小型水質(zhì)參數(shù)遠程控制監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

許寒梅 盧孟常

摘? 要：對水環(huán)境遠程在線控制監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計、傳感器原理、選擇以及傳感器清洗機構(gòu)等進行了詳細說明，并在此基礎(chǔ)上提出一種基于NB-IoT的小型水環(huán)境遠程在線控制監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，系統(tǒng)采用STM32作為主控單元，水質(zhì)傳感器采用485接口與主控單元通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采樣和讀取，結(jié)果顯示在12864LCD顯示屏上，檢測到的水質(zhì)參數(shù)通過NB-IoT模組遠程傳輸?shù)缴衔粰C，在上位機可實時查看水質(zhì)參數(shù)的更新數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)在對水環(huán)境監(jiān)測處理工作的改進上具有一定的推廣價值和參考意義。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)參數(shù)；遠程控制監(jiān)測；清洗機構(gòu)

中圖分類號：TP212.9；X84? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）10-0050-05

Abstract： The overall design， sensor principle， selection， and sensor cleaning mechanism of the water environment remote online control and monitoring system are described in detail. On this basis， a design scheme of a small water environment remote online control and monitoring system based on NB-IoT is proposed. The system uses STM32 as the main control unit， and the water quality sensor uses 485 interface to communicate with the main control unit to achieve data sampling and reading. The results are displayed on the 12864LCD display screen， and the detected water quality parameters are remotely transmitted to the host computer through the NB-IoT module， where the updated data of the water quality parameters can be viewed in real time. The system has certain promotion value and reference significance in improving the water environment monitoring and treatment work.

Keywords： water quality parameter; remote control and monitoring; cleaning mechanism

0? 引? 言

水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)是許多國家水質(zhì)監(jiān)測中廣泛應(yīng)用的技術(shù)，我國水質(zhì)自動監(jiān)測站的建設(shè)也取得了長足的發(fā)展。我國的水質(zhì)遠程在線監(jiān)測技術(shù)起步較晚，以往主要依靠進口，目前較為成熟的國產(chǎn)化設(shè)備在全國范圍內(nèi)得到大規(guī)模的推廣，但是一般的大型水質(zhì)遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)因資金投入大，難以覆蓋到各級鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村一級的基層區(qū)域。隨著我國鄉(xiāng)村建設(shè)規(guī)劃的逐步深入，鄉(xiāng)鎮(zhèn)一級生活污水設(shè)施設(shè)備的建設(shè)將逐漸趨于完善，由于鄉(xiāng)鎮(zhèn)一級區(qū)域?qū)τ谒吹墓芾聿⒉煌陚?，一般不會設(shè)置專業(yè)的水處理管理人員進行日常的維護、監(jiān)測和應(yīng)急處理，多采用兼職人員，專業(yè)水平不足，監(jiān)測及處理應(yīng)急問題成為擺在我們面前的一項新的課題。研究一種投入少且適用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)一級水質(zhì)遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)迫在眉睫。

為滿足現(xiàn)實需求，本文研究設(shè)計一套對生活污水處理站進行遠程控制以及對處理后水質(zhì)的pH酸堿度、濁度等五項參數(shù)進行遠程在線數(shù)據(jù)采集、分析、監(jiān)測的系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)和無線通信技術(shù)相結(jié)合的方式，通過水質(zhì)傳感器采集模塊對水質(zhì)采集點進行數(shù)據(jù)采集，采用基于NB-IOT模塊的無線數(shù)據(jù)通信模塊將監(jiān)測單元采集的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控上位機，用戶可通過上位機軟件實時遠程監(jiān)控水質(zhì)參數(shù)，實現(xiàn)對水質(zhì)參數(shù)的遠程實時檢測、分析、預(yù)警以及對傳感器的清洗等功能，同時實現(xiàn)了對水處理設(shè)備的啟?？刂?。本文分別從系統(tǒng)整體設(shè)計方案、傳感器工作原理及選取，以及傳感器清洗裝置設(shè)計方案幾個方面進行闡述。

1? 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

本系統(tǒng)的整體設(shè)計框圖如圖1所示，其完成的功能主要有：完成水濁度、pH酸堿度、余氯、溶解氧和氨氮五參數(shù)的水質(zhì)檢測并顯示在LCD屏上；完成以一定時間間隔抽取采集溶液泵入和排出儲液容器動作；完成水質(zhì)傳感器探頭的定時清洗；完成水質(zhì)凈化設(shè)備的遠程啟?？刂坪鸵曨l監(jiān)控；完成水質(zhì)參數(shù)手機APP端的遠程顯示、數(shù)據(jù)分析及啟停控制。

本系統(tǒng)的主控單元為STM32，傳感器與主控單元間的通信采用485接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采樣和讀取，顯示在12864LCD顯示屏上，通過NB-IoT模組遠程傳輸?shù)缴衔粰C的APP端，APP端可實時查看水質(zhì)參數(shù)的更新數(shù)據(jù)。NB-IoT模組的數(shù)據(jù)傳輸采用中國移動公司自行開發(fā)的云平臺實現(xiàn)，其優(yōu)點是開發(fā)者可以免費使用，解決了開發(fā)者因費用高昂而無法單獨搭建數(shù)據(jù)平臺的問題。NB-IoT遠程傳輸技術(shù)近些年來廣泛應(yīng)用在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠程通信中，具有成本低、功耗低、安全性高和覆蓋面廣等諸多優(yōu)點。NB-IoT技術(shù)基于三大運營商現(xiàn)有的4G移動蜂窩網(wǎng)平臺，在移動網(wǎng)絡(luò)能覆蓋的地域均能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速有效傳輸，這也是本設(shè)計方案選擇該技術(shù)的主要原因之一。為過濾掉水源中的泥沙、雜草等雜質(zhì)，保證取樣水源的純凈度和保護傳感器，本系統(tǒng)采用微型水泵定時抽取待測水樣送入固定儲液容器中，待測定完畢后由電磁閥將水排出，隨即補充新的水樣進入下一個待測周期。除完成水質(zhì)參數(shù)的現(xiàn)場、遠程監(jiān)測外，本系統(tǒng)還可實現(xiàn)GPS定位和傳感器探頭的自動清洗功能，定期對傳感器進行清洗，避免水中雜質(zhì)、污染物附著在傳感器頂部造成測量精度變低和壽命縮短。

2? 水質(zhì)傳感器檢測原理及選型

水質(zhì)傳感器是本系統(tǒng)的核心部件?？梢哉f，水質(zhì)傳感器的選型和質(zhì)量直接影響數(shù)據(jù)采集的準確性和有效性。影響水質(zhì)的參數(shù)多而復(fù)雜，但pH酸堿度、濁度、溶解氧、余氯、電導(dǎo)率等是主要影響參數(shù)，本文選擇研究所涉及的濁度、pH酸堿度、溶解氧、余氯、氨氮五個參數(shù)進行了分析與檢測原理的介紹。

2.1? 濁度及濁度傳感器

2.1.1? 水濁度參數(shù)選擇

濁度，即水的渾濁度。濁度是衡量液體清澈度的指標，以指示懸浮顆粒的存在情況。其表現(xiàn)為肉眼可見，可通過濁度測量方法進行計算。高渾濁的液體渾濁不清，低渾濁的液體則是清澈透明的。渾濁度是水體水質(zhì)健康指標的一項最基本的物理性狀指標，比如天然水渾濁度高的話，主要是因為水中有黏土，還有微生物、懸浮物等，病原體可以靠這些懸浮物生存并以這些懸浮物為食，吸附大量的細菌，滋生許多病原體，導(dǎo)致腸道疾病和水傳播疾病的爆發(fā)。所以說水體的渾濁度情況對于水體的水質(zhì)安全還是極其重要的，濁度就是其中最具有代表性的檢測項目，其實作為水的光學(xué)特性，濁度是比較難測量的參數(shù)之一。我們的國標GB 5749—2006推薦水體中的安全指標是1NTU，當(dāng)我們的水源和環(huán)境條件受限的時候，我們推薦的安全指標是3NTU。除此之外，很多供水單位對于濁度都有自己的內(nèi)控標準，因各供水單位的實際運行情況不同，具體的內(nèi)控標準也有所不同。本文研究的是生活污水處理后需要排放水源區(qū)的水，因此我們要求其濁度控制在3NTU范圍之內(nèi)。

2.1.2? 濁度傳感器檢測原理

基于以上原因，想要得到準確的濁度就必須借助專業(yè)的水質(zhì)檢測傳感器，而不是依靠視覺的主觀測量。其中較為常見的方法是測量90°散射光。

本項目采用的傳感器也是90°散射光，因為是處理過的水，渾濁度比較低，與光源呈90°角的接收器用于檢測散射光，這種布置方式適用于較低濁度的測量，從傳感器光源組件發(fā)出的紅外激光，遇到被測水體中的懸浮顆粒時會產(chǎn)生散射光。浸入水中的光電傳感器接收元件能夠?qū)崟r檢測到與入射光束呈90°角的散射光，以此轉(zhuǎn)換對應(yīng)濁度數(shù)值。散射光的強度越大，表示水體的渾濁度越高。若水體濁度較高則需要使用測量135°背向散射光的傳感器，濁度高的液體含有大量顆粒物，大部分光線沿135°角方向散射，進而測出水體當(dāng)前的濁度數(shù)值。

由此可見，90°和135°兩個角度的散射光強度能夠反映水體濁度的大小，帶有4個接收器的傳感器因能測量90°和135°散射光而具有更大的測量范圍。本文測量的是處理后的生活飲用水排放標準，選用90°散射光即可，原理如圖2所示。

2.2? pH酸堿度及pH傳感器

2.2.1? 水pH酸堿度參數(shù)選擇

水體的堿度是指水中所含物質(zhì)（如碳酸鹽、鉀、鈣、鈉、鎂等多種礦物質(zhì)），能接受H+離子，并能與強酸進行中和反應(yīng)的物質(zhì)總量。水體的酸度是指水體中能提供H+離子，并能與強堿進行中和反應(yīng)的物質(zhì)總量。水體的pH酸堿度即水體的酸堿度，它的數(shù)值大小介于0～14之間。當(dāng)pH＞7時，水體呈現(xiàn)堿性；當(dāng)pH＜7時，水體呈現(xiàn)酸性；當(dāng)pH=7時，水體呈現(xiàn)中性。pH是水質(zhì)的重要檢測指標之一，pH酸堿度可以反映水環(huán)境的酸堿度、污水處理后的凈化程度和天然鉀、鈣、鈉、鎂、偏硅酸等多種礦物質(zhì)含量。

對人體健康有益的水是弱堿性水，所以無論南北，自來水的pH酸堿度基本上都會在7.2～8.8之間。一般城市自來水的pH酸堿度在7左右，自然水體大多數(shù)偏酸在6～6.5之間。當(dāng)pH酸堿度升高（偏堿）時，水中的化學(xué)物質(zhì)也會發(fā)生相應(yīng)的改變，最為危險的是中性水中無毒的氨離子（NH4+）會轉(zhuǎn)化為致命的氨分子。pH酸堿度可以直觀反映水中是否含有天然礦物質(zhì)。水的pH酸堿度與水中溶解的礦物質(zhì)有關(guān)，若pH酸堿度偏高，水的口感會微甜，呈爽滑感。若pH酸堿度低于7，水的口感會更加爽口清新，一般飲用水的pH酸堿度應(yīng)不小于6.5且不大于8.5。

2.2.2? pH酸堿度傳感器檢測原理

本項目使用的是pH恒電壓型傳感器電極，雖然pH試紙法簡單粗略，用起來方便，但是它不便于定量分析和遠程實時監(jiān)控，也不夠精準。相對來說，電位法測量pH酸堿度會更加準確、快速，它受水體其他因素的干擾較少。

pH酸堿度的電位測定法是根據(jù)玻璃電極或非玻璃電極的電位差進行測定的一種方法，它的測量原理是：原電池系統(tǒng)使化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，用對H+敏感的玻璃電極同參比電極組成原電池，玻璃電極主要由一個玻璃泡組成，它的下半部分是對H+敏感的玻璃薄膜，在玻璃膜與被測水體中H+進行離子交換，玻璃電極與參比電極之間形成電位差，通過測量兩個電極之間的電位差，就能檢測到水質(zhì)中的H+濃度，從而測得被測水體的pH酸堿度。在相同的溫度下玻璃電極的膜電位與水體的pH成正比，原理如圖3所示。

2.3? 余氯及余氯傳感器

2.3.1? 余氯參數(shù)選擇

為確保經(jīng)過處理的生活污水達到排放要求，避免水體傳染病的發(fā)生，生活污水處理過程中必須添加消毒劑，殺滅水體中的致病微生物。綜合考慮氯氣的性價比較高，我國水處理行業(yè)中廣泛采用氯氣作為消毒劑。由于排放水源區(qū)處理后的水要達到飲用水標準，我們按照飲用水的標準進行監(jiān)測，根據(jù)國家生活飲用水衛(wèi)生標準，生活飲用水中余氯的含量必須大于等于0.3毫克每升，小于4毫克每升。如果加氯過少，會導(dǎo)致消毒效果不佳，微生物繁殖，如果加氯過多，則會導(dǎo)致管道腐蝕，消毒副產(chǎn)物增多，水體發(fā)生惡臭。在凈化水的過程中，一些因素會影響加氯的效果：1）接觸的時間，與水接觸的時間必須大于等于30分鐘，才能保證消毒效果。

2）投氯量。3）水溫，水中的溫度過低會導(dǎo)致檢測的結(jié)果偏低。4）水的渾濁度。5）水中氨氮物質(zhì)的含量。6）水體的pH酸堿度。因此，余氯是水質(zhì)的一個重要指標，我們必須對它進行嚴格監(jiān)測，保護水源區(qū)水質(zhì)的安全。

2.3.2? 余氯傳感器檢測原理

本文中系統(tǒng)采用的是余氯恒電壓型傳感器，它的原理是三電極法，測量原理圖如圖4所示。包含兩個鉑電極（CE、WE）和一個參比電極（RE），圖4中的三個電極組成一個微電池測量系統(tǒng)，電極測量端（WE）保持一個穩(wěn)定的電壓，氯含量不同的被測水體在該電壓下產(chǎn)生不同的電流強度，系統(tǒng)中的傳感器具有良好的線性度，流經(jīng)測量電極水樣中的余氯會不斷地被消耗掉，因此測量過程中必須保持水樣連續(xù)不斷流經(jīng)測量電極，在流動的水域中監(jiān)測余氯情況。本文余氯傳感器具有穩(wěn)定的零點性能，不容易發(fā)生零點漂移，所以系統(tǒng)誤差小，能夠得到精準的測量結(jié)果，并且它的結(jié)構(gòu)簡單，易于清潔，適于對水體中余氯、二氧化氯等含氯物質(zhì)的檢測。

2.4? 溶解氧及溶解氧傳感器

2.4.1? 溶解氧參數(shù)選擇

溶解于每升水中分子態(tài)氧的毫克數(shù)稱為溶解氧，記作DO。水中溶解氧的含量受多種因素的影響，與空氣中的氧分壓、水溫、水質(zhì)等均有密切關(guān)系。其中水溫是主要的因素，因此在測量水中溶解氧的同時一般也要測量水溫，水中溶解氧的含量與水溫成反比。溶解氧的含量還與水質(zhì)有很大關(guān)系，例如當(dāng)水體受到有機物污染后，喜氧菌生物降解一些有機化合物的過程中會消耗大量水中的溶解氧，甚至?xí)阉械娜芙庋跸拇M，如果溶解氧得不到及時的補充，大量厭氧菌類就會迅速繁殖，污染水體。當(dāng)水體污染不嚴重時，水體會自行補充氧自凈使水質(zhì)恢復(fù)如初，水體污染嚴重時，水體的自凈能力變?nèi)?，甚至?xí)プ詢裟芰ΑＲ虼?，溶解氧的含量是反映水質(zhì)好壞的一個重要指標，我們必須對它進行嚴格監(jiān)測，保護水源區(qū)水質(zhì)的安全。

2.4.2? 溶解氧傳感器檢測原理

作為一種實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，熒光法溶解氧傳感器能滿足需求，這種監(jiān)測方法具有光化學(xué)穩(wěn)定性、重現(xiàn)性，無須標定，響應(yīng)快，精度高，對流量沒有要求，使用壽命長等優(yōu)勢，能實現(xiàn)對水體中溶解氧的實時在線監(jiān)測。它采用創(chuàng)新的熒光法替代傳統(tǒng)的膜式電極，因此它無需更換，無電解液，免維護，無氧氣消耗，沒有流速和攪動要求，減少了儀器維護工作量，提高了測量參數(shù)的可靠性。《水質(zhì)溶解氧的測定化學(xué)熒光法》自2021年3月31日起實施，它規(guī)定了測定水中溶解氧的化學(xué)熒光法。本標準適用于對本文中生活污水經(jīng)過處理后水體中溶解氧的測定。

熒光法溶解氧的檢測原理是熒光猝熄原理，如圖5所示，當(dāng)藍光照射到測量薄片的熒光物質(zhì)上時，薄片上的熒光物質(zhì)受到藍光的激發(fā)并發(fā)出紅光，水體中的氧分子可以帶走能量（猝熄效應(yīng)），受藍光激發(fā)所產(chǎn)生紅光的發(fā)光時間和光照強度都與氧分子的濃度成反比。通過測量激發(fā)紅光與參比光的相位之差，并與內(nèi)部標定值進行對比，最終可計算出氧分子的濃度。

2.5? 氨氮及氨氮傳感器

2.5.1? 氨氮參數(shù)選擇

氨氮是指水體中游離氨（NH3）和銨離子（NH4+）的存在，水體中氨氮的來源主要有兩種方式：自然過程、人類活動過程。自然過程有降水降塵及非市區(qū)徑流所含氮、生物固氮等。人類活動過程包括：1）未經(jīng)處理或處理過的城市、鄉(xiāng)村生活污水。2）工業(yè)生產(chǎn)廢水、各種浸濾液和地表徑流等。

3）化學(xué)肥料是水體中氮營養(yǎng)元素的主要來源。氨氮在水環(huán)境中硝化作用的產(chǎn)物有兩種形態(tài)：硝酸鹽和亞硝酸鹽，它們作為水體污染物對飲用水有很大的危害，會產(chǎn)生致癌的亞硝胺，長期飲用會影響身體健康，誘發(fā)高鐵血紅蛋白癥，游離態(tài)氨對水源區(qū)水體也會形成很大污染，造成水體富營養(yǎng)化，使水源區(qū)的魚類中毒死亡。本文中生活污水的排放必然會帶來大量的氨氮，在排放之前需要對其進行實時在線監(jiān)測。

2.5.2? 氨氮傳感器檢測原理

檢測氨氮的方法有很多，但是本文要做到實時在線遠程監(jiān)測氨氮，只有選用電極法測量—氨氣敏電極。

氨氣敏電極由復(fù)合電極組成，指示電極為測量pH的玻璃電極，參比電極為銀-氯化銀電極。復(fù)合電極對置于盛有

0.1 mol/V氯化銨內(nèi)充液塑料套管中，測量端緊貼指示電極敏感膜處有疏水半滲透薄膜會使得電解液與外部測量水體隔開，半透膜與指示電極—pH玻璃電極間有一層很薄的膜。當(dāng)水體中存在強堿溶液將pH酸堿度提高到11以上時，銨鹽會轉(zhuǎn)化為氨，氨在擴散作用下會通過半透膜（半透膜用于阻擋水和其他離子通過），引起氯化銨電解質(zhì)內(nèi)NH4+=NH3+H+反應(yīng)，引起氫離子濃度改變，借此由pH電極測得其變化。通過測得的電位值來確定樣品中氨氮的含量，原理圖如圖6所示。

3? 傳感器清洗裝置設(shè)計方案

本文中監(jiān)測的對象為生活污水凈化后的水體，雖然待監(jiān)測水體已得到凈化設(shè)備的相應(yīng)處理，但囿于鄉(xiāng)鎮(zhèn)一級的設(shè)備投入少，凈化效果有限，且缺乏專業(yè)的管理人員，凈化后的水仍會存在一定的泥沙、污物等，傳感器長時間浸泡于水體中極易使電極表面附著污漬，影響數(shù)據(jù)采集精度并造成傳感器使用壽命的降低。因此，定期對水質(zhì)傳感器的電極進行清洗是非常有必要的。根據(jù)清洗原理的不同，傳感器清洗方法大致可分為機械刷洗、超聲波清洗、水射流清洗、化學(xué)溶液清洗以及采用多種手段的復(fù)合清洗。經(jīng)過綜合考慮，我們采用機械刷洗的方法，設(shè)計一款結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠的傳感器清洗裝置，結(jié)構(gòu)如圖7所示。其機械結(jié)構(gòu)主要包括清洗毛刷、傳動齒輪、傳動蝸桿、升降機構(gòu)等。其工作原理為：清洗機構(gòu)整體由主控電路定時啟動，清洗的時間可以通過手機端APP進行遠程設(shè)置，也可通過本機設(shè)置，具體的清洗時間可根據(jù)實際情況來設(shè)定。清洗程序開啟后，升降電機開始轉(zhuǎn)動，帶動傳動皮帶將水質(zhì)傳感器整體降下，使清洗毛刷與水質(zhì)傳感器頂部適合位置相接觸，電機停止轉(zhuǎn)動，等待主機清洗命令。固定傳感器的支架被連接在兩個可上下滑動的滑環(huán)上，為保證左右升降動作一致，采用兩個升降電機做左右同步通向動作。清洗臺包括傳動齒輪、傳動軸與毛刷、清洗毛刷、傳動蝸桿、傳動電機和滑動環(huán)，這些部件被安裝固定在一個支架上，為滿足防腐蝕、長壽命的需求，侵入水體的部件均采用耐磨塑料材質(zhì)。清洗機構(gòu)到位后，主機發(fā)出清洗指令，在傳動電機的帶動下，蝸桿帶動齒輪轉(zhuǎn)動，傳動軸與毛刷一體同步轉(zhuǎn)動，開始清洗傳感器，在清洗一定的時間后，清洗臺降低高度，毛刷與傳感器脫離，清洗過程結(jié)束。實驗測試結(jié)果表明，清洗后傳感器探頭頂部的清潔度基本達到了預(yù)期效果。

4? 實驗與測試

經(jīng)過一系列的材料準備、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)組裝、程序設(shè)計后，進入系統(tǒng)測試階段，并對異常水體進行報警顯示。由于水體溫度參數(shù)比較重要，增加了水體溫度監(jiān)控，我們進行了兩組數(shù)據(jù)測試，一段為生活污水處理后測試，一段為生活用水測試，系統(tǒng)參數(shù)如圖8所示，其中前半段生活污水處理后水體滿足排放標準，數(shù)據(jù)精度達標，滿足設(shè)計要求，后續(xù)系統(tǒng)調(diào)試工作還需在投入使用后繼續(xù)優(yōu)化。

5? 結(jié)? 論

本文以水處理設(shè)備凈化后的水體作為監(jiān)測實驗載體，實現(xiàn)了一套以遠程水質(zhì)監(jiān)測、設(shè)備啟動控制以及傳感器自動清洗為一體的小型水質(zhì)參數(shù)遠程控制監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)簡化了電路，基于免費云平臺實現(xiàn)了遠程在線監(jiān)測和控制，具有體積小、安裝便捷、成本低廉等諸多優(yōu)點，具有一定的應(yīng)用推廣價值。

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作者簡介：許寒梅（1986—），女，漢族，云南昭通人，講師，本科，研究方向：傳感器原理與應(yīng)用教學(xué)、測控技術(shù)；盧孟常（1976—），男，漢族，湖南湘潭人，教授，碩士，研究方向：電子信息技術(shù)和無人機應(yīng)用技術(shù)的教學(xué)。