數字賦能大氣環境智能化“監、采、控”一體化系統設計與實現*

王琦華，陳 城，洪 嵐，任 偉，董天天

(1.江蘇信息職業技術學院微電子學院，江蘇 無錫 214153；2.南京信息工程大學自動化學院，江蘇 南京 210044；3.南京信息工程大學大氣物理學院，江蘇 南京 210044；4.中國電信股份有限公司興化分公司，江蘇 泰州 225300)

目前我國大氣監測、監控以及采樣方式主要采用傳統的地面大氣監測、人工現場監控以及現場采樣為主，其中，現有的大氣監測方式對空氣質量監測存在數據不夠全面，誤差較大，對于高空以及危險區的大氣監測比較困難，在緊急應急能力上存在很多缺陷，同時不同高度的大氣情況差異較大，人工采樣方式需要實地采樣，具有采樣周期長、成本高以及采樣具有地域局限性等缺點[1-2]，同時也不能即時第一視角觀看現場畫面。為此，尋求一種高效、準確、便捷的大氣監測、監控以及采樣的方式具有重要的現實意義。

大氣采樣/監測技術主要包括地基監測技術、車載監測技術、機載監測技術以及星載監測技術[3-4]，其中，地基監測技術存在位置固定，車載監測技術無法垂直立體化，星載監測技術成本比較昂貴難以民用，機載監測技術將無人機技術與大氣環境監測技術進行有機結合，對實現大氣污染的立體化監測具有十分關鍵的作用。同時，隨著無人機技術的快速發展，無人機也在各個領域得到了廣泛的應用，利用旋翼無人機的高機動性、便捷性，可適用于高空及各種危險區域飛行的特性，可以實現大氣采樣和監測的定點、定高操作，從而彌補傳統采樣和監測方式的缺陷，提高大氣采樣和監測的信息化、高效化、精確化水平[5-6]。同時遇到有毒有害的氣體，無人機憑借其非現場第一視角能夠俯瞰現場畫面，進行實時監控。

機載監測技術憑借無人機的快速性、空中懸停、定位準確、第一視角等優勢，能夠有效面對環境污染突發性事件，便于工作人員及時了解并掌握特殊區域情況，同時能夠積極采取有效措施應對，對降低環境污染突發事件監測工作危險性具有極其關鍵的積極作用[7]。機載大氣采樣、監測、監控裝置系統一般包含環境采集終端、定位模塊、定高模塊、數據存儲模塊、數據傳輸模塊、大氣采樣裝置、監控系統等，它們可為各級環境監測部門及環境信息化建設提供整套的解決方案。

1 機載大氣監測、監控、采樣裝置技術路線

系統的總體架構如圖1 所示，該系統由無人機平臺(含圖傳系統)、大氣監測裝置以及大氣采樣裝置組成，其大氣采樣和監測可以同時安裝在無人機平臺上也可以單獨安裝在平臺上并由無人機遙控器上的空閑通道分別完成采樣和監測任務。與此同時，本系統采用物聯網技術中的三層架構圖，感知層主要完成對大氣污染物濃度監測、大氣樣本采樣以及第一視角圖像信息采集，傳輸層完成對采集數據、圖像信息的實時傳輸，應用層實現對大氣污染物濃度的分布以“第一視角”展示[8-9]。

圖1 系統整體架構圖

1.1 機載大氣采樣裝置分析流程圖

首先將大氣采樣裝置靈活安裝在無人機上，無人機飛行到采樣區域進入懸停模式，撥動遙控器上的采集按鈕將大氣樣本采集到專用的采樣袋中進行現場保存(并將采樣的三維信息本地保存)，無人機飛行至下一個采樣區域進行樣本采樣，系統的技術路線如圖2 所示。

圖2 機載大氣采樣流程圖

1.2 機載大氣監測裝置分析流程圖

大氣監測裝置搭載在多旋翼無人機上，利用無人機的高機動性、便捷性，可適用于在高空及各種危險區域進行大氣污染事件監測。監測數據(PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2、O3)本地存儲以及實時發送給測繪平臺處理、展示等，其大氣監測流程如圖3 所示。

圖3 機載大氣監測流程圖

2 機載大氣采樣與監測裝置設計

機載大氣采樣與監測裝置設計包含硬件設計、軟件設計以及機械結構設計，下面將分別介紹各自的設計框架。

2.1 機載大氣采樣裝置設計

2.1.1 硬件設計

系統的硬件設計采用模塊化設計，硬件電路主要包含STM32F103RCT6 最小系統電路、定位模塊、氣壓計模塊、存儲模塊以及電機驅動等，如圖4所示。

圖4 大氣采樣硬件結構圖

2.1.2 軟件設計

采樣裝置終端軟件采用STM32 的微處理器GPIO 管腳，捕獲無人機遙控器接收機上的PWM 開關，進而控制自吸泵的工作，并將GPS 和氣壓計信息存儲到存儲模塊中，作為記錄信息，其步驟如下:

Step 1:STM32_GPIO 引腳初始化；

Step 2:GPS、氣壓計模塊以及存儲模塊初始化(處理器對其進行結算三維空間信息)；

Step 3:遙控器發送采集指令；

Step 4:自吸泵啟動大氣采樣完成，并將采集的三維信息記錄在存儲模塊中；

Step 5:自此一個采樣點位的大氣采樣完成。

2.1.3 機械結構設計

機械結構設計采用Solidworks 進行繪制，每個采樣袋之間用隔板檔開，采樣袋和自吸泵之間采用軟管進行連接，采樣裝置外觀結構和剖視圖如圖5所示。

2.2 機載大氣監測裝置設計

2.2.1 硬件結構設計

系統的監測模塊設計，硬件電路主要包含STM32F103RCT6 最小系統電路、定位模塊、氣壓計模塊、存儲模塊、無線通信模塊、環境采集模塊等，硬件框圖如圖6 所示

圖6 大氣監測硬件框圖

2.2.2 軟件結構設計

監測終端軟件采用STM32 微處理器的GPIO 管腳捕獲無人機遙控器接收機上的PWM 開關，進而控制大氣監測工作，并將監測終端上的GPS 模塊和氣壓計模塊處理后同監測數據一一對應，通過數傳模塊實時傳輸至地面站，并保存于存儲模塊中，防止因信息丟失導致缺少監測數據，其步驟如下:

Step 1:STM32_GPIO 引腳初始化；

Step 2:GPS、氣壓計模塊以及存儲模塊初始化(處理器對其進行結算三維空間信息)；

Step 3:遙控器發送采集指令；

Step 4:大氣監測裝置進行大氣環境監測并將采集的三維信息記錄在存儲模塊中，同時并將監測的數據實時傳輸至地面站；

Step 5:自此一個架次的監測裝置完成。

2.2.3 機械結構設計

本機械結構設計同樣采用Solidworks 軟件進行繪制并采樣3D 打印，機械結構外觀和剖視圖如圖7所示。

圖7 大氣監測裝置外觀和剖視圖

3 實驗及實驗結果分析

3.1 無人機系統

載體采用自主研發的無人機平臺，其無人機平臺主要包含動力系統部分、飛控系統部分以及供電系統部分，其中動力系統部分包含機架(ZD850)、電機(朗宇X5212S KV400)、電調(好盈樂天60A)、槳葉(1855)；飛控部分包含PIXHAWK4、遙控器系統(云卓H12)、圖傳系統；供電系統部分為鋰電池(Lipo 16 000 mAh)，系統結構圖組成和裝配如圖8和圖9 所示[10-11]。

圖8 系統連接圖

圖9 系統裝配圖

3.2 監測、采樣以及監控裝置功能測試

為了驗證監測、采樣及監控裝置功能的完整性，將監測、采樣裝置靈活安裝在無人機上進行外場實驗，如圖10 所示。監測數據通過數傳模塊P900 進行實時傳輸，在QGround Control 地面站顯示，采樣裝置通過無人機遙控器的控制通道遠程控制；監控的“第一視角”通過無人機的圖傳系統實時傳輸，如圖11所示。

圖10 飛行實驗圖

圖11 數據實時回傳

3.3 實驗結果分析

無人機的大氣環境立體化監測、監控以及采樣主要是將監測數據數字化以便更直觀地展示，監測數據數字化將從技術準備、外業采集以及內業處理等方面開展，具體流程如圖12 所示[12]。

圖12 數字賦能大氣環境智能化“監、采、控”一體化系統流程圖

將監測數據和微型氣象監測站數據進行比對分析，選擇江蘇某區域生態環境局，以監測時間每隔5 min為一個數據，監測參數為(PM10、PM2.5、NO2、SO2、O3、CO)數據對比如圖13 所示。

圖13 實驗數據對比分析圖

由圖13 數據對比分析圖可知，連續監測運行1 h 后，其監測數據與環保監測數據走勢基本一致，數據所產生的誤差也在合理范圍之內，實驗結果表明監測數據符合環保監測標準要求，能夠為環保部分在應對突發性環境污染事件提供解決方案需求。

4 結論與展望

本文主要針對傳統的大氣采樣和監測方法存在采樣人員的危險性、采樣/監測位置固定以及無法立體化監測等問題，提出了利用機載遙感技術具有立體監測、監測范圍廣、地形干擾小、響應速度快等優勢來彌補傳統采樣和監測方式的局限性。為今后突發性環境污染事件提供一種可能的解決方案。

后續將針對大氣污染源排查取證智能化水平不足、高精度追因溯源能力與大氣污染調控措施靶向性不足的問題，研發觸發式無人機巡查與智慧采樣取證裝備，形成“分析研判”—“精準溯源”—“定點執法”監管技術體系，為提升大氣環境智能化監管與非現場執法能力提供技術支撐。