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ZWIN-YCF06無人機環境監測系統方案

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，形成了國控點結合省控點分布密集的地面污染源檢測網。

然而我們也能清楚的看到，依據國控點地面檢測數據所作出的預測與實際環境污染狀況的發展還是存在較大差距，此外，依據地面監測數據所實施的治理手段，如地面灑水、建筑工地遮蓋、交通限行、工業限產、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，具有立體監測、響應速度快、監測范圍廣、地形干擾小等優點, 是今后進行大氣突發事件污染源識別和濃度監測的重要發展方向之一。

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

二、無人機氣體監測系統

1 系統結構及工作原理

智易時代無人機環境監測系統主要包括無人飛行器、智易時代sensor氣體檢測、數傳/GPRS、地面站/服務器、數據處理軟件等構成。主要的作用于檢測大氣空氣質量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 氣體濃度數據采集的軟件實現

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，我司特設計一套專用系列的傳感器。有著一整套完整的軟件信息系統，把所有可以檢測到的氣體種類我們有效的劃分開實現全部智能化的識別系統。客戶可以根據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。數據采集主要如下圖所示。

根據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個數據位，1個停止位；數值為Hex

三、無人機環境監測軟件界面及數據分析

地面接收系統的軟件是我司專門設計的可用于上述監測數據接收、解碼、顯示、處理、報告并向云端上傳的專用軟件，它與通用飛控軟件Mission Planner相結合，在獲取飛行路徑規劃及飛行器飛行姿態數據的基礎上加我司的氣體檢測設備的實時濃度值進行數據分析融合，并支持多探測器同步數據回傳和處理功能。

數據分析平臺，主要功能應包括實時數據展示、歷史數據查詢、區域的GPS經緯度、時間等信息同步傳回地面接收系統。

(1)實時數據展示

平臺可對各類監測數據進行實時展示。將空氣質量氣體傳感器數據、有毒氣體應急監測數據匯入到統一平臺，統一管理，綜合展示。氣體傳感器數據以不同顏色代表不同污染級別。

以下為近1小時內的實時數據顯示：

(2)歷史數據查詢

將各點位的歷史監測數據進行簡單的統計分析，例如日變化分析、時間序列分析等，幫助采購方節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)區域污染概率分析

通過計算一段時間內，各區域污染超標的累積概率，能夠得到經常發生污染的區域，即為超標重點區域，也可能為潛在污染源，管理者可根據分析結果對此類區域進行重點監管。

(4)污染排名統計

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

(5)移動GIS開發平臺

1.數據編輯：空間地物點選、框選、任意多邊形的拾取；空間地物的增、刪、查、改功能；地物節點的增、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.數據管理：項目式數據采集管理模式；方便的數據查詢和坐標數據現場自動更新功能；可定制文檔報表輸出，包括位置、屬性、照片及統計內容。

3.數據交互：平臺端+移動端可建立起基于通訊網絡模式的數據交換，可實現平臺端；查看移動端作業模式，軌跡上傳、下載、內部OA流通訊，任務工單；下達、上傳，遠程數據調取，并完成基于LBS的相關位置數據交互服務。

4.數據采集：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/線的多種幾何轉換功能；現場照片、聲音、視頻信息的采集并與坐標自動匹配；可通過藍牙無線協同測距儀、探測儀、專業數碼相機等外設進行作業。

5.地圖應用：海量柵格與矢量數據的秒級瀏覽；完美的行業數字地圖及Google地圖應用；豐富的柵格、矢量數據疊加渲染風格；快速的矢量圖元疊加分析功能、專題化分析結果展示。

6.基于ARC GIS類似軟件開發。

(6)無人機航線規劃平臺

1、智能手持終端中使用“全自動作業”APP可選定監測區域并智能規劃。規劃區塊后，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，實現精準飛行。★

2、實現云端、本地雙重備份。

3、搭載RTK模塊精確繪制顆粒物實時云圖。

(8)數據庫服務器

CPU配置：8核并支持超高主頻實例；

內存配置：內存從32G到768G 自由擴展。為了能更好發揮計算性能，CPU和內存的配比比例是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；

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

(9)巡檢無人機系統

巡檢無人機參數：

1、載荷：不低于1500g★

2、機身材質：碳纖維+鋁合金

3、飛行速度：≤15m/s

4、續航時間：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：

1、標稱電量：不低于16000mAh（360Wh）

2、循環次數：不低于300次

(10)移動采集終端

1.操作系統:Android 5.1以上★

2.處理器:不低于1.7GHz主頻,8核處理器

3.內存:不小于2GB RAM內存

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.首次定位時間：不大于25秒

8.SBAS定位精度：1-2米

9.cors定位精度：0.8米★

10.數據更新頻率不低于1HZ

11．通訊制式：4G全網通（移動，聯通，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、環境監測設備

我司專門針對大氣中氣體的監測研發出一款智能型“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；利用我們設計的專用支架可以方便安裝至無人機上，利用無人機的獨特優勢可以實現空中軌跡的氣體監測。同時利用我們的軟件平臺，集成顯示經緯度、高度、飛機狀態、溫度、濕度、PM2.5、PM10、CO、O3、SO2、NO2、VOC等參數的實時監測和三維可視化展示。為三維立體空間的空氣質量分析提供一個有效的監測手段。

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

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：自動讀取實時電壓，智能充放電。

供電時間：在陰雨天氣下，持續工作 7天

3）通訊系統：

數據傳輸：3G/4G

支持運營商：支持聯通、移動、電信4G數據SIM卡

4）設備參數：

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）內置系統：

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.數據：可采用本地存儲或上傳數據

10.尺寸：長×寬×高（2600mm×110mm×90mm）

11.工作環境、濕度：-20-70℃；10～95%RH(非凝結）

2.氣體檢測模塊

●勻速抽取螺旋槳上方氣體進行檢測

●內部有氣室設計、保障氣體全面接觸

●采用進口高精度氣體傳感器

3.環保應用

六、無人機氣體監測荷載特點

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
●實時顯示監測數據，并生成對應的趨勢曲線。
●可查看歷史實時數據，并同時生成曲線分析圖，列表和圖表樣式顯示歷史數據，方便對比查看。
●同時顯示經緯度、高度、飛機狀態、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。
●實時無線傳輸數據到地面端，也可以通過GPRS實時傳輸到服務器。

無人機氣體監測荷載尺寸圖：

（4）建議機型（參考）