基于無(wú)人機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

引 言

基于無(wú)人機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是將當(dāng)前新興的傳感器和 RFID 無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)融入到無(wú)人機(jī)行業(yè)而誕生的產(chǎn)物?；跓o(wú)人機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并非第一個(gè)與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不同的概念。早在前幾年，機(jī)器人、汽車(chē)行業(yè)就使用了相關(guān)傳感器技術(shù)，而最近相關(guān)公司提出的無(wú)人機(jī)大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和無(wú)人機(jī)農(nóng)田檢測(cè)系統(tǒng)均為相關(guān)概念 [1]。隨著科技的飛速發(fā)展和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的爆炸型增長(zhǎng)，以及人們生活水平的提高，人們對(duì)環(huán)境的重視度越來(lái)越高，而這種新型的基于無(wú)人機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以彌補(bǔ)人工在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面時(shí)效性和準(zhǔn)確性的不足，同時(shí)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性也得到了大幅提高，所以利用無(wú)人機(jī)技術(shù)監(jiān)測(cè)環(huán)境成為了未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì) [2]。

在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，無(wú)人機(jī)可運(yùn)用于無(wú)線(xiàn)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(dāng)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視與錄像 [4]，視頻監(jiān)控系統(tǒng)方便安保人員直觀(guān)掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，并通過(guò)錄像回放對(duì)事件進(jìn)行分析和取證。但該系統(tǒng)需要在廣闊的區(qū)域（例如機(jī)場(chǎng)、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(wú)人機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)可將攝像頭和各類(lèi)傳感器（紅外傳感器、門(mén)磁傳感器）相結(jié)合，形成無(wú)線(xiàn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò) [5]，大大節(jié)約了成本。

本方案擬采用的四旋翼無(wú)人機(jī)能夠通過(guò)不同的傳感器來(lái)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(hù) ；使用機(jī)載微型攝像機(jī)不僅能夠充當(dāng)輔助導(dǎo)航設(shè)備， 獲取地面圖像，進(jìn)行分析、解算、校正，甚至還可改變其飛行路線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自主飛行，并將拍攝的畫(huà)面實(shí)時(shí)傳送給管理者。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于無(wú)人機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以分為硬件設(shè)置和系統(tǒng)功能兩個(gè)模塊。硬件設(shè)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(shè)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(chǔ)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(dāng)前對(duì)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(duì)某一區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，需要在被監(jiān)測(cè)區(qū)域的周?chē)贾么罅總鞲衅鞴?jié)點(diǎn)以構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，大幅增加了成本，同時(shí)這些由大量傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)目前還無(wú)法實(shí)現(xiàn)全覆蓋，且性能不夠穩(wěn)定，常需要校正，長(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境中，壽命短，維護(hù)成本高。這些都是制約如今環(huán)境監(jiān)測(cè)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(wú)人機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

為了最大程度采集準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多以無(wú)人機(jī)采集數(shù)據(jù)與PC 端的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，能夠?qū)崟r(shí)、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(jìn)行有效處理與分析，然后向工作人員反饋結(jié)果并給予一定的建議。在這個(gè)基礎(chǔ)上，可以添加深度學(xué)習(xí)模塊，方便在處理應(yīng)急事件時(shí)能夠以最快的速度做好預(yù)防工作并通知相關(guān)單位的應(yīng)急處理人員。

1.2 整體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸，該系統(tǒng)將ZigBee 技術(shù)，C# 與數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合，通過(guò)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(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理與進(jìn)一步分析，在深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)中產(chǎn)生下一步預(yù)備方案，使整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更加智能化、人性化，方便用戶(hù)實(shí)時(shí)了解環(huán)境信息。

圖 2 所示為系統(tǒng)的整體架構(gòu)?；跓o(wú)人機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)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(wú)人機(jī)上，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)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(wú)人機(jī)可根據(jù)規(guī)劃好的路線(xiàn)自主飛行，無(wú)需手動(dòng)操控。信息采集完成后會(huì)根據(jù)規(guī)劃的路線(xiàn)返回，以更加準(zhǔn)確地采集環(huán)境中的信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)人機(jī)技術(shù)

無(wú)人駕駛飛機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)“無(wú)人機(jī)”（UAV），是利用無(wú)線(xiàn)電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)，或者由車(chē)載計(jì)算機(jī)完全或間歇地自主操作。其飛行狀態(tài)、路線(xiàn)可控制，同時(shí)還可在大氣層中航行。近年來(lái)，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(qiáng)國(guó)在發(fā)展作戰(zhàn)無(wú)人機(jī)和大型長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)的同時(shí)，也在集中科研力量發(fā)展微小型無(wú)人機(jī)，許多科研機(jī)構(gòu)在持續(xù)不斷地研制無(wú)人機(jī)小型化，甚至微型化技術(shù)。通過(guò)搭載不同的設(shè)備，微小型無(wú)人機(jī)可執(zhí)行通信中繼、實(shí)施干擾、偵查監(jiān)視、對(duì)地攻擊、目標(biāo)定位、損傷評(píng)估等軍事任務(wù)，同時(shí)在氣象探測(cè)、航空攝像、勘探測(cè)繪、核輻射探測(cè)、抗災(zāi)搶險(xiǎn)、交通監(jiān)控等民用領(lǐng)域也有廣闊的市場(chǎng)前景。

本設(shè)計(jì)所開(kāi)發(fā)的基于無(wú)人機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要組成部分包括 STM32主控芯片、無(wú)刷電機(jī)、電調(diào)、三軸加速度陀螺儀、螺旋槳、簡(jiǎn)易機(jī)架、PCB電路板、阻容元件、USB攝像頭、嵌入式硬件設(shè)備、各類(lèi)傳感器（振動(dòng)傳感器，紅外傳感器， 壓力傳感器等）、通信模塊、PC機(jī)終端。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路如圖 3所示。

基于無(wú)人機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分主要由自主研發(fā)的四旋翼飛行器、機(jī)載智能航拍攝像頭、無(wú)線(xiàn)傳輸設(shè)備、圖像采集卡、圖像處理計(jì)算機(jī)和監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成。

無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)接收機(jī)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(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)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(jī)控制信號(hào)至電調(diào)電機(jī)裝置，控制電調(diào)電機(jī)裝置調(diào)整無(wú)人機(jī)的飛行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)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(jī)輸入裝置即可，無(wú)需實(shí)時(shí)觀(guān)察無(wú)人機(jī)當(dāng)前位置。飛行控制裝置根據(jù)獲取的信息控制電調(diào)電機(jī)裝置調(diào)整無(wú)人機(jī)的飛行參數(shù)，可實(shí)時(shí)對(duì)無(wú)人機(jī)的位置和姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，提高了控制精度。

2.2 傳感器技術(shù)

傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許多在空間上分布的自動(dòng)裝置組成的一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。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(dòng)、壓力、運(yùn)動(dòng)或污染物）。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展最初起源于戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等軍事應(yīng)用，而現(xiàn)今無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)被應(yīng)用于很多民用領(lǐng)域，如環(huán)境與生態(tài)監(jiān)測(cè)、健康監(jiān)護(hù)、家庭自動(dòng)化以及交通控制等。并且無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量密集部署在監(jiān)控區(qū)域的智能傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的一種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集節(jié)點(diǎn)部署區(qū)觀(guān)察者感興趣的感知對(duì)象的各種信息（光強(qiáng)、溫度、濕度、pH 值和有害氣體濃度等），將其處理后通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給觀(guān)察者。

機(jī)載傳感器系統(tǒng)是四旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的重要組成部分，它為機(jī)載控制系統(tǒng)提供可靠的飛行狀態(tài)信息，是實(shí)現(xiàn)四旋翼無(wú)人機(jī)自主飛行的重要設(shè)備。實(shí)現(xiàn)步驟如下：

對(duì) ARM嵌入式控制器的功能進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，構(gòu)建一個(gè)功能完善的機(jī)載控制器硬件平臺(tái)；

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(yùn)行；

采集和處理機(jī)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(cè)量數(shù)據(jù) ；

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(jié)構(gòu)，建立 Linux下基于串口異步通信的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制， 實(shí)現(xiàn)四旋翼無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)和位置信號(hào)的采集與處理 ；

基于I2C通信原理，通過(guò)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(wú)人機(jī)低空飛行的高度信息 ；

基于 UDP 網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議編寫(xiě)服務(wù)器（四旋翼無(wú)人機(jī)）和客戶(hù)端（地面監(jiān)控系統(tǒng)）的數(shù)據(jù)通信程序，實(shí)現(xiàn)四旋翼無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸與存儲(chǔ)。

作為發(fā)送端的樹(shù)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(tái)并反饋。

根據(jù)預(yù)先測(cè)繪的航線(xiàn)與設(shè)定的飛行參數(shù)，讓無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)一鍵起飛，并按照預(yù)定航線(xiàn)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(cè)繪。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境及開(kāi)發(fā)語(yǔ)言介紹

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)界面開(kāi)發(fā)使用名為 Microsoft Visual Studio 2010 C# 的開(kāi)發(fā)軟件。Visual Studio 2010 是微軟公司推出的C# 開(kāi)發(fā)環(huán)境，也是目前最流行的 Windows 平臺(tái)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。Visual Studio 2010 是一個(gè)比較簡(jiǎn)單的界面設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)工具，其主要功能是將面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦驒C(jī)器的語(yǔ)言，界面設(shè)計(jì)可視化，操作簡(jiǎn)單靈活，目前分為專(zhuān)業(yè)版、高級(jí)版、旗艦版、學(xué)習(xí)版和測(cè)試版共五個(gè)版本。

3.2 登錄注冊(cè)界面設(shè)計(jì)

登錄注冊(cè)界面功能包括用戶(hù)登錄和新用戶(hù)注冊(cè)，并添加了記住密碼和自動(dòng)登錄功能。新用戶(hù)可直接注冊(cè)，輸入手機(jī)號(hào)和密碼，注冊(cè)成功后輸入用戶(hù)名和密碼即可登錄，也可選擇記住密碼并自動(dòng)登錄。登錄注冊(cè)界面如圖 4 所示。

3.3 數(shù)據(jù)管理設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)管理的主要功能包括查詢(xún)、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?dú)?、PM2.5 等），并以曲線(xiàn)圖的形式呈現(xiàn)在頁(yè)面中。在數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)會(huì)標(biāo)記并分析異常出現(xiàn)的原因，當(dāng)下次出現(xiàn)類(lèi)似情況時(shí)，可利用深度學(xué)習(xí)自動(dòng)處理。

4 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)人機(jī)因其作業(yè)周期短，效率高等優(yōu)勢(shì)，將在物聯(lián)網(wǎng)中扮演重要的角色。本文詳細(xì)介紹了一款基于無(wú)人機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行調(diào)試，目前系統(tǒng)各功能已基本實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還可根據(jù)不同地區(qū)的情況，實(shí)時(shí)有效地采集各類(lèi)信息，掌握精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)實(shí)物如圖 5 所示。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這種方案在未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中將會(huì)被廣泛使用，在降低成本的同時(shí)，提高采集信息的靈活性及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖 5實(shí)物圖