基于無人機的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)

趙 亮，胡張兵，黃 晶，吳 豹，張巧云

（滁州學院 計算機與信息工程學院，安徽 滁州 239000）

0 引 言

基于無人機的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)，是將當前新興的傳感器和RFID無線射頻技術融入到無人機行業(yè)而誕生的產(chǎn)物?；跓o人機的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)并非第一個與傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)不同的概念。早在前幾年，機器人、汽車行業(yè)就使用了相關傳感器技術，而最近相關公司提出的無人機大氣監(jiān)測系統(tǒng)和無人機農(nóng)田檢測系統(tǒng)均為相關概念[1]。隨著科技的飛速發(fā)展和相關產(chǎn)業(yè)的爆炸型增長，以及人們生活水平的提高，人們對環(huán)境的重視度越來越高，而這種新型的基于無人機的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)可以彌補人工在環(huán)境監(jiān)測方面時效性和準確性的不足，同時數(shù)據(jù)采集的準確度和實時性也得到了大幅提高，所以利用無人機技術監(jiān)測環(huán)境成為了未來發(fā)展的必然趨勢[2]。

在物聯(lián)網(wǎng)應用中，無人機可運用于無線圖像采集系統(tǒng)、農(nóng)田信息采集系統(tǒng)、交通監(jiān)控系統(tǒng)、紅外監(jiān)控系統(tǒng)等[3]。當前基于物聯(lián)網(wǎng)的安防監(jiān)控系統(tǒng)以圖像監(jiān)視為手段，對現(xiàn)場圖像進行實時監(jiān)視與錄像[4]，視頻監(jiān)控系統(tǒng)方便安保人員直觀掌握現(xiàn)場情況，并通過錄像回放對事件進行分析和取證。但該系統(tǒng)需要在廣闊的區(qū)域（例如機場、農(nóng)田等）部署大量的攝像頭，以防出現(xiàn)監(jiān)控死角，而采用無人機進行監(jiān)測可將攝像頭和各類傳感器（紅外傳感器、門磁傳感器）相結合，形成無線監(jiān)控網(wǎng)絡[5]，大大節(jié)約了成本。

本方案擬采用的四旋翼無人機能夠通過不同的傳感器來獲取數(shù)據(jù)信息[6]，不僅大幅降低了硬件成本，而且更有利于傳感器維護；使用機載微型攝像機不僅能夠充當輔助導航設備，獲取地面圖像，進行分析、解算、校正，甚至還可改變其飛行路線，實現(xiàn)無人機自主飛行，并將拍攝的畫面實時傳送給管理者。

1 系統(tǒng)整體設計

基于無人機的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)可以分為硬件設置和系統(tǒng)功能兩個模塊。硬件設置可分為飛行控制模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，串口選擇模塊和波特率設置模塊；系統(tǒng)功能模塊可分為數(shù)據(jù)分析模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊以及路徑規(guī)劃模塊。系統(tǒng)功能如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能圖

1.1 需求分析

當前對環(huán)境數(shù)據(jù)的采集多采用傳統(tǒng)方式，但這種方式在對某一區(qū)域進行監(jiān)測時，需要在被監(jiān)測區(qū)域的周圍布置大量傳感器節(jié)點以構成監(jiān)控網(wǎng)絡，大幅增加了成本，同時這些由大量傳感器節(jié)點構成的監(jiān)控網(wǎng)絡目前還無法實現(xiàn)全覆蓋，且性能不夠穩(wěn)定，常需要校正，長期暴露在自然環(huán)境中，壽命短，維護成本高。這些都是制約如今環(huán)境監(jiān)測發(fā)展的重要因素，為使環(huán)境數(shù)據(jù)采集更精確、高效，文中提出了基于無人機的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)。

為了最大程度采集準確的數(shù)據(jù)，監(jiān)測系統(tǒng)多以無人機采集數(shù)據(jù)與PC端的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)為基礎，能夠?qū)崟r、有效、快速地傳輸、保存數(shù)據(jù)信息，并能夠?qū)邮盏降男畔⑦M行有效處理與分析，然后向工作人員反饋結果并給予一定的建議。在這個基礎上，可以添加深度學習模塊，方便在處理應急事件時能夠以最快的速度做好預防工作并通知相關單位的應急處理人員。

1.2 整體方案設計

本設計使用無線傳感網(wǎng)技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸，該系統(tǒng)將ZigBee技術，C#與數(shù)據(jù)庫結合，通過各傳感器采集環(huán)境中的數(shù)據(jù)信息，之后數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)將獲取的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，并對數(shù)據(jù)進行有效處理與進一步分析，在深度學習系統(tǒng)中產(chǎn)生下一步預備方案，使整個監(jiān)測系統(tǒng)更加智能化、人性化，方便用戶實時了解環(huán)境信息。

圖2所示為系統(tǒng)的整體架構?；跓o人機的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和自主飛行系統(tǒng)等組成。傳感器放置于無人機上，主要負責數(shù)據(jù)采集，并通過無線傳輸模塊將采集到的數(shù)據(jù)反饋到數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中。無人機可根據(jù)規(guī)劃好的路線自主飛行，無需手動操控。信息采集完成后會根據(jù)規(guī)劃的路線返回，以更加準確地采集環(huán)境中的信息。

圖2 系統(tǒng)整體架構圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 無人機技術

無人駕駛飛機簡稱“無人機”（UAV），是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機，或者由車載計算機完全或間歇地自主操作。其飛行狀態(tài)、路線可控制，同時還可在大氣層中航行。近年來，隨著微小傳感器、嵌入式微處理器、新型控制理論等的發(fā)展，一些世界軍事強國在發(fā)展作戰(zhàn)無人機和大型長航時無人機的同時，也在集中科研力量發(fā)展微小型無人機，許多科研機構在持續(xù)不斷地研制無人機小型化，甚至微型化技術。通過搭載不同的設備，微小型無人機可執(zhí)行通信中繼、實施干擾、偵查監(jiān)視、對地攻擊、目標定位、損傷評估等軍事任務，同時在氣象探測、航空攝像、勘探測繪、核輻射探測、抗災搶險、交通監(jiān)控等民用領域也有廣闊的市場前景。

本設計所開發(fā)的基于無人機的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)主要組成部分包括STM32主控芯片、無刷電機、電調(diào)、三軸加速度陀螺儀、螺旋槳、簡易機架、PCB電路板、阻容元件、USB攝像頭、嵌入式硬件設備、各類傳感器（振動傳感器，紅外傳感器，壓力傳感器等）、通信模塊、PC機終端。系統(tǒng)的整體設計思路如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)整體設計思路

基于無人機的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分主要由自主研發(fā)的四旋翼飛行器、機載智能航拍攝像頭、無線傳輸設備、圖像采集卡、圖像處理計算機和監(jiān)控計算機組成。

無人機飛行控制系統(tǒng)接收機輸入裝置接收給定軌跡命令并傳輸至飛行控制裝置；定位裝置獲取無人機的地理位置并將其發(fā)送至飛行控制裝置；傳感器裝置采集無人機的飛行參數(shù)并發(fā)送至飛行控制裝置。

飛行控制裝置輸出電機控制信號至電調(diào)電機裝置，控制電調(diào)電機裝置調(diào)整無人機的飛行參數(shù)，實現(xiàn)對無人機位置和姿態(tài)的控制。

操作人員只需發(fā)送軌跡命令至接收機輸入裝置即可，無需實時觀察無人機當前位置。飛行控制裝置根據(jù)獲取的信息控制電調(diào)電機裝置調(diào)整無人機的飛行參數(shù)，可實時對無人機的位置和姿態(tài)進行調(diào)整，提高了控制精度。

2.2 傳感器技術

傳感器網(wǎng)絡是由許多在空間上分布的自動裝置組成的一種計算機網(wǎng)絡。這些裝置使用傳感器協(xié)作監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況（溫度、聲音、振動、壓力、運動或污染物）。無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展最初起源于戰(zhàn)場監(jiān)測等軍事應用，而現(xiàn)今無線傳感器網(wǎng)絡被應用于很多民用領域，如環(huán)境與生態(tài)監(jiān)測、健康監(jiān)護、家庭自動化以及交通控制等。并且無線傳感器網(wǎng)絡是由大量密集部署在監(jiān)控區(qū)域的智能傳感器節(jié)點構成的一種網(wǎng)絡應用系統(tǒng)，能實時監(jiān)測、感知和采集節(jié)點部署區(qū)觀察者感興趣的感知對象的各種信息（光強、溫度、濕度、pH值和有害氣體濃度等），將其處理后通過無線網(wǎng)絡發(fā)送給觀察者。

機載傳感器系統(tǒng)是四旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)的重要組成部分，它為機載控制系統(tǒng)提供可靠的飛行狀態(tài)信息，是實現(xiàn)四旋翼無人機自主飛行的重要設備。實現(xiàn)步驟如下：

（1）對ARM嵌入式控制器的功能進行二次開發(fā)，構建一個功能完善的機載控制器硬件平臺；

（2）建立OE交叉編譯環(huán)境，將控制程序的源代碼經(jīng)交叉編譯后移植入ARM嵌入式系統(tǒng)運行；

（3）采集和處理機載傳感器系統(tǒng)（微型姿態(tài)航向參考系統(tǒng)和聲納傳感器）的測量數(shù)據(jù)；

（4）分析微型姿態(tài)航向參考系統(tǒng)在指定工作模式下輸出的消息結構，建立Linux下基于串口異步通信的數(shù)據(jù)傳輸機制，實現(xiàn)四旋翼無人機飛行姿態(tài)和位置信號的采集與處理；

（5）基于I2C通信原理，通過Linux下的C++編程，獲取聲納傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)處理得到四旋翼無人機低空飛行的高度信息；

（6）基于UDP網(wǎng)絡傳輸協(xié)議編寫服務器（四旋翼無人機）和客戶端（地面監(jiān)控系統(tǒng)）的數(shù)據(jù)通信程序，實現(xiàn)四旋翼無人機飛行數(shù)據(jù)的無線傳輸與存儲。

作為發(fā)送端的樹莓派將拍攝到的圖像傳送到接收端，經(jīng)處理后傳送到后臺并反饋。

根據(jù)預先測繪的航線與設定的飛行參數(shù)，讓無人機實現(xiàn)一鍵起飛，并按照預定航線飛行和降落，內(nèi)置高精度GPS，支持不規(guī)則區(qū)域邊界的快速測繪。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 開發(fā)環(huán)境及開發(fā)語言介紹

本設計的系統(tǒng)界面開發(fā)使用名為Microsoft Visual Studio 2010 C#的開發(fā)軟件。Visual Studio 2010是微軟公司推出的C#開發(fā)環(huán)境，也是目前最流行的Windows平臺應用程序開發(fā)環(huán)境。Visual Studio 2010是一個比較簡單的界面設計軟件開發(fā)工具，其主要功能是將面向?qū)ο蟮恼Z言轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦驒C器的語言，界面設計可視化，操作簡單靈活，目前分為專業(yè)版、高級版、旗艦版、學習版和測試版共五個版本。

3.2 登錄注冊界面設計

登錄注冊界面功能包括用戶登錄和新用戶注冊，并添加了記住密碼和自動登錄功能。新用戶可直接注冊，輸入手機號和密碼，注冊成功后輸入用戶名和密碼即可登錄，也可選擇記住密碼并自動登錄。登錄注冊界面如圖4所示。

3.3 數(shù)據(jù)管理設計

數(shù)據(jù)管理的主要功能包括查詢、刪除、更新、添加等。主界面用以顯示采集到的數(shù)據(jù)（二氧化碳、氮氣、PM2.5等），并以曲線圖的形式呈現(xiàn)在頁面中。在數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時會標記并分析異常出現(xiàn)的原因，當下次出現(xiàn)類似情況時，可利用深度學習自動處理。

圖4 登錄注冊界面

4 結 語

無人機因其作業(yè)周期短，效率高等優(yōu)勢，將在物聯(lián)網(wǎng)中扮演重要的角色。本文詳細介紹了一款基于無人機的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，經(jīng)過一段時間的運行調(diào)試，目前系統(tǒng)各功能已基本實現(xiàn)，同時還可根據(jù)不同地區(qū)的情況，實時有效地采集各類信息，掌握精準數(shù)據(jù)。無人機實物如圖5所示。從長遠來看，這種方案在未來物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中將會被廣泛使用，在降低成本的同時，提高采集信息的靈活性及數(shù)據(jù)的準確性。

圖5 實物圖