基于无人机的区域环境监测物联网系统

杨鼎成 刘伟东 肖霖 陈浩乐 李胤锋

关键词： 无人机; ZigBee; 物联网; GPRS; 环境监测; 数据库

中图分类号： TN92?34                          文献标识码： A                           文章编号： 1004?373X（2019）01?0019?05

Abstract： A regional environment monitoring system based on unmanned aerial vehicle （UVA） is introduced in this paper， which has the characteristics of various functions， easy operation and strong flexibility. This system combining the ZigBee wireless sensor network， GPRS network and UVA flight control can realize the real?time monitoring of the temperature and humidity in the region. The terminal nodes of the temperature and humidity sensor are deployed in the monitoring area. Since the coordinator can only collect the data within the limited region， the UAV carrying coordinator is used to collect the data of the relevant area. The terminal node transmits the collected data to the coordinator in the UVA by means of ZigBee network. The coordinator sends the collected data to the server by means of GPRS network. The server processes the transmitted data， and monitors the regional environment data in real time by means of an easily?operational and multifunctional client.

Keywords： UAV; ZigBee; Internet of Things; GPRS; environment monitoring; database

0  引  言

随着物联网技术与产业的迅猛发展，以物联网相关技术为核心的信息产业作为战略性新兴产业之一也备受关注。此外，对生态环境的监测已经成为社会的热点话题，人们通过对环境的实时监测来了解生态环境的发展规律，从而保证在保护生态环境的条件下经济建设的可持续发展。在传统的区域环境监测中，勘察人员携带温度计、湿度仪等设备进行巡检，对于地势较为复杂的环境一般采用徒步的方式进行定期巡查。随着科学技术的进步和社会经济的发展，一方面，区域环境监测业务范围不断拓宽，区域观测项目和内容等不断增加，这对观测手段和方法以及环境监测技术的研发和应用提出了越来越高的要求;另一方面，现代电子技术、物联网传感技术[1]、通信技术和计算机技术的迅速发展，也促进了环境监测技术的发展，有利于满足社会各部门对环境监测工作越来越高的要求。

本文设计一种基于无人机的物联网环境监测系统。通过智能化监测工具与信息网络[2]实现监测项目自动监测、数据自动采集输出、信息智能收集与上报，并提供可视化监测平台[3?4]，实现监测结果实时统计分析与智能告警。解决了复杂条件下的区域环境监测问题，充分利用现代信息技术的技术积累与优势[5?7]，大大提高了对区域环境实时监测的稳定性及可靠性。

1  方案论证与系统设计

1.1  方案论证

本文所设计系统的目标是实现对区域环境的在线检测与长期监测，对区域的温度、湿度进行实时监测，掌握环境生态的动态变化，并在生态环境失常时向监控中心告警。

由于物联网传感器大规模组网将会影响通信距离和环境适应性，导致维护成本高、功耗大等一系列后果。本文系统采用无人机作为协调器的搭载平台，克服传感器ZigBee网络通信距离限制。无人机是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务，并能重复使用的无人驾驶航空器[8]，无人机遥感技术作为一项空间数据获取的重要手段，具有高时效、高分辨率等性能，是卫星遥感与载人机航空遥感的有力补充[9]，与卫星遥感和载人机航空遥感相比，更加方便、快捷，响应能力快，其生存力强，对气候条件要求低，对地形适应性强，因此搭载协调器的无人机能快速、便捷、高效地对大范围区域内的终端节点进行覆盖式的数据搜集。无人机通常采集自地面或者海平面的数据，可以作为有效、灵活的数据采集者，并且可以很容易地重复数据采集的工作[8，10]。另外，无人机也能很方便地进入地理环境险恶的地区进行数据采集。

考虑到协调器搭载在无人机平台上，收集完数据之后要对其进行直接的数据读取较为繁琐，且不太实际，要做到数据的实时监测，需要协调器能在短时间内将信息数据发送至监控端，因此采用GPRS进行协调器数据的即时发送。我国的GPRS信号覆盖面最广，且具有成本极低、连接速度快、传输过程耗能少等一系列优点[11?12]。在发送传感器数据这些对传输速率要求不高的场景时，GPRS技术成为了实现该功能的首选。协调器利用GPRS网络将数据发送至终端服务器，服务器对数据进行读取，整理后发送至服务器端的监控界面，完成实时监控功能的实现。

1.2  系统模型

系统模型如图1所示，系统主要功能分为环境监测信息采集功能与可视化监控功能。

环境监测信息采集功能包括：

1） 对于简单的环境指标，如温度、湿度等，采用多种传感器采集相应的信息。

2） 环境监测节点具备自组织自由化无线通信能力，采集到的信息将汇聚到物联网网关节点，各个物联网网关节点通过GPRS网络汇集到平台中心服务器。

3） 无人机飞控环节，利用无人机GPS导航，根据传感器节点的地理位置信息，采用优化航路，在最短路径上获取传感器节点信息，节省能耗。

可视化监控功能包括：

1） 信息查询与输出：实现监测数据的自动提取和交互查询，具备数据统计等值线生成等功能。

2） 数据分析：利用数据挖掘方法，实现海量数据分析，分析数据变化趋势等，从中获得有益的数据与结论。

3） 自动预警功能：根据相关环境参数设定阈值，并结合数据分析实现自动化预警功能，可以为防洪防旱、环境保护提供更多准备时间。

4） 远程操作功能：通过控制系统实现远程设备重启、复位等工作，此外，支持远程服务器在线监控功能。

2  硬件电路

本文设计硬件电路采用3种类型电路板，分别为温湿度采集板、节点模块板和GPRS模块板。温湿度采集板与节点模块板之间采用的是3针单排引脚插入连接，节点模块版与GPRS模块板之间采用的是杜邦线连接。

2.1  温湿度采集板

温湿度采集板包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。温湿度采集板电路图如图2所示。

2.2  节点模块板

节点模块板由底板和顶板两部分组成。其中，底板主要集成了以下几个部分。温湿度传感器接口部分用于连接温湿度采集板;USB口部分可以给开发板供电，且具有USB转串口功能，用于调试程序;电池接口通过电池盒给模块板供电;DEBUG调试口用于在线调试程序或者下载程序。电路图如图3所示。

顶板（射频板）采用TI公司的CC2530作为处理核心。CC2530使用的是8051CPU一个单周期的兼容内核，具有高达256 KB的闪存和20 KB的擦出周期、8 KB RAM，以支持无线更新和大型应用程序并用于更为复杂的应用和ZigBee应用。顶板还集成了时钟、电源管理相关模块和无线信号收发相关模块。

GPRS模块的核心采用的是SIM800A模块，能支持的工作频段为EGSM 900和DCS 1800。支持GPRS multi?slot class 12和GPRS编码格式CS?1，CS?2，CS?3和CS?4。该模块主要集成了外置电源接口、3 V单片机接口、SIM卡接口，并采用CH340G的USB转串口芯片，便于通过USB直接调试。电路图分别如图4，图5所示。

3  软件流程设计

3.1  軟件流程设计综述

本文系统的节点模块和客户端的编写环境为Windows，节点模块的编程语言是C语言，编写工具采用IAR Embedded Workbench;客户端的编程语言是C++语言，编写工具采用Qt Creator。

节点模块软件主要基于ZigBee 2007的协议栈Z?Stack?CC2530?2.3.0进行编写，该协议分为两部分：IEEE 802.15.4定义了物理层和介质访问层技术规范;ZigBee联盟定义了网络层、应用程序支持子层、应用层技术规范。本文系统主要在应用层对软件进行设计。

监控界面通过TCP接收拓扑信息数据并解析，并根据拓扑信息画出直观拓扑图，该拓扑图要能根据收到的拓扑信息动态刷新改变。当收到节点异常信息时，能够报警提示监控人员，同时也可查看各节点历史信息，用图表方式显示，还可实时观察温湿度变化曲线。

3.2  软件工作流程图

3.2.1  节点模块软件流程图

节点模块部分主要分为协调器部分、终端节点部分和温湿度传感器三个部分。这三部分的结构如图6所示。

3.2.2  监控界面软件流程图

1） 总体结构。该软件系统结构主要包括节点拓扑图的动态显示模块、节点历史信息查询模块、节点当前信息曲线图动态显示模块，如图7所示。

2） 拓扑图（Topology）模块。该模块包括：接收数据，通过TCP连接GPRS发送过来的ZigBee节点信息的数据帧;解析数据，用于拆分接收的数据包并根据接收数据父节点与节点网络信息计算网络阶数及每阶节点数，方便后面画图，动态显示节点拓扑，解析后的数据还要存到数据库里，用于后面节点历史信息查询使用;画图，根据解析出来的结果画出拓扑图，用不同颜色表示不同节点（协调器、路由器、终端），根据解析网络信息将节点连接起来。在拓扑图模块还实现了接收异常数据报警功能，通过解析数据发现异常数据节点采用节点颜色周期变化达到闪烁效果来提醒监测人员。该模块流程图如图8所示。

3） 信息查询显示（display）模块。该模块包括时间段选择部分和信息显示部分，选择某个时间段并点击拓扑图中的某个节点，即可显示出该节点的历史信息，该信息通过查询数据库获取。该模块流程图如图9所示。

4  系统测试

测试实物图如图10所示。配备温湿度传感器的终端节点分布在300 m2左右的复杂环境中，无人机搭载协调器模块按预先规划的路线在区域上空巡航，巡航高度为8 m，飞行速度为20 km/h，服务器端从服务器获取无人机所收集到的数据，在监控界面即时显示出各个终端节点的工作状态及其所收集的数据。在无人机飞过相应节点时，监控界面能在允许延迟范围内显示数据，即表示试验成功，界面如图11所示。

在测试监控报警功能时，令终端环境符合报警条件，此时监控界面发出警报，表示结果有效，报警功能正常，此时报警界面如图12所示，监测界面的异常节点变红，发出警报。

5  结  语

区域环境监测是具有迫切现实意义的常用技术，现存检测方法多种多样。随着技术的发展，检测设备逐渐朝着小型化、多功能化发展。本文设计的区域环境检测系统基于物联网ZigBee技术，综合GPRS云端数据传输的思路和无人机搭载协调器模块进行数据收集的实施方法，监测过程中，利用终端节点的传感器模块对周边环境温湿度进行采集，然后对所得数据进行处理发送至无人机搭载的协调器模块，无人机得到数据后，使用GPRS模块将信息发送至云端服务器，监控终端对数据进行整理，并将结果显示在监控系统界面上。该系统具有功能多样、操作简单、拓展性强等特点，可实现环境温湿度检测、数据存储、突变检测、远程告警、终端输出等功能，满足实际使用需求。

注：本文通訊作者为杨鼎成。

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