智能在線環(huán)境監(jiān)測

一、項目背景

隨著我國近幾年來大氣污染狀況越來越嚴重，特別霧霾（顆粒物PM2.5、PM10等）在污染物中所占的比例越來越重，因此我國的大氣污染檢測與治理的任務也越來越重。國家對此也在大多數(shù)城市布設或者完善了顆粒物、氣體檢測設備，形成了國控點結(jié)合省控點分布密集的地面污染源檢測網(wǎng)。

然而我們也能清楚的看到，依據(jù)國控點地面檢測數(shù)據(jù)所作出的預測與實際環(huán)境污染狀況的發(fā)展還是存在較大差距，此外，依據(jù)地面監(jiān)測數(shù)據(jù)所實施的治理手段，如地面灑水、建筑工地遮蓋、交通限行、工業(yè)限產(chǎn)、鍋爐改造、脫硫脫硝處理等方案，效果也不盡如人意。

作為繼航空、航天遙感后的第3代遙感技術的無人機遙感技術，具有立體監(jiān)測、響應速度快、監(jiān)測范圍廣、地形干擾小等優(yōu)點, 是今后進行大氣突發(fā)事件污染源識別和濃度監(jiān)測的重要發(fā)展方向之一。

由于大眾對環(huán)境保護認知度的提升，我國在環(huán)保工作上的投入力度逐步增大，作為環(huán)境保護先頭兵的環(huán)境監(jiān)測領域也是一路高歌，突飛猛進。眾多的技術與突破，使得我國的環(huán)境監(jiān)測愈驅(qū)成熟，其中不可忽視的新興技術就要數(shù)無人遙感技術了。近年來，無人監(jiān)測設備的運用已經(jīng)成為主流趨勢之一，無人機遙感監(jiān)測更是在環(huán)保監(jiān)測領域掀起一股熱浪。

二、智能在線環(huán)境監(jiān)測無人機氣體監(jiān)測系統(tǒng)

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

智易時代無人機環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要包括無人飛行器、智易時代sensor氣體檢測、數(shù)傳/GPRS、地面站/服務器、數(shù)據(jù)處理軟件等構(gòu)成。主要的作用于檢測大氣空氣質(zhì)量AQI與應急檢測有毒有害氣體，其精度可以達到1PPB。改變了傳統(tǒng)固定點的檢測使得氣體檢測變得靈活、快速、準確、方便。

2 氣體濃度數(shù)據(jù)采集的軟件實現(xiàn)

氣體檢測這塊有著成千上萬種氣體種類、量程、精度等。為了簡化用戶的操作與成本，我司特設計一套系列的傳感器。有著一整套完整的軟件信息系統(tǒng)，把所有可以檢測到的氣體種類我們有效的劃分開實現(xiàn)全部智能化的識別系統(tǒng)?？蛻艨梢愿鶕?jù)不同的檢測場景搭配不同的傳感器；使得無人機氣體檢測非常靈活不受荷載的影響。數(shù)據(jù)采集主要如下圖所示。

根據(jù)氣體傳感器的通訊方式可以采用模擬電壓、模擬電流、TTL、RS485，我司的采用的是RS485通訊方式。

串口波特率9600，校驗位無，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位；數(shù)值為Hex

三、無人機環(huán)境監(jiān)測軟件界面及數(shù)據(jù)分析

地面接收系統(tǒng)的軟件是我司專門設計的可用于上述監(jiān)測數(shù)據(jù)接收、解碼、顯示、處理、報告并向云端上傳的軟件，它與通用飛控軟件Mission Planner相結(jié)合，在獲取飛行路徑規(guī)劃及飛行器飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)的基礎上加我司的氣體檢測設備的實時濃度值進行數(shù)據(jù)分析融合，并支持多探測器同步數(shù)據(jù)回傳和處理功能。

數(shù)據(jù)分析平臺，主要功能應包括實時數(shù)據(jù)展示、歷史數(shù)據(jù)查詢、區(qū)域的GPS經(jīng)緯度、時間等信息同步傳回地面接收系統(tǒng)。

(1)實時數(shù)據(jù)展示

平臺可對各類監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時展示。將空氣質(zhì)量氣體傳感器數(shù)據(jù)、有毒氣體應急監(jiān)測數(shù)據(jù)匯入到統(tǒng)一平臺，統(tǒng)一管理，綜合展示。氣體傳感器數(shù)據(jù)以不同顏色代表不同污染級別。

以下為近1小時內(nèi)的實時數(shù)據(jù)顯示：

(2)歷史數(shù)據(jù)查詢

將各點位的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進行簡單的統(tǒng)計分析，例如日變化分析、時間序列分析等，幫助采購方節(jié)約手動分析時間成本，同時還能夠幫助采購方了解基本污染狀況。

(3)區(qū)域污染概率分析

通過計算一段時間內(nèi)，各區(qū)域污染超標的累積概率，能夠得到經(jīng)常發(fā)生污染的區(qū)域，即為超標重點區(qū)域，也可能為潛在污染源，管理者可根據(jù)分析結(jié)果對此類區(qū)域進行重點監(jiān)管。

(4)污染排名統(tǒng)計

實時排名分析讓采購方掌握新的污染動態(tài)，歷史排名分析可以幫助采購方查找重點污染區(qū)域。

(5)移動GIS開發(fā)平臺

1.數(shù)據(jù)編輯：空間地物點選、框選、任意多邊形的拾??；空間地物的增、刪、查、改功能；地物節(jié)點的增、刪、查、改及捕捉功能；回退與撤銷1.功能；快速草圖編輯、繪制功能。

2.數(shù)據(jù)管理：項目式數(shù)據(jù)采集管理模式；方便的數(shù)據(jù)查詢和坐標數(shù)據(jù)現(xiàn)場自動更新功能；可定制文檔報表輸出，包括位置、屬性、照片及統(tǒng)計內(nèi)容。

3.數(shù)據(jù)交互：平臺端+移動端可建立起基于通訊網(wǎng)絡模式的數(shù)據(jù)交換，可實現(xiàn)平臺端；查看移動端作業(yè)模式，軌跡上傳、下載、內(nèi)部OA流通訊，任務工單；下達、上傳，遠程數(shù)據(jù)調(diào)取，并完成基于LBS的相關位置數(shù)據(jù)交互服務。

4.數(shù)據(jù)采集：GPS手動/自動/平滑、手繪、偏距等采集方式；公共點、公共邊、多線段及含面地物的空間拓撲采集；由點成線/面、由線成點/面、由面成點/線的多種幾何轉(zhuǎn)換功能；現(xiàn)場照片、聲音、視頻信息的采集并與坐標自動匹配；可通過藍牙無線協(xié)同測距儀、探測儀、專業(yè)數(shù)碼相機等外設進行作業(yè)。

5.地圖應用：海量柵格與矢量數(shù)據(jù)的秒級瀏覽；*的行業(yè)數(shù)字地圖及Google地圖應用；豐富的柵格、矢量數(shù)據(jù)疊加渲染風格；快速的矢量圖元疊加分析功能、專題化分析結(jié)果展示。

6.基于ARC GIS類似軟件開發(fā)。

(6)無人機航線規(guī)劃平臺

1、智能手持終端中使用“全自動作業(yè)”APP可選定監(jiān)測區(qū)域并智能規(guī)劃。規(guī)劃區(qū)塊后，只需填寫速度及高度要求，即可自動生成航線、劃分架次等功能，實現(xiàn)精準飛行?！?/span>

2、實現(xiàn)云端、本地雙重備份。

3、搭載RTK模塊精確繪制顆粒物實時云圖。

(8)數(shù)據(jù)庫服務器

CPU配置：8核并支持超高主頻實例；

內(nèi)存配置：內(nèi)存從32G到768G 自由擴展。為了能更好發(fā)揮計算性能，CPU和內(nèi)存的配比比例是1:4或者1:8；

存儲配置：支持從虛擬機鏡像及云盤啟動，讓分鐘交付成為可能。支持掛載多塊云盤，讓存儲彈性盡情展現(xiàn)；

網(wǎng)絡配置：支持虛擬專有云（VPC）網(wǎng)絡，保持和普通ECS實例以及其它云產(chǎn)品的互聯(lián)互通。同時，也提供和物理機網(wǎng)絡相媲美的性能和穩(wěn)定性。

(9)巡檢無人機系統(tǒng)

巡檢無人機參數(shù)：

1、載荷：不低于1500g★

2、機身材質(zhì)：碳纖維+鋁合金

3、飛行速度：≤15m/s

4、續(xù)航時間：標準負載（攜帶顆粒物檢測模塊）不低于40min

5、飛行相對高度：≤400m

6、起降方式：垂直起降

7、抗風能力：≤6級

8、定位精度：垂直0.1m ，水平0.1m

9、工作溫度：-10°C至40°C

10、搭載RTK高精度定位定向模塊★

智能電池參數(shù)：

1、標稱電量：不低于16000mAh（360Wh）

2、循環(huán)次數(shù)：不低于300次

(10)移動采集終端

1.操作系統(tǒng):Android 5.1以上★

2.處理器:不低于1.7GHz主頻,8核處理器

3.內(nèi)存:不小于2GB RAM內(nèi)存

4.閃存:不小于32GB大容量閃存

5.顯示:分辨率不小于1280×1080,5點觸控，支持電容手套操作

6.定位技術:GPS+北斗+GIONASS+SBAS+AGPS

7.*定位時間：不大于25秒

8.SBAS定位精度：1-2米

9.cors定位精度：0.8米★

10.數(shù)據(jù)更新頻率不低于1HZ

11．通訊制式：4G全網(wǎng)通（移動，聯(lián)通，電信）★

12.WIFI：IEEE 802.11b/g/n,AP wapi

13.藍牙：BlueTooth 4.0，支持BLE

14.擴展卡：T-Flash存儲卡；支持不小于128GB Micro-SD擴展存儲

15.USB：TypeC，具有OTG功能

16.容量：鋰電池容量不低于5000mAh，支持在線充電★

17.工作時間：單塊電池可連續(xù)工作不低于10-12小時

18.攝像頭：不低于1300萬像素，自動對焦，高亮LED閃光燈

19.麥克風、揚聲器：支持

20.耳機：3.5mm音頻插孔，支持耳機通話，外置耳機可當FM天線

21.感應器類型：重力傳感器、電子羅盤、氣壓計

22.RFID讀寫/NFC：支持

23.重量：不大于350g★

24.工作溫度：不低于-40℃～+85℃

25.存儲溫度：不低于-50℃～+85℃

26.防塵防水：不低于IP65

27.防震：全強固式設計，抗1.5米自由跌落

四、環(huán)境監(jiān)測設備

我司專門針對大氣中氣體的監(jiān)測研發(fā)出一款智能型“四氣兩塵”傳感器組件。該組件的傳感器采用高靈敏的進口電化學傳感器，采取擴散式氣體檢測方法；該組件操作方便、測量準確、工作可靠、體積輕小；利用我們設計的支架可以方便安裝至無人機上，利用無人機的*優(yōu)勢可以實現(xiàn)空中軌跡的氣體監(jiān)測。同時利用我們的軟件平臺，集成顯示經(jīng)緯度、高度、飛機狀態(tài)、溫度、濕度、PM2.5、PM10、CO、O3、SO2、NO2、VOC等參數(shù)的實時監(jiān)測和三維可視化展示。為三維立體空間的空氣質(zhì)量分析提供一個有效的監(jiān)測手段。

五、主要技術指標

●適用：多旋翼無人機、固定翼

1.揚塵在線監(jiān)測設備技術指標

1）顆粒物傳感器：

技術原理：激光散射式

測量精度：≧±20%

顆粒物讀數(shù)范圍：PM2.5、PM10（0-999ug/m3）

分辨率：1ug/m3

★NO2：測量范圍/分辨率：0-1/0.001ppm

★CO：測量范圍/分辨率：0-10/0.01ppm

★SO2：測量范圍/分辨率：0-1/0.001ppm

★O3：測量范圍/分辨率：0-1/0.001ppm

★PM2.5、PM10：檢測范圍：0～1000ug/m3；分辨率：0.1ug/m3；

2）電源系統(tǒng)

太陽能板功率：不低于6W*2

高密度鋰電池：不低于4000mAh/7.4V＊2

電源管理系統(tǒng)：自動讀取實時電壓，智能充放電。

供電時間：在陰雨天氣下，持續(xù)工作 7天

3）通訊系統(tǒng)：

數(shù)據(jù)傳輸：3G/4G

支持運營商：支持聯(lián)通、移動、電信4G數(shù)據(jù)SIM卡

4）設備參數(shù)：

輸入電壓：7.4V

防護等級：IP65；防風等級：十級

響應時間：4s；傳輸間隔：5min

5）內(nèi)置系統(tǒng)：

更新方式：支持OTA（空中升級）

處理器：ARM

2.相對誤差：≤±15%

3.重復誤差：≤±15%

4.采樣時間：無限制

5.總功耗：約為2.4W

6.電源電壓：DC12V

7.供電方式：采用12V蓄電池（鋰電池）供電

8.供電時長：1小時

9.數(shù)據(jù)：可采用本地存儲或上傳數(shù)據(jù)

10.尺寸：長×寬×高（2600mm×110mm×90mm）

11.工作環(huán)境、濕度：-20-70℃；10～95%RH(非凝結(jié)）

2.氣體檢測模塊

●勻速抽取螺旋槳上方氣體進行檢測

●內(nèi)部有氣室設計、保障氣體全面接觸

●采用進口高精度氣體傳感器

3.環(huán)保應用

六、無人機氣體監(jiān)測荷載特點

無人機整體效果圖

●軟件可以支持多家無人機制造商包括大疆所有系列。
●上千種氣體傳感器可以隨時更換，系統(tǒng)帶有自動識別功能。
●外殼防水、防風、防塵、防撞擊設計
●實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)，并生成對應的趨勢曲線。
●可查看歷史實時數(shù)據(jù)，并同時生成曲線分析圖，列表和圖表樣式顯示歷史數(shù)據(jù)，方便對比查看。
●同時顯示經(jīng)緯度、高度、飛機狀態(tài)、溫度、濕度、PM1、PM2.5、PM10、上千種氣體實時濃度值。
●檢測精度可達到ppb級。
●實時無線傳輸數(shù)據(jù)到地面端，也可以通過GPRS實時傳輸?shù)椒掌鳌?/span>

無人機氣體監(jiān)測荷載尺寸圖：

（4）建議機型（參考）