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物联网气象探测无人机研究

摘要:气象数据采集是各种应用和研究的关键,考虑到传统气象探测存在的不足,以物联网技术应用为切入点,以无人机为数据传感监测的承载平台,在物联网框架下研究利用无人机进行气象数据探测的可行性方案,给出了气象物联网系统设计的总体方案和气象无人机结构。综合考虑无人机平台承载特点,对无人机机载传感器模块进行了分析选型,结合LoRa无线通信技术,给出无人机的无线组网探测方案。系统将气象数据探测与物联网技术、无人机技术相结合,为气象物联网推广和应用提供参考。
 
关键词:物联网;无人机;气象探测;气象载荷;LoRa无线通信;网关节点
 
气象工作在国家公共安全、军事安全、生态安全、环境安全、资源安全等领域发挥着非常重要的作用,获取精确、高分辨率的探测数据在安全防范和决策方面有着非常重要的意义[1]。传统气象数据监测与采集主要依靠自动气象站、卫星、航空遥感等方式,这些传统方法在时间和空间分辨率等方面存在一定缺陷。气象无人机涉及遥感遥测、中继通信、气候变化监测、飓风监测、林火监测、生态保护等综合应用领域可实现包括温度、湿度、气压、风速、风向、空气质量等综合气象数据的探测和作业[2]。作为传感器承载平台,气象无人机能够以快速、灵活、多方位且更经济的方式获取传感数据,并实现高空区域、定点、垂直、水平数据观测;能够在时间和空间上满足监测需求,并获取高分辨率探测数据;克服了传统气象监测方式的不足,为气象数据的探索开辟新的可行性方案。随着物联网技术的快速发展,气象物联网的应用使其能够为相关领域提供更广泛、便捷的专业服务。目前,在发达国家,物联网技术已被应用于气象监测和气象预报中,也有国家将物联网技术用于军事气象领域,为管理和决策提供智能化服务。在国内,物联网技术主要在气象数据监测、气象信息发布、气象服务等方面应用[3]。物联网技术和气象监测相融合,将是实现气象服务行业创新和技术革新的关键所在,也是构建社会新模式和提高国家科技竞争力的重要举措。
 
1系统架构
 
气象无人机结合了现代电子技术、微传感器、飞行控制技术、嵌入式应用等相关技术,通过部署多台无人机组成监测网络,进行区域数据信息移动探测;通过接入云服务平台,实现区域气象数据的实时共享。系统基于物联网结构框架,搭载了低功耗无线传感网模块和计算机网络服务器平台,实现气象数据从检测、处理、传输到信息实时共享的一体化应用服务。系统延时小,操作灵活,可进行具有高空间和时间分辨率的气象参数测量。系统总体架构如图1所示,包括感知层、传输层、服务层和应用层。感知层由配置有传感器的无人机群组构成,包括无人机终端节点和无人机网关节点,无人机终端节点搭载有气象探测传感器模块,主要用于实施区域气象数据的采集工作和完成其他复杂的任务要求;无人机网关通过机载摄像头对其他无人机进行状态监测,并接收环境感知数据。各无人机之间可进行数据通信,通过网关节点将数据传输至地面数据中心。传输层包括无线传感网络和Internet网络,通过无线传感网络实现无人机的网内通信和数据中继转发,通过Internet网络为用户提供实时在线气象信息服务。服务层包括地面数据接收中心和数据云服务平台,地面数据接收中心用于接收无人机平台数据,并传输至服务器端;数据云服务平台用于为用户提供气象信息的网络访问和共享。
 
2系统硬件
 
系统硬件由无人机平台、地面数据中心、地面控制中心构成。无人机平台为系统基础级硬件,包括无人机机体、飞行控制模块、系统控制模块、无线通信模块、无线传感网络模块、动力系统、执行机构、GPS导航模块、姿态传感器模块、气象传感器载荷。系统结构如图2所示。(1)飞行控制模块:该模块为无人机的核心,其集成了一个功能强大的32位RISC微控制器,内存为64MB,用于监测和控制无人机的飞行状态,运行飞行控制算法,同时还配置有不同类型的电气接口,用于和其各子系统通信。飞行控制模块连接姿态传感器模块和GPS导航模块,传感数据传输至微控制器进行转换、计算和处理,确定飞行状态并控制执行控制导航算法,计算结果最终送到执行机构和动力系统进而控制无人机飞行。(2)系统控制器模块:该模块由一个具有通用模拟和数字接口的微控制器组成,连接气象传感器载荷,用于接收气象传感数据;系统控制模块集成了无线传感网络模块,用于网内无人机和地面数据网关的通信。(3)动力系统:该系统由动力电池组和电子调速器构成,动力电池一般要求具有较高的放电效率、较大的放电电流、容量较高、质量较轻,可采用具有高C值锂电池。电子调速器为电机提供可控的动力电流输出,飞行控制模块提供的控制信号电流驱动能力无法直接驱动无刷电机,需要通过电子调速器将控制信号快速转变为电枢电压和电流要求的范围,以控制电机的转速。(4)执行机构:无人机执行机构是伺服动作设备,由4个PC2212-KV910电机构成,根据计算机指令,按规定的静态和动态要求实现对无人机的飞行控制。(5)GPS导航模块:为气象无人机自主飞行管理提供保障,通过GPS导航、地面导引、预先路径规划为无人机系统完成气象探测任务提供位置和目标信息。(6)姿态传感器:提供无人机的飞行姿态信息,通过姿态控制无人机的航向。(7)气象传感器载荷:该模块主要包括温度传感器、湿度传感器、气压传感器、风速风向传感器、空气质量传感器等,用于完成飞行区域的气象参数测量。(8)无线传感网络模块:该模块主要实现无人机组网、数据中继转发及网内通信功能。(9)无线通信控制模块:该模块负责建立无人机与地面控制中心的无线连接,地面控制中心通过无线通信控制模块接收无人机的飞行状态,同时向无人机发送控制命令。(10)地面控制中心:该部分用于控制无人机完成数据探测、飞行控制、起降等任务。
 
3气象载荷
 
有效传感器载荷是气象无人机气象探测的“眼睛”,具有非常重要的意义[4]。在飞行控制方面,配置用于获取无人机的位置、航速、姿态等数据的传感器,可实现无人机的飞行导航和自动驾驶。在气象数据采集方面,配置相关传感器载荷模块的无人机将是测量温度、湿度、气压、风矢量、空气质量等基本大气参数的理想测试平台。利用无人机进行气象测量,有效载荷需满足整体体积小、重量轻、高可靠性、高测量精度等要求[5]。测量的精度指标要求见表1所列。
 
3.1温度载荷
 
目前,应用在无人机上温度测量的方法主要有直接测量法和遥感测量法。系统采用直接测量方式,为兼顾测量可靠性和响应特性,选用2个不同特性的温度传感器,一个采用密封的PT100元件,虽然精度高但响应较慢,响应时间达到10s;另一个采用开放式TSCI506数字温度传感器,其具有高分辨率、高准确度、低功耗、快速响应等特点。通过互补滤波,可以将2个传感器的特性结合起来,达到检测数据稳定可靠、高精度、快速响应的要求[6]。
 
3.2湿度载荷
 
考虑无人机载重量,湿度传感器选择体积小、质量轻的电容式湿度传感器或电阻式湿度传感器。HS1101湿度传感器是基于独特工艺设计的电容元件,通过传感器中干湿介质和空气接触吸湿或脱湿的过程,使介质的介电常数发生变化,从而引起传感器电容值发生改变,完成空气湿度的测量。HS1101相对湿度的变化和输出的电容值基本呈线性关系,并具有高可靠性、长时间稳定性、快速响应等特点。
 
3.3风速、风向载荷
 
目前,在气象监测领域,风矢量的测量普遍使用传统机械式测量方式,有风杯式风速仪、尾翼式风向仪等[4],受限于无人平台体积和重量,不适于搭载此类传感器。超声波风速仪具有体积小、精度高、时间分辨率高、运行稳定等特点,可以在无人值守的环境下长期测量并输出数据,且安装相对容易。超声波风速仪布置3个具有等间距的超声波探头,在测量运行过程中,每个探头向另外2个探头发送超声波脉冲并接收另外2个探头发送的脉冲,3个探头共有6条超声波脉冲的收发。由于风速会影响超声波传播的速度,因此通过计算3个方向上超声波发送和接收的时间间隔,确定各方向的风速;通过对3个方向的风速进行矢量合成,得到风速风向的实际检测数据[7]。
 
3.4气压载荷
 
气压测量用于获取无人机周围环境的静压、总压等参数,为无人机提供飞行高度数据,可采用静压传感器模块MS5534B作为无人机的高度测量器件。MS5534B是一个数字式气压传感器,具有低电压、低功耗、高精度等特点,由一个压阻元件和一个15bit的ADC模块组成。系统通过微处理器周期读取MS5534B输出的绝对气压数据,经过校准补偿及计算处理得到有效的相对气压值,并转换为对应海拔高度,从而在无人机飞行探测过程中实时掌握无人机的飞行高度信息。3.5空气质量载荷空气质量监测主要包括一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、臭氧(O3)、可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)等污染指标,利用相应传感器的电化学监测法对各类气体进行定质、定量检测。可采用ZE07-CO型传感器对CO气体浓度进行检测,采用ME3-SO2传感器对二氧化硫浓度进行检测,采用ME3-NO2传感器对二氧化氮浓度进行检测,采用ZE25-O3传感器对臭氧浓度进行检测,采用激光传感器SDS018实现对PM2.5/PM10颗粒物的检测。
 
4无人机无线组网
 
为获得较广的探测覆盖范围,系统采用多无人机无线组网探测方案,可获得较为完整的三维气象探测数据。无人机各自机载气象传感器模块探测区域空间位置的气象数据;各无人机之间通过无线方式进行数据传输、实时通信和中继探测;各无人机通过GPS导航模块进行实时定位导航以确定位置和航向,进而完成无人机的精确组网。
 
4.1LoRa无线通信技术
 
LoRa是Semtech公司创建并推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案,使用了免授权的ISM频段,包括433MHz、868MHz、915MHz,提供了最大168dB的链路预算和+20dBm的功率输出,一般情况下,其在空旷郊区环境中的无线传输距离可达20km。LoRa无线通信技术可为用户提供一种简单的能够实现远距离、低功耗、大容量的系统[8]。系统采用ALIENTEK公司出品的ATK-LoRa-01模块实现无人机无线组网。ATK-LoRa-01是一款体积小、微功率、低功耗、高性能、远距离的LoRa无线串口模块,该模块采用Semtech公司出品的SX1278器件。SX1278器件采用LoRaTM扩频调制跳频技术,其通信距离大幅延长,且具有更高的接收灵敏度。模块的工作频率为410~441MHz,通过1×6的排针和微控制器接口相连,连接电路如图3所示。
 
4.2多无人机无线探测网络
 
气象无人机搭载了LoRa无线通信模块,通过LoRa无线通信协议实现多无人机无线组网。由多点空间位置构成的气象数据探测网络可实现探测数据误差补偿及纠正,多无人机相互配合,可灵活获取多维空间坐标精确的气象数据,进而完成气象探测目标任务。系统采用分层分布式组网方式,其结构如图4所示,包括中心网关节点和终端探测节点。终端探测节点负责气象数据采集、转换、处理,并通过LoRa通信模块转发给中心网关节点;中心网关节点搭载摄像头模块,一方面完成对其他无人机和周边环境进行状态监测,另外一方面可接收终端节点和其他网关节点数据信息,并转发给地面数据中心。数据信息包括无人机飞行姿态与位置传感器数据、气象监测传感器数据、图像与视频信息、命令以及相应的ACK命令。中心网关节点之间可相互通信,以避免当某个中心网关节点遭到破坏而导致整个链路终端通信瘫痪,无法与地面数据中心完成正常通信。
 
5结语
 
目前,气象物联网的研究和应用尚处于初步阶段,随着物联网、大数据、人工智能等技术日渐成熟以及5G技术的逐步落地,多方位的气象数据来源、高精准的气象信息预报和高精度的气象定制服务将是气象领域未来发展的趋势,气象探测也将向智能化、精细化、网络化、快速反应化转变。气象无人机具有高机动、高时间和空间分辨率等优点,对气象服务实现互联互通具有十分重要的作用。
 
参考文献
 
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[10]万昕成,易雪婷,马力,等.基于无人机的气象探测环境快速数字化建模[J].科学技术创新,2019,21(6):96-97.
 
作者:韩贝 王伯槐 单位:榆林学院信息工程学院