数据地图发送至用户终端进行显示。
本发明的有益效果是：
1、通过无人机搭载嵌入式系统以及多传感器模块实现对空气环境进行立体化空气参数采集，并将数据通过PC端以及APP端进行显示；
2、通过自行设计的APP可显示地图对无人机进行实时定位信息的接收；
3、通过实现相应的控制算法，实现无人机的自动飞行，并利用搭载在无人机上的摄像头和GPS对无人机进行精准定点降落。
附图说明
图1为本发明提出的基于无人机的智能化空气质量监测方法流程图；
图2为本发明提出的空气质量检测装置主框架结构图；
图3是本发明提出的无人机GSM无线通信系统框架结构图；
图4是本发明提出的基于无人机的智能化空气质量监测系统结构图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图对本申请作进一步的详细说明。应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
参见图1，为本发明提出的基于无人机的智能化空气质量监测方法流程图；
如图1所示，一种基于无人机的智能化空气质量监测方法：包括以下步骤：
步骤101，控制无人机巡航系统进行巡航检测；
步骤102，接收无人机巡航系统的巡航检测数据并对巡航检测数据处理形成立体化空气检测数据；
步骤103，将立体化空气检测数据标记于地图上形成检测数据地图；
步骤104，将检测数据地图发送至用户终端进行显示。
本发明实施例中，无人机巡航系统包括无人机以及设置在无人机上的空气质量检测装置，无人机在规定的区域内飞行，通过空气质量检测装置对区域内的空气质量进行检测，并对区域内不同高度的空气质量进行检测，形成立体化检测数据；将检测处理的立体化检测数据标记在地图上形成检测数据地图，通过用户终端获取检测数据地图进行显示。
在步骤101中，控制无人机巡航系统进行巡航检测，具体包括：设置在无人机上的三轴加速度计、三轴角速度计和气压高度计对无人机的状态进行检测，主控单元根据无人机当前状态以及设定的检测目的地，计算无人机飞行轨迹并发送飞行指令，控制无人机达到检测目的地。
其中，无人机还设置图像定位装置，所述图像定位装置采用摄像头，利用GPS结合摄像头拍摄图片进行精准定点降落；具体为：通过GPS进行初始定位；无人机飞行至初始定位后，进行图像拍摄，查找图像中定点降落点；无人机根据定点降落点位置降落。
其中，计算无人机飞行轨迹并发送飞行指令，具体包括：检测目的地为多个，主控单元根据无人机当前的位置，计算无人机到达多个目的地的距离，确定最短路径飞行轨迹。
在步骤102中，接收无人机巡航系统的巡航检测数据并对巡航检测数据处理形成立体化空气检测数据；具体包括：
所述无人机在检测目的地进行立体化空气数据采集；
无人机上设置空气质量检测装置，所述空气质量检测装置对无人机巡航范围内的空气温度、湿度、气体及其含量进行检测；
通过GPS定位系统对无人机检测点进行定位，获取无人机检测点的经纬度及高度信息；
无人机在检测目的地对不同高度的空气质量进行检测，形成检测目的地的立体化空气检测数据。
本发明需要从PC端或APP端等用户终端对无人机的定位信息进行可视化，因此采用以SkyTraq公司的S1216F8-BD模组为核心的北斗GPS模块来实现无人机的定位，该模块的定位精度可高达半径2～5m范围。北斗模块默认采用NMEA-0183协议输出GPS/北斗定位数据，将该定位数据所参照的坐标系与APP高德地图的坐标系进行一系列软件算法的转换，就可以直接从MCU采集并输出与高德地图相匹配的经纬度数据，再将输出的坐标信息经由无线传输模块传输至云服务器，就可以同时在PC、APP端等用户终端实时查看到无人机的定位信息。
参见图2，空气质量检测装置包括：MCU、空气温度湿度传感器、集CO、NH3、NO2一体的微传感器、PM2.5传感器和MQ-2烟雾传感器；所述空气温度湿度传感器、集CO、NH3、NO2一体的微传感器、PM2.5传感器和MQ-2烟雾传感器的输出端连接MCU。其中，MCU采用32位嵌入式内核ARM Cortex-M3的微处理器。
空气质量检测装置基于32位嵌入式内核ARM Cortex-M3为MCU拓展而开，利用多通道16位ADC、5个8位UART等对传感器进行数据采集。多传感器组件主要由温湿度传感器、集检测CO、NH3、NO2一体的微传感器、PM2.5传感器、MQ-2烟雾传感器、海拔气压传感器等构成。
在步骤103中，将巡航检测数据标记于地图上形成检测数据地图；具体包括：根据定位的经纬度信息，将立体化空气检测数据标记在地图上形成检测数据地图。
在步骤104中，将检测数据地图发送至用户终端进行显示；具体包括：对检测数据地图按照时间间隔进行更新，并将更新的检测数据地图通过无线通信网络发送给用户终端显示。
参见图3，本发明实施例中，考虑到无人机的远距离飞行状态，再结合各类通信技术的相关优点，选择了全球移动通信系统(GSM)作为了无人机与地面站进行相互通信的方式。无人机与地面监测中心的数据通信采用GSM无线通信系统，GSM无线通信系统包括实时通讯服务器、云交互网关、蜂窝网络和无人机数据转换单元DTU(Data Transfer unit)；SIMCOM有限公司提供的SIM100 GSM模块具有GPRS数据特性并内嵌TCP/IP协议；具有短信、音频等特性。支持AT命令、RTS/CTS硬件流控等多种控制方式，并支持从1200bps到115200bps的自动波特率检测功能以及支持软件升级。是一款优质的远距离无线通信模块，在我们的系统中主要将其以通信协议的TCP/IP协议及HTTP协议用于远距离的点对点数据交互。
本发明实施例中，无人机巡航系统通过STM32单片机将惯性测量单元、GPS、等设备接入飞行控制系统从而实现飞行器自主飞行功能。无人机通过惯性测量单元实现飞行，其中惯性测量单元包含三轴加速度计、三轴角速度计和气压高度计，高精度感应飞行器姿态、角度、速度和高度的元器件集合体，辅助飞行。通过气压计或光流定高单元测量无人机的海拔高度，得到无人机与地面的相对高度，进行模拟数据的还原，光流传感器可支持室内定位，防止无人机接收不到GPS时发生坠落。本发明中还采用安全开关单元，通过设置安全开关单元保证了无人机的正确使用，防止错误启动操作而导致无人机失控，同时也保证了系统运行的稳定性，保证了使用人的安全。
参见图4，本发明还提供一种基于无人机的智能化空气质量监测系统：包括：
无人机巡航模块201，用于控制无人机巡航系统进行巡航检测；
检测数据处理模块202，接收无人机巡航系统的巡航检测数据并对巡航检测数据处理形成立体化空气检测数据；
地图标记模块203，将立体化空气检测数据标记于地图上形成检测数据地图；
前端显示模块204，用于将检测数据地图发送至用户终端进行显示。
实施例一中的一种基于无人机的智能化空气质量监测方法的各种变化方式和具体实例同样适用于本实施例的一种基于无人机的智能化空气质量监测系统，通过前述对一种基于无人机的智能化空气质量监测方法的详细描述，本领域技术人员可以清楚的知道本实施例中一种基于无人机的智能化空气质量监测系统，所以为了说明书的简洁，在此不再详述。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.基于无人机的智能化空气质量监测方法，其特征在于，包括以下步骤：控制无人机巡航系统进行巡航检测；
接收无人机巡航系统的巡航检测数据并对巡航检测数据处理形成立体化空气检测数据；
将立体化空气检测数据标记于地图上形成检测数据地图；
将检测数据地图发送至用户终端进行显示。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制无人机巡航系统进行巡航检测，具体包括：设置在无人机上的三轴加速度计、三轴角速度计和气压高度计对无人机的状态进行检测，主控单元根据无人机当前状态以及设定的检测目的地，计算无人机飞行轨迹并发送飞行指令，控制无人机达到检测目的地。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述无人机还设置图像定位装置，所述图像定位装置采用摄像头，利用GPS结合摄像头拍摄图片进行精准定点降落；具体为：通过GPS进行初始定位；无人机飞行至初始定位后，进行图像拍摄，查找图像中定点降落点；无人机根据定点降落点位置降落。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算无人机飞行轨迹并发送飞行指令，具体包括：检测目的地为多个，主控单元根据无人机当前的位置，计算无人机到达多个目的地的距离，确定最短路径飞行轨迹。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收无人机巡航系统的巡航检测数据并对巡航检测数据处理形成立体化空气检测数据；具体包括：
所述无人机在检测目的地进行立体化空气数据采集；
无人机上设置空气质量检测装置，所述空气质量检测装置对无人机巡航范围内的空气温度、湿度、气体及其含量进行检测；
通过GPS定位系统对无人机检测点进行定位，获取无人机检测点的经纬度及高度信息；
无人机在检测目的地对不同高度的空气质量进行检测，形成检测目的地的立体化空气检测数据。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述空气质量检测装置包括：MCU、空气温度湿度传感器、集CO、NH3、NO2一体的微传感器、PM2.5传感器和MQ-2烟雾传感器；所述空气温度湿度传感器、集CO、NH3、NO2一体的微传感器、PM2.5传感器和MQ-2烟雾传感器的输出端连接MCU。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述MCU采用32位嵌入式内核ARM Cortex-M3的微处理器。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将巡航检测数据标记于地图上形成检测数据地图；具体包括：根据定位的经纬度信息，将立体化空气检测数据标记在地图上形成检测数据地图。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将检测数据地图发送至用户终端进行显示；具体包括：对检测数据地图按照时间间隔进行更新，并将更新的检测数据地图通过无线通信网络发送给用户终端显示。
10.根据权利要求1-9中任一所述的方法提出一种基于无人机的智能化空气质量监测系统：其特征在于，包括：
无人机巡航模块，用于控制无人机巡航系统进行巡航检测；
检测数据处理模块，接收无人机巡航系统的巡航检测数据并对巡航检测数据处理形成立体化空气检测数据；
地图标记模块，将立体化空气检测数据标记于地图上形成检测数据地图；
前端显示模块，用于将检测数据地图发送至用户终端进行显示。
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