基于北斗的无人机空气质量监测系统设计

王汝清 赵腾飞 张力军 庄晓宝 杨荣根 吴有龙

摘 要：为了监测城市发展带来的有害物质如PM1.0，PM2.5，PM10，SO2，NO2等，设计了一种基于北斗定位的无人机空气质量监测系统。该设计利用C语言实现硬件的数据传输功能;Java语言和数据库相结合，实现部分网页功能;利用传感器技术获取相关信息，借助网络通信技术实现网页与硬件部分通信。该系统对于提高环境监测的实时性、安全性等具有深远意义。

关键词：卫星定位技术;网络通信技术;传感器网络;数据库;四旋翼无人机;监测系统

中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）02-00-02

0 引 言

近年来，随着经济的快速发展和人口激增，摩天大楼拔地而起，各类机动车与通行道路随之增多。在建造大楼、道路的同时，不仅会产生对环境有害的物质，还会产生大量对人体有害的物质[1]。这些物质包括直径小于10 μm的PM10，直径小于或等于2.5 μm的细颗粒物PM2.5，直径小于1 μm的极细颗粒物或超细颗粒物[2-3]PM1.0，SO2，NO2。

为保护大气环境和人类健康，实时监测大气中的污染物变得尤为重要[4]。通过四旋翼无人机不仅可以保护监测员不受监测地点的污染物影响，而且可以实时、安全地监测一些类似高空等人力难监测的区域。随着物联网技术的不断发展，空气中颗粒物的监测方法也变得更加灵活，其中就包括利用四旋翼无人机监测环境[5-6]。目前，我国已研究设计出两种配备了新一代臭氧传感器的微型无人机，不仅可以实时监测，其测得的数据也更加科学、合理、有效，无人机平台、机载传感器及相关地面系统均符合设计标准。在国外，此类技术更为成熟，相关人员已进行了多架无人机共同监测环境的研究，多架无人机相互协作，搭建相关大气模型进行大气环境污染监测[7]。这项技术随着科技的发展将更加实用并且应用更为广泛，方便人们了解环境的污染程度，提高警惕并更好地监测和治理环境[8]。本文设计了基于北斗定位的四旋翼无人机空气质量监测系统，方便用户实时观测无人机附近的大气状况，达到实时监测空气污染物的目的。

1 系统设计

基于北斗的无人机空气质量监测系统整体结构如图1所示。该系统由硬件和软件构成，硬件部分是载有传感器的无人机，负责采集数据并传输信号至单片机;软件部分主要为用户实时监测有害物质浓度提供平台，同时还存储无人机的位置和有害物浓度等相关信息。系统通过北斗与GPS双模块获取无人机的实时精确位置信息，使用SIM卡访问网络，后台服务器数据库通过GPRS数据传输联网功能捕获位置信息，经由百度API技术显示在Web服务器的地图页面上。用户可以通过登录Web服务器访问数据库，查询相关信息。

本系统使用Tomcat服务器作为搭载网页的Web服务器，MySQL作为存储和管理数据的数据库，阿里云服务器的Ubuntu系统作为搭载整个服务器的系统[9]。通过STS软件完成后台服务器的控制代码编写，以及前端页面的代码编写，最终导出Web Content文件夹的内容并发布到Tomcat服务器，以便外网访问。

2 功能闡述

用户登录Web服务器并确认位置信息后，页面的左侧会显示无人机菜单栏，分别有“打开地图”和“打开无人机”两个功能选项。点击“打开地图”显示百度地图界面，界面部分有一个静止的红点和一个跳动的红点，静止的红点是用户的位置，跳动的红点是无人机的位置，具体如图2所示。

点击“打开无人机”选项，进入无人机信息页面。该页面包含序号、无人机位置编号、经度、纬度、PM1.0浓度、PM2.5浓度、PM10浓度、SO2浓度、NO2浓度等字段，以便用户查询与统计。在无人机飞行过程中，位置信息也会发生变化，通过设置位置编号来区分不同的位置，通过经纬度来记录不同的方位，点击页面中的“查询”按钮便可实时更新信息，达到实时监测的目的。无人机信息页面如图3所示。

当用户点击对应编号污染程度的“查看”选项时，会弹出信息提示框，输入提示框中相关污染气体的浓度便可查看空气质量等级。该系统根据气体浓度的不同将空气质量分为6级，即优、良、轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染。图4所示为弹出的信息提示框，显示了该位置的空气质量为良，如图4所示。

3 相关技术

3.1 卫星定位技术

卫星定位技术是指利用卫星与接收机之间的距离来确定接收机的位置，让全球用户能够实时准确地获取位置信息[10]。本系统运用安信可公司设计生产的A9G模块，可实现GPS、北斗双模定位和GPRS数据传输功能。程序通过同一个串口控制数据上传到服务器、获取定位信息。通过该模块可以获得无人机的实时位置信息，后台服务器数据库通过GPRS数据传输联网功能捕获位置信息，经百度API技术显示在地图页面上。

3.2 传感器技术

传感器感知被测对象的相关信息后通过信息转换来获取用户所需的信息。作为信息获取的重要手段之一，传感器与通信技术、计算机技术共同构成了信息技术的三大支柱。本系统使用PM传感器来监测无人机周围的污染物状况，包括PM1.0，PM2.5，PM10，SO2，NO2，再通过A9G模块实时上传到服务器，数据经实时处理后，用户可在网页中直观获取空气质量信息。

3.3 四旋翼无人机

作为本系统的硬件运载平台，四旋翼无人机为其他模块提供了电源支持并搭载了所有硬件以便进行高空作业。图5所示为无人机实物以及电路连接，图6所示为无人机硬件框图。该系统以运载的电池支撑整个平台，稳压模块和GPS北斗双模块与A9G通信模块相连，A9G模块和PM传感器模块与STM32单片机相连。QQ飞控作为飞行器中心控制系统被装载在无人机平台的中心，遥控器传感模块被装载在无人机的顶端，接收天线传输的信号。

3.4 网络通信技术

网络通信技术是各类具有联网通信功能的设备，通过对文字、图像等资料进行采集、分析、处理等，使得这些信息可以被各台设备共享。该空气质量监测系统使用网络通信技术中常用的HTTP协议（超文本传输协议），通过模块上的SIM卡访问服务器并将数据存入数据库中。一般情况下，由用户端发起一个HTTP请求，搭建一个到网站指定端口的TCP连接。网站可以从该端口接收用户发送的请求。当接收到请求时，网站向用户端发回一个命令行和响应短消息。

3.5 数据库与数据库服务器

数据库用以存放电子数据、文件，用户可对其进行添加、存储、修改、删除等一系列操作。数据库主要分为两大类，即关系数据库（MySQL为代表）和非关系数据库。本系统运用MySQL数据库服务器存储所需要的无人机经纬度以及污染物相关浓度等信息，以便用户能够更加简洁明了地查看数据，并使数据更加具体、丰富，便于后续分析和处理。

3.6 工程的开发及发布

STS（Spring Tools Suite）基于Eclipse构建而成，是将Java作为开发语言的一款软件，可用来开发网页。该软件集成有Spring和很多常用工具插件，如Git等，这些插件能够帮助开发者迅速构建网页架构，完善后台服务器的设置，通过编写前端页面代码实现完整的网页功能。本设计利用STS这一特性编写后端与前端程序，完成访问、查询无人机与其周围可吸入颗粒物的信息网页，并通过Web Content文件夹发布到Tomcat服务器上，保证其他外网用户亦能够访问。

4 结 语

本文设计了基于北斗定位的无人机空气质量监测系统，并通过对基于北斗定位的无人机空气质量监测系统的功能阐述、结构分析、软硬件相关技术介绍等，旨在设计一种更安全、更便捷的空气质量监测系统，同时激发我国无人机产业的市场，进一步推动环境监测行业向现代化、智能化方向发展。

参 考 文 献

[1]魏庆丽，王洁，杨晨，等.GSM网络的室内空气质量监测系统设计[J].传感器与微系统，2016，35（9）：69-71.

[2]马骛，边晨昱，唐颢苏.基于卫星遥感和北斗无人机的灾害监测与预警系统[J].科技视界，2017（6）：180.

[3]廖煌辉.浅谈做好空气质量监测的途径[J].能源与环境，2019（2）：78-79.

[4]盛敏敏，方春霞.环境保护工程空气监测现场的质量控制措施探究[J].低碳世界，2019，9（7）：24-25.

[5]郭坚.基于SIM908的无人机空气质量监测系统设计与研究[D].天津：天津大学，2014.

[6]魏杰，戎征，邢昱，等.无人机遥感技术在环境监测的应用研究[J].中国资源综合利用，2018，36（10）：190-192.

[7] CHEN P. Visualization of real-time monitoring datagraphic of urban environmental quality [J]. EURASIP journal on image and video processing，2019，1（1）：42-52.

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[9]李平生.試论无人机测绘数据处理关键技术及应用[J].科技创新与应用，2018（34）：147-148.

[10] HODGSON J C，BAYLIS S M，ROWAN M，et al. Precision wildlife monitoring using unmanned aerial vehicles [J]. Scientific reports，2016，6（5）：22574-22579.