基于無人機的物聯網監測系統

趙 亮，胡張兵，黃 晶，吳 豹，張巧云

（滁州學院 計算機與信息工程學院，安徽 滁州 239000）

0 引 言

基于無人機的物聯網監測系統不同于傳統的數據采集與監測系統，是將當前新興的傳感器和RFID無線射頻技術融入到無人機行業而誕生的產物。基于無人機的物聯網監測系統并非第一個與傳統監測系統不同的概念。早在前幾年，機器人、汽車行業就使用了相關傳感器技術，而最近相關公司提出的無人機大氣監測系統和無人機農田檢測系統均為相關概念[1]。隨著科技的飛速發展和相關產業的爆炸型增長，以及人們生活水平的提高，人們對環境的重視度越來越高，而這種新型的基于無人機的物聯網監測系統可以彌補人工在環境監測方面時效性和準確性的不足，同時數據采集的準確度和實時性也得到了大幅提高，所以利用無人機技術監測環境成為了未來發展的必然趨勢[2]。

在物聯網應用中，無人機可運用于無線圖像采集系統、農田信息采集系統、交通監控系統、紅外監控系統等[3]。當前基于物聯網的安防監控系統以圖像監視為手段，對現場圖像進行實時監視與錄像[4]，視頻監控系統方便安保人員直觀掌握現場情況，并通過錄像回放對事件進行分析和取證。但該系統需要在廣闊的區域（例如機場、農田等）部署大量的攝像頭，以防出現監控死角，而采用無人機進行監測可將攝像頭和各類傳感器（紅外傳感器、門磁傳感器）相結合，形成無線監控網絡[5]，大大節約了成本。

本方案擬采用的四旋翼無人機能夠通過不同的傳感器來獲取數據信息[6]，不僅大幅降低了硬件成本，而且更有利于傳感器維護；使用機載微型攝像機不僅能夠充當輔助導航設備，獲取地面圖像，進行分析、解算、校正，甚至還可改變其飛行路線，實現無人機自主飛行，并將拍攝的畫面實時傳送給管理者。

1 系統整體設計

基于無人機的物聯網監測系統可以分為硬件設置和系統功能兩個模塊。硬件設置可分為飛行控制模塊，數據采集模塊，串口選擇模塊和波特率設置模塊；系統功能模塊可分為數據分析模塊，數據處理模塊，數據存儲模塊以及路徑規劃模塊。系統功能如圖1所示。

圖1 系統功能圖

1.1 需求分析

當前對環境數據的采集多采用傳統方式，但這種方式在對某一區域進行監測時，需要在被監測區域的周圍布置大量傳感器節點以構成監控網絡，大幅增加了成本，同時這些由大量傳感器節點構成的監控網絡目前還無法實現全覆蓋，且性能不夠穩定，常需要校正，長期暴露在自然環境中，壽命短，維護成本高。這些都是制約如今環境監測發展的重要因素，為使環境數據采集更精確、高效，文中提出了基于無人機的物聯網監測系統。

為了最大程度采集準確的數據，監測系統多以無人機采集數據與PC端的數據管理系統為基礎，能夠實時、有效、快速地傳輸、保存數據信息，并能夠對接收到的信息進行有效處理與分析，然后向工作人員反饋結果并給予一定的建議。在這個基礎上，可以添加深度學習模塊，方便在處理應急事件時能夠以最快的速度做好預防工作并通知相關單位的應急處理人員。

1.2 整體方案設計

本設計使用無線傳感網技術實現數據的采集與傳輸，該系統將ZigBee技術，C#與數據庫結合，通過各傳感器采集環境中的數據信息，之后數據管理系統將獲取的數據存儲到數據庫中，并對數據進行有效處理與進一步分析，在深度學習系統中產生下一步預備方案，使整個監測系統更加智能化、人性化，方便用戶實時了解環境信息。

圖2所示為系統的整體架構。基于無人機的物聯網監測系統主要由傳感器、數據管理系統和自主飛行系統等組成。傳感器放置于無人機上，主要負責數據采集，并通過無線傳輸模塊將采集到的數據反饋到數據管理系統中。無人機可根據規劃好的路線自主飛行，無需手動操控。信息采集完成后會根據規劃的路線返回，以更加準確地采集環境中的信息。

圖2 系統整體架構圖

2 系統硬件設計

2.1 無人機技術

無人駕駛飛機簡稱“無人機”（UAV），是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機，或者由車載計算機完全或間歇地自主操作。其飛行狀態、路線可控制，同時還可在大氣層中航行。近年來，隨著微小傳感器、嵌入式微處理器、新型控制理論等的發展，一些世界軍事強國在發展作戰無人機和大型長航時無人機的同時，也在集中科研力量發展微小型無人機，許多科研機構在持續不斷地研制無人機小型化，甚至微型化技術。通過搭載不同的設備，微小型無人機可執行通信中繼、實施干擾、偵查監視、對地攻擊、目標定位、損傷評估等軍事任務，同時在氣象探測、航空攝像、勘探測繪、核輻射探測、抗災搶險、交通監控等民用領域也有廣闊的市場前景。

本設計所開發的基于無人機的物聯網監測系統主要組成部分包括STM32主控芯片、無刷電機、電調、三軸加速度陀螺儀、螺旋槳、簡易機架、PCB電路板、阻容元件、USB攝像頭、嵌入式硬件設備、各類傳感器（振動傳感器，紅外傳感器，壓力傳感器等）、通信模塊、PC機終端。系統的整體設計思路如圖3所示。

圖3 系統整體設計思路

基于無人機的物聯網監測系統的硬件部分主要由自主研發的四旋翼飛行器、機載智能航拍攝像頭、無線傳輸設備、圖像采集卡、圖像處理計算機和監控計算機組成。

無人機飛行控制系統接收機輸入裝置接收給定軌跡命令并傳輸至飛行控制裝置；定位裝置獲取無人機的地理位置并將其發送至飛行控制裝置；傳感器裝置采集無人機的飛行參數并發送至飛行控制裝置。

飛行控制裝置輸出電機控制信號至電調電機裝置，控制電調電機裝置調整無人機的飛行參數，實現對無人機位置和姿態的控制。

操作人員只需發送軌跡命令至接收機輸入裝置即可，無需實時觀察無人機當前位置。飛行控制裝置根據獲取的信息控制電調電機裝置調整無人機的飛行參數，可實時對無人機的位置和姿態進行調整，提高了控制精度。

2.2 傳感器技術

傳感器網絡是由許多在空間上分布的自動裝置組成的一種計算機網絡。這些裝置使用傳感器協作監控不同位置的物理或環境狀況（溫度、聲音、振動、壓力、運動或污染物）。無線傳感器網絡的發展最初起源于戰場監測等軍事應用，而現今無線傳感器網絡被應用于很多民用領域，如環境與生態監測、健康監護、家庭自動化以及交通控制等。并且無線傳感器網絡是由大量密集部署在監控區域的智能傳感器節點構成的一種網絡應用系統，能實時監測、感知和采集節點部署區觀察者感興趣的感知對象的各種信息（光強、溫度、濕度、pH值和有害氣體濃度等），將其處理后通過無線網絡發送給觀察者。

機載傳感器系統是四旋翼無人機飛行控制系統的重要組成部分，它為機載控制系統提供可靠的飛行狀態信息，是實現四旋翼無人機自主飛行的重要設備。實現步驟如下：

（1）對ARM嵌入式控制器的功能進行二次開發，構建一個功能完善的機載控制器硬件平臺；

（2）建立OE交叉編譯環境，將控制程序的源代碼經交叉編譯后移植入ARM嵌入式系統運行；

（3）采集和處理機載傳感器系統（微型姿態航向參考系統和聲納傳感器）的測量數據；

（4）分析微型姿態航向參考系統在指定工作模式下輸出的消息結構，建立Linux下基于串口異步通信的數據傳輸機制，實現四旋翼無人機飛行姿態和位置信號的采集與處理；

（5）基于I2C通信原理，通過Linux下的C++編程，獲取聲納傳感器數據，經處理得到四旋翼無人機低空飛行的高度信息；

（6）基于UDP網絡傳輸協議編寫服務器（四旋翼無人機）和客戶端（地面監控系統）的數據通信程序，實現四旋翼無人機飛行數據的無線傳輸與存儲。

作為發送端的樹莓派將拍攝到的圖像傳送到接收端，經處理后傳送到后臺并反饋。

根據預先測繪的航線與設定的飛行參數，讓無人機實現一鍵起飛，并按照預定航線飛行和降落，內置高精度GPS，支持不規則區域邊界的快速測繪。

3 系統軟件設計

3.1 開發環境及開發語言介紹

本設計的系統界面開發使用名為Microsoft Visual Studio 2010 C#的開發軟件。Visual Studio 2010是微軟公司推出的C#開發環境，也是目前最流行的Windows平臺應用程序開發環境。Visual Studio 2010是一個比較簡單的界面設計軟件開發工具，其主要功能是將面向對象的語言轉變為面向機器的語言，界面設計可視化，操作簡單靈活，目前分為專業版、高級版、旗艦版、學習版和測試版共五個版本。

3.2 登錄注冊界面設計

登錄注冊界面功能包括用戶登錄和新用戶注冊，并添加了記住密碼和自動登錄功能。新用戶可直接注冊，輸入手機號和密碼，注冊成功后輸入用戶名和密碼即可登錄，也可選擇記住密碼并自動登錄。登錄注冊界面如圖4所示。

3.3 數據管理設計

數據管理的主要功能包括查詢、刪除、更新、添加等。主界面用以顯示采集到的數據（二氧化碳、氮氣、PM2.5等），并以曲線圖的形式呈現在頁面中。在數據出現異常時會標記并分析異常出現的原因，當下次出現類似情況時，可利用深度學習自動處理。

圖4 登錄注冊界面

4 結 語

無人機因其作業周期短，效率高等優勢，將在物聯網中扮演重要的角色。本文詳細介紹了一款基于無人機的物聯網監測系統，經過一段時間的運行調試，目前系統各功能已基本實現，同時還可根據不同地區的情況，實時有效地采集各類信息，掌握精準數據。無人機實物如圖5所示。從長遠來看，這種方案在未來物聯網的發展中將會被廣泛使用，在降低成本的同時，提高采集信息的靈活性及數據的準確性。

圖5 實物圖