CN206388203U - 一种环境监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种环境监测系统，该系统包括：飞行器和设置于飞行器上的环境监测装置，环境监测装置包括：依次电连接的采集器、数据融合单元、存储器和网络传输单元；采集器用于采集飞行器当前所处位置对应的初始环境数据，以及接收飞行器的飞行控制设备采集的地理信息，输出初始环境数据和地理信息；数据融合单元用于接收初始环境数据和地理信息，将初始环境数据和地理信息进行融合处理，输出初始环境数据与地理信息一一对应的最终环境数据。本实用新型使采集到的环境数据与具体地理位置一一对应，提高了环境数据与位置信息的关联度。

Description

一种环境监测系统

技术领域

本实用新型涉及环境监测技术领域，具体而言，涉及一种环境监测系统。

背景技术

无人机是一种以无线电遥控或由自身程序控制为主的不载人飞机。按照系统组成和飞行特点，无人机可分为固定翼型无人机、无人驾驶直升机两大类。固定翼型无人机通过动力系统和机翼的滑行实现起降和飞行，遥控飞行和程控飞行均容易实现，抗风能力也比较强，类型较多，能同时搭载多种遥感传感器。固定翼型无人机的起降需要比较空旷的场地，多应用于矿山资源监测、林业和草场监测、海洋环境监测、污染源及扩散态势监测、土地利用监测以及水利、电力等领域。

然而，现有的采用无人机进行环境监测的系统，其采集到的环境数据相对较为孤立，环境数据与该环境数据获取的具体地理位置、该环境数据获取的具体时间等信息关联度较低；另外，上述系统获取的数据多为表格、数字等形式，可视化水平较差，不利于用户对相关地理位置、时间的数据进行分析、处理。

针对上述环境数据与该数据的具体地理位置关联度较低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例的目的在于提供一种环境监测系统，能够使采集到的环境数据与具体地理位置一一对应，提高了环境数据与位置信息的关联度。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种环境监测系统，包括：飞行器和设置于飞行器上的环境监测装置，环境监测装置包括：依次电连接的采集器、数据融合单元、存储器和网络传输单元；采集器用于采集飞行器当前所处位置对应的初始环境数据，以及接收飞行器的飞行控制设备采集的地理信息，输出初始环境数据和地理信息，其中，初始环境数据包括：颗粒物数据、气体数据、视频数据和图像数据中的一种或多种；地理信息包括位置信息；数据融合单元用于接收初始环境数据和地理信息，将初始环境数据和地理信息进行融合处理，输出初始环境数据与地理信息一一对应的最终环境数据；存储器用于逐一保存接收到的最终环境数据；网络传输单元与远端的服务器网络连接，用于将存储器内存储的最终环境数据实时发送至服务器。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述采集器包括：环境传感器，用于采集并输出初始环境数据；与环境传感器和飞行控制设备分别连接的接收器，用于接收初始环境数据和地理信息，并输出初始环境数据和地理信息至数据融合单元。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，上述环境传感器和飞行控制设备分别通过串口与接收器连接。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，上述飞行控制设备包括：采集地理信息的GPS定位仪，GPS定位仪与接收器电连接。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，上述飞行控制设备还包括以下中的一种或多种：采集风速信息和/或风向信息的风速传感器、采集气压的气压计和采集温度信息的温度计；风速传感器、气压计和温度计分别与接收器电连接。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，上述系统还包括与环境监测装置网络连接的服务器，用于接收最终环境数据，对最终环境数据进行处理，并显示处理后的最终环境数据。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，上述系统还包括遥控器，遥控器与飞行控制设备连接，用于控制飞行器的飞行状态。

结合第一方面的第六种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，上述遥控器包括控制摇杆和任务控制按钮。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，上述环境传感器包括复合气体传感器、摄像装置和拍照装置中的一种或多种；复合气体传感器包括激光大气颗粒物检测器和/或气体探测器。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，上述飞行控制设备还包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、磁力计和气压高度计中的一种或多种，用于采集地理信息。

本实用新型实施例提供的一种环境监测系统，通过飞行器上设置的环境监测装置中的采集器采集飞行器当前所处位置对应的初始环境数据和地理信息；通过上述环境监测装置中的数据融合单元将初始环境数据和地理信息进行融合处理，生成初始环境数据与地理信息一一对应的最终环境数据；通过上述环境监测装置中的存储器和网络传输单元将该最终环境数据保存、并实时发送至服务器；上述方式可以使采集到的环境数据与具体地理位置一一对应，提高了环境数据与位置信息的关联度，进而使环境监测更具有实际应用价值。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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获得其他相关的附图。

图1示出了本实用新型实施例所提供的一种环境监测系统的结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例所提供的一种环境监测系统的具体结构示意图；

图3示出了本实用新型实施例所提供的第一种无人机大气环境监测系统的结构示意图；

图4示出了本实用新型实施例所提供的一种无人机大气环境监测方法的流程图；

图5示出了本实用新型实施例所提供的第二种无人机大气环境监测系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

考虑到现有的环境监测系统中环境数据与该数据的具体地理位置关联度较低的问题，本实用新型实施例提供了一种环境监测系统；该技术可以应用于大气污染监测、污染源排查、应急监测、输气管线泄露排查等环保、生产安全以及应急减灾领域；下面通过实施例进行描述。

实施例1

参见图1所示的一种环境监测系统的结构示意图，该系统包括如下部分：飞行器100和设置于该飞行器100上的环境监测装置102，该环境监测装置102包括：依次电连接的采集器102a、数据融合单元102b、存储器102c和网络传输单元102d；其中，上述飞行器100可以是无人驾驶飞机，该无人驾驶飞机也称为无人机，是一种利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机；

上述采集器102a用于采集飞行器100当前所处位置对应的初始环境数据，以及接收飞行器100的飞行控制设备采集的地理信息，输出初始环境数据和地理信息，其中，该初始环境数据包括：颗粒物数据、气体数据、视频数据和图像数据中的一种或多种；该地理信息包括位置信息；

上述数据融合单元102b用于接收上述初始环境数据和地理信息，将该初始环境数据和地理信息进行融合处理，输出初始环境数据与地理信息一一对应的最终环境数据；

上述存储器102c用于逐一保存接收到的上述最终环境数据；

上述网络传输单元102d与远端的服务器网络连接，用于将存储器102c内存储的最终环境数据实时发送至服务器。

本实用新型实施例提供的一种环境监测系统，通过飞行器上设置的环境监测装置中的采集器采集飞行器当前所处位置对应的初始环境数据和地理信息；通过上述环境监测装置中的数据融合单元将初始环境数据和地理信息进行融合处理，生成初始环境数据与地理信息一一对应的最终环境数据；通过上述环境监测装置中的存储器和网络传输单元将该最终环境数据保存、并实时发送至服务器；上述方式可以使采集到的环境数据与具体地理位置一一对应，提高了环境数据与位置信息的关联度，进而使环境监测更具有实际应用价值。

为了更详细地描述上述环境监测系统，参见图2所示的一种环境监测系统的具体结构示意图。该图中，上述采集器102a包括如下部分：环境传感器200，用于采集并输出初始环境数据；与上述环境传感器200和飞行控制设备分别连接的接收器202，用于接收初始环境数据和地理信息，并输出初始环境数据和地理信息至数据融合单元。通过上述环境传感器可以采集多种环境数据，提高了环境数据的丰富性。

具体地，上述环境传感器200和飞行控制设备分别通过串口与上述接收器202连接。其中，该串口也称为串行接口，通过该串口可以使数据一位一位地顺序传送；串口通信的通信线路简单，一对传输线就可以实现双向通信(该传输线可以为电话线)，成本较低，且同时适用于近距离和远距离通信。

为了获取上述飞行器的位置信息，上述飞行控制设备包括：采集地理信息的GPS定位仪，该GPS定位仪与上述接收器202电连接。通过该GPS定位仪可以获取飞行器的精确位置信息。

为了获取其他相关地理信息，本实用新型实施例在具体实现时，上述飞行控制设备还包括以下中的一种或多种：采集风速信息和/或风向信息的风速传感器、采集气压的气压计和采集温度信息的温度计；风速传感器、气压计和温度计分别与接收器电连接。优选地，上述飞行控制设备还包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、磁力计和气压高度计中的一种或多种，用于采集地理信息。通过上述方式可以获得飞行器当前所处位置的较为全面的地理信息。

进一步，为了对上述环境监测装置102生成的最终环境数据进行再处理和显示，上述环境监测系统还包括与环境监测装置102网络连接的服务器204，用于接收最终环境数据，对最终环境数据进行处理，并显示处理后的最终环境数据。通过上述服务器可以实现对上述再处理和显示，以方便用户查看、分析环境数据。

考虑到用户可能需要对飞行器的飞行状态进行控制，上述系统还包括遥控器206，该遥控器206与飞行控制设备连接，用于控制飞行器的飞行状态。具体地，上述遥控器206包括控制摇杆206a和任务控制按钮206b。通过设置遥控器，用户可以快速、精确地控制飞行器的飞行状态。

考虑到需要获取多种环境数据，本实用新型实施例在实际实现时，上述环境传感器包括复合气体传感器、摄像装置和拍照装置中的一种或多种；该复合气体传感器包括激光大气颗粒物检测器和/或气体探测器。其中，上述环境传感器中的气体探测器，通过电化学的方法对大气中的某种气体进行检测，可以精确地测量空气中的SO₂、O₃、CO、NO₂等气体的含量；上述环境传感器还包括粉尘激光传感器(激光大气颗粒物检测器)，通过激光计数的方法对大气中的粒子进行检测，可以精确地测量空气中的PM2.5和PM10的含量；另外，上述环境传感器还包括温度传感器和湿度传感器，能够实时测量飞行器所在位置的空气温度和湿度。通过上述环境传感器可以获取气体数据、视频或图片等多种形式的数据。

实施例2

对应于上述实施例1，本实用新型实施例提供了一种无人机大气环境监测数据实时传输系统，该系统采用无人机作为监测平台，在该无人机机上集成了激光大气颗粒物检测器、气体探测器等大气环境传感器；通过控制无人机的飞行状态，实施超低空近距离监测，可以全方位采集监测区域的PM2.5和PM10等大气颗粒物排放指数、温室效应指数和污染气体排放强度等数据，并可实时向地面站回传数据进行处理，在电子地图上显示监测区域的大气污染等环境状况，按照用户的要求生成相关数据、分析报表等，并对未来的大气污染变化进行预测。

参见图3所示的第一种无人机大气环境监测系统的结构示意图，该系统包括无人机302(相当于实施例1中的飞行器)、设置于该无人机302上的复合气体传感器304(相当于实施例1中的环境传感器)和数据采集器305(相当于实施例1中的采集器)、数据传输模块306(相当于实施例1中的网络传输单元)、遥控器308和地面站310(相当于实施例1中的服务器)。

上述无人机302在飞行过程中由机载复合气体传感器304对大气环境进行检测并生成大气环境数据；上述数据采集器305对大气环境数据进行收集和存储；上述机载数据传输模块306将上述大气环境数据实时传输至地面站310进行数据处理以及显示。按照上述方式，用户通过操纵无人机沿设定的航线在监测区域上空飞行并采集大气环境数据，以形成一套区域性的大气环境数据库，将大气环境数据库结合地理信息按照特定的投影方式(等经纬度、古德投影等)绘制出所需要的大气健康状况分布图，该数据库可以供环保等部门使用。

参见图4所示的一种无人机大气环境监测方法的流程图，该方法可以应用上述无人机大气环境监测系统实现，该方法包括如下步骤：

步骤S402,复合气体传感器采集环境数据；无人机的飞行控制模块(相当于实施例1中的飞行控制设备)采集位置信息和姿态状态数据；

步骤S403，判断无人机的飞行控制模块采集的是否是位置信息，如果是，执行步骤S405；如果否，执行步骤S404；

步骤S404,无人机的飞行控制模块发送姿态状态数据至地面站；执行步骤S418；

步骤S405,数据采集器接收环境数据和位置信息(上述复合气体传感器、飞行控制模块和数据采集器相当于实施例1中的环境监测装置)；

步骤S406,数据采集器对环境数据进行解析、计算处理；数据采集器对位置信息进行计算处理；

其中，上述无人机飞行控制模块可以将GPS定位数据发送到数据采集器(其中，发送的频率为10赫兹，即10次每秒)，数据采集器接收到GPS数据后解析出同步所需的经纬高信息；

步骤S410,数据采集器获取本地时间戳；

步骤S412,数据采集器将上述处理后的环境数据、位置信息和本地时间戳融合成完整的数据包；

具体地，上述复合气体传感器周期性地对当前所处空间的大气环境进行监测，并将环境数据发送到数据采集器；数据采集器接收到环境数据后根据协议进行解析，将解析后的原始数据进行单位换算，换算后的结果即为记录的环境数据。

上述复合气体传感器和飞行控制模块并行向数据采集器发送数据，该数据采集器按照复合气体传感器的数据采集周期，将环境数据与GPS位置数据进行融合，并将融合后数据标记本地时间戳，进而数据采集器保存数据，并将数据发送到地面站。

步骤S414,数据采集器将数据包保存；数据采集器将数据包发送至地面站；

步骤S418,地面站接收数据包和姿态状态数据；地面站解析数据包和姿态状态数据；

步骤S422,地面站将上述数据包和姿态状态数据显示至界面；地面站将上述数据包和姿态状态数据保存。

具体地，地面站接收上述环境数据和无人机姿态状态数据后对数据进行解析、保存并在人机交互界面上通过曲线、图表等形式进行显示。

参见图5所示的第二种无人机大气环境监测系统的结构示意图，该系统包括复合气体传感器304、无人机飞行控制模块502、数据采集器305、地面站310、数据传输模块306；其中，该数据传输模块306包括设置于无人机上的第一收发装置306a和设置于地面站的第二收发装置306b；上述地面站310包括数据接收与飞行管理模块310a和数据实时显示模块310b；上述无人机飞行控制模块502上还设置有全球定位系统GPS模块504；其中，上述设置于无人机上的第一收发装置306a和设置于地面站的第二收发装置306b无线连接。

上述系统中，GPS模块504提供无人机飞行过程中的实时定位信息，经由无人机飞行控制模块502通过数据采集器305上的串口1传输至数据采集器305；同时，该数据采集器305通过串口2接收来自于复合气体传感器304的环境数据，并对分别来自于串口1和串口2的两路数据进行同步处理；该同步后的数据一方面存储至数据采集器305的存储卡供后续离线分析使用，另一方面通过数据传输模块306实时传输至地面站310，供实时分析和显示。另外，在上述无人机飞行控制模块502和地面站310之间，还可以设置一个数据传输模块，用于无人机飞行控制模块502和地面站之间直接进行数据收发。

上述复合气体传感器可以是一个轻型(其核心部件重量小于300g，)智能监测模块，可高精度监测大气环境六项指标(SO₂、O₃、CO、NO₂、PM2.5/PM10)，监测数据与标准一致，数据可通过数据链实时下传。由于受到无人机螺旋桨下沉气流的影响，多旋翼无人机搭载的气体监测的精度会受到较大影响，进而导致气体和颗粒物探测浓度的偏差；因此，在实际实现时，可以通过设置传感器吊舱，大大减小下沉气流的影响，从而有效减小了检测误差。

上述无人机飞行控制模块是无人机的一部分，该模块集成了三轴加速度计、三轴陀螺仪、磁力计、气压高度计等多种高精度传感器和较好的飞行控制算法，使得无人机的操控变得简单，既可以通过遥控器人工操控飞行，也可以进行自动驾驶飞行。在无人机大气环境监测系统中，飞行控制模块主要根据GPS模块提供的定位信息，向数据采集器传输无人机飞行过程中的实时位置信息，由数据采集器将无人机实时位置信息与大气环境数据进行同步，以达到收集地域大气环境数据的目的；该无人机飞行控制模块还提供无人机飞行过程中风速、风向、气压等信息。

上述数据采集器基于Beaglebone Black板开发，该数据采集板一方面从机载复合气体传感器中读取大气环境监测数据，另一方面从飞行控制模块接收无人机实时定位信息，并将两路数据进行同步处理，将大气环境数据和无人机数据同时读取并缓存到存储区，得到具有地理位置信息标签的大气环境数据，以达到多维数据一一对应的目的；再将完成地理信息同步的整个大气环境数据包发送至地面站供实时监测使用；同步后的数据一方面存储到板上的SD卡中备离线使用，另一方面通过机载数传模块传输至地面站供实时分析监测用。

上述地面站将飞行管理软件、大气环境数据处理软件、数传电台、图传电台、控制摇杆、任务控制按钮等集成于一体，使得用户可在无人机飞行过程中方便地查看大气环境数据、飞行数据和实时影像，并可对无人机进行实时的航线及任务控制；上述地面站实时接收来自大气环境传感器及无人机飞控的数据，并对飞行任务进行管理的地面站系统；数据实时显示模块对接收到的大气环境数据进行实时显示，实现实时监测大气环境的变化。

综上所述，本实用新型实施例提供的一种环境监测系统，将环境传感器挂载在无人机上，通过地面站系统规划任务后，无人机可自主进行中低空、超低空抵近监测，全方位立体采集检测区域内的PM2.5、PM10、SO₂、O₃、CO、NO₂等大气颗粒物、温室气体、污染气体(或有毒气体)的浓度数据，录入数据处理系统后，在GIS平台上进行可视化呈现。

具体地，本实用新型实施例提供的一种环境监测系统可以应用于大气污染监测；环境传感器搭载在固定翼无人机平台上，可对数百平方公里的区域内进行低空立体监测，配合地理和气息数据，数据处理模块可以对监测数据筛选、存储和分析，可以对区域大气污染状况在地图上显示、可按要求生成数据分析报表。可以对未来的大气污染浓度变化进行预测。

本实用新型实施例提供的一种环境监测系统可以应用于污染源排查；可以用于污染源排放、河道排污口以及厂区无组织排放口等对象的环境监察，搭载多旋翼无人机平台，可以对执法人员不方便查看、无法进入的区域，全面、快速、高效地监察取证作业；对指定区域采集高分辨率的数据，开展连续、定期或者随机的监测，以获取监测区域的高清照片、视频，识别排放污染的种类，计算排放通量，评估排放源的强度和危害。

本实用新型实施例提供的一种环境监测系统可以应用于应急监测；可以实时回传视频、红外图像和有害气体浓度数据，利用高效率无人机和可悬停无人机协同配合，可以在地图上迅速描绘有害和致死浓度区域的分布；根据实时的风速、风向来计算扩散的方向和速度，为环境事故处置提供高效的数据支持；针对应急事件，单台无人机日监测能力最高达到200至320平方公里。

本实用新型实施例提供的一种环境监测系统可以应用于管道泄漏探查；可以用于天然气、化工气体输送管道泄漏的探查，根据探查的具体要求可选择搭载多旋翼或其他浮空器平台，对输气管道近距离自动巡航探查，探测到气体泄漏实施报警。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种环境监测系统，其特征在于，包括：飞行器和设置于所述飞行器上的环境监测装置，所述环境监测装置包括：依次电连接的采集器、数据融合单元、存储器和网络传输单元；

所述采集器用于采集所述飞行器当前所处位置对应的初始环境数据，以及接收所述飞行器的飞行控制设备采集的地理信息，输出所述初始环境数据和所述地理信息，其中，所述初始环境数据包括：颗粒物数据、气体数据、视频数据和图像数据中的一种或多种；所述地理信息包括位置信息；

所述数据融合单元用于接收所述初始环境数据和所述地理信息，将所述初始环境数据和所述地理信息进行融合处理，输出所述初始环境数据与所述地理信息一一对应的最终环境数据；

所述存储器用于逐一保存接收到的所述最终环境数据；

所述网络传输单元与远端的服务器网络连接，用于将所述存储器内存储的所述最终环境数据实时发送至服务器。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述采集器包括：

环境传感器，用于采集并输出所述初始环境数据；

与所述环境传感器和所述飞行控制设备分别连接的接收器，用于接收所述初始环境数据和所述地理信息，并输出所述初始环境数据和所述地理信息至所述数据融合单元。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述环境传感器和所述飞行控制设备分别通过串口与所述接收器连接。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述飞行控制设备包括：采集所述地理信息的GPS定位仪，所述GPS定位仪与所述接收器电连接。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述飞行控制设备还包括以下中的一种或多种：采集风速信息和/或风向信息的风速传感器、采集气压的气压计和采集温度信息的温度计；所述风速传感器、所述气压计和所述温度计分别与所述接收器电连接。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括与所述环境监测装置网络连接的所述服务器，用于接收所述最终环境数据，对所述最终环境数据进行处理，并显示处理后的所述最终环境数据。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括遥控器，所述遥控器与所述飞行控制设备连接，用于控制所述飞行器的飞行状态。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述遥控器包括控制摇杆和任务控制按钮。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述环境传感器包括复合气体传感器、摄像装置和拍照装置中的一种或多种；所述复合气体传感器包括激光大气颗粒物检测器和/或气体探测器。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述飞行控制设备还包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、磁力计和气压高度计中的一种或多种，用于采集地理信息。