一种空陆双基环境实时监测装置的制作方法

本实用新型涉及生态环境监测及污染物预防技术领域，具体为一种空陆双基环境实时监测装置。

背景技术：

现有方案是分别基于无人机、轻型飞行等低空载荷平台及地面载荷平台的两种独立的技术，基于低空载荷平台的方案是将电化学传感器搭载于无人机、轻型飞机等平台，定期实时采集空气质量影响因子的含量、浓度等指标，并将数据记录在存储卡中，事后再进行数据导出和分析及后处理。

基于地面载荷平台的方案是将电化学传感器集成在高架、屋顶和温室等载荷平台，通过usb或以太网线连接至电脑，在电脑上通过gui软件控制、操作，但是现有技术中存在有以下问题：

(1)现有技术不能解决同一设备具备空陆两用的技术问题，用户要想空陆两用，则必须分别购买基于低空平台的无线传输产品方案，和基于地面平台的有线传输产品方案，造成了不必要的资源浪费，并且增加日常维护保养的成本。

(2)现有技术不能解决实时监测同步数据传输的技术问题，搭载于无人机平台时进行空气质量监测时，用户不能在线查看实时监测数据，必须等无人机降落后，将数据导出至电脑，才能查看和分析，达不到实时环境监测的现势性要求。

(3)现有技术不能解决多传感器，包括可见光成像、多光谱成像、红外热成像和空气质量监测等同步数据采集的技术问题，用户只能单独搭载空气质量监测传感器进行非可视化数据采集。

(4)现有技术不能解决空气质量监测gui软件与无人机地面站同步显示监测及超值预警技术问题，无人机飞行过程中，航迹可在地面站软件中实时查看，但无法实时掌握无人机位于特定位置处的实时空气质量因子的实时指标。

(5)现有技术不能解决功能扩展的技术问题，环境实时监测过程中，往往需要对土壤水分、温度和co2等含量进行同步监测，现有技术方案无法扩展土壤监测功能模块，如需监测土壤指标则必须配备单独的土壤指标监测仪器。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种空陆双基环境实时监测装置，具备能够通过特定的频率来进行无线通讯技术，而且能够陆空两用等优点，解决了基于地面和无人机平台，监测环境因子、空气质量及主要污染物浓度时，可同时结合其他成像传感器及生态监测传感器并能实时无线传输监测数据的问题。

(二)技术方案

为实现上述所述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种空陆双基环境实时监测装置，包括检测装置,所述检测装置安装在无人机上,所述检测装置上安装有传感器模组、传感器端无线数据传输模块、地面站端无线数据传输模块和gui软件，其中传感器端无线数据传输模块具体为传感器端数传天线，传感器端无线数据传输模块与传感器模组之间活动连接，传感器模组固定安装于连接板上，且地面站端无线数据传输模块也固定安装于连接板上。

优选的，所述传感器模组用于实时监测空气中的各项指标：如烟雾、voc、大气温度、大气湿度、pm2.5、pm10、co2、光照强度和gps时间戳等，同时存储于内置存储卡中，预留接口可根据需求选配多达150余种专业传感器。

优选的，所述传感器端无线数据传输模块用于连接传感器模组上的天线接口，将各传感器采集的数据实时通过无线信号传输至地面站gui软件界面，并接收来自地面站发出的指令，用于操作和配置传感器参数。

优选的，所述地面站端无线数据传输模块用于连接地面站usb接口，将地面站gui软件中的操作指令实时通过无线信号传输至传感器端，并接收来自传感器端天线发回的实时监测数据。

优选的，所述地面站gui软件用于连接地面站端无线数据传输模块，可视化显示实时监测数据及操作指令，透明运行设置、阈值设置、超值语音报警设置和更新频率设置等。

(三)有益效果

与现有技术相比，本实用新型提供了一种空陆双基环境实时监测装置，具备以下有益效果：

1、该一种空陆双基环境实时监测装置，采用915mhz频率的微波长距离无线通讯技术，同一装置既可以搭载于无人机、载荷气球、轻型飞机等空基平台，还可用于高架、屋顶、温室和实验室等地面环境，只需提供一组普通的12v输入电源即可正常工作，无需额外转接线缆和设备，即可通过915mhz微波天线传输实时数据及地面站指令，无论空基还是陆基，均可使用同一套设备，无需分别配备，降低维护成本。

2、该一种空陆双基环境实时监测装置，搭载915mhz频率的传感器端双向收发天线，通过与地面站端搭载的同规格天线进行无线通讯，实时监测数据以最快1fps的频率进行收发及更新，用户通过地面站上的gui图形用户界面软件即可实时查看监测数据，从而避免了事后才能下载数据并分析的缺陷，提高了作业及监测效率。

3、该一种空陆双基环境实时监测装置，解决了多传感器，包括可见光成像、多光谱成像、红外热成像和空气质量监测等同步数据采集的技术问题，本系统拥有紧凑的结构设计、通用接口设计，使得一架无人机即可同时搭载本实用及其他光谱成像传感器，用户只需一次作业，即可同步采集可视化的光谱影像数据及连续性的空气质量指标数据，监测效率事半功倍。

4、该一种空陆双基环境实时监测装置，解决了空气质量监测gui软件与无人机地面站同步显示监测技术问题，本实用配套的gui软件具备透明运行功能，可在地面站软件中实现显示监测数据，可设置预警阈值，具备超值报警功能，无人机飞行过程中，即可实时监控无人机位于特定位置处的实时空气质量因子的指标及随航迹的动态变化情况，并可设置预警阈值，一旦指标超值，地面站及时触发警报，使得用户无需时刻关注屏幕，人性化设计减少人力浪费。

5、该一种空陆双基环境实时监测装置，解决了功能扩展的技术问题，本实用采用堆叠式和模块化设计，具备强大的可扩展性，后期只需在原物基础上，堆叠加入其它生态监测传感器如土壤水分、土壤温度、土壤co2等，即可同时对空气剖面(不同高度)大气环境因子、空气质量及土壤重要指标实时监测。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型电源插件电路电路图；

图3为本实用新型数据采集控制电路电路图；

图4为本实用新型下载程序接口电路电路图；

图5为本实用新型数传电台电路电路图；

图6为本实用新型指示灯电路电路图；

图7为本实用新型多合一气体传感器电路电路图；

图8为本实用新型光照传感器电路电路图；

图9为本实用新型gps模块电路电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，一种空陆双基环境实时监测装置，包括检测装置,所述检测装置安装在无人机上,所述检测装置上安装有传感器模组1，传感器端无线数据传输模块2、地面站端无线数据传输模块3和gui软件，其中，传感器模组1，用于实时监测空气中的各项指标：如烟雾、voc、大气温度、大气湿度、pm2.5、pm10、co2、光照强度和gps时间戳等，同时存储于内置存储卡中，预留接口可根据需求选配多达150余种专业传感器，传感器端无线数据传输模块2，用于连接传感器模组上的天线接口，将各传感器采集的数据实时通过无线信号传输至地面站gui软件界面，并接收来自地面站发出的指令，用于操作、配置传感器参数，地面站端无线数据传输模块3，用于连接地面站usb接口，将地面站gui软件中的操作指令实时通过无线信号传输至传感器端，并接收来自传感器端天线发回的实时监测数据，地面站gui软件用于连接地面站端无线数据传输模块，可视化显示实时监测数据及操作指令，透明运行设置、阈值设置、超值语音报警设置和更新频率设置等，其中传感器端无线数据传输模块2具体为传感器端数传天线，传感器端无线数据传输模块2与传感器模组1之间活动连接，传感器模组1固定安装于连接板上，且地面站端无线数据传输模块3也固定安装于连接板上。

请参阅图2，电源插件电路连接方式为：电路1接通5v电源，电流进入ams1117-3.3稳压芯片后输出，系统加电正常运行。

请参阅图3，数据采集控制电路连接方式为：camero控制模组由a、b、c三路电路组成，电路1连接a，电路3连接b，电路5连接c，电路2、4接地，a和b导通后，系统执行数据采集操作，a和c导通后，系统执行阈值警报控制。

请参阅图4，下载程序接口电路连接方式为：stlink下载程序接口由4路电路组成，1接地，2接pai4，执行控制命令程序下载及升级更新操作，3接pai3，执行数据下载操作，4接3.3v电源，接口正常工作。

请参阅图5，数传电台电路连接方式为：数传电台由4路电路组成，1接地，2接5v电源，3接rxd2接收信号，4接txd2发送信号，电源接通后，通过rxd2实时接收来自地面站的控制命令，并通过txd2实时回传数据及命令反馈信号。

请参阅图6，指示灯电路连接方式为：指示灯由3个电阻组成三色灯，1接rled，红灯两秒闪烁一次表示系统运行正常，2接gled，绿灯两秒闪烁一次表示空气监测传感器正常，4接bled，蓝灯两秒闪烁一次表示gps信号接收正常，3接地。

请参阅图7，多合一气体传感器电路连接方式为：气体传感器模组由6路电路组成，1接set，设置各传感器采集参数，2接tx/b，发送传感器实时采集数据；3接rx/a，接收地面站设置及控制命令；4接5v电源供电；5接pwm，接口脉冲信号，触发采集，6接地。

请参阅图8，光照传感器电路连接方式为：bh1750光照传感器由5路电路组成，1接5v电源供电；2接地；3接scl，通讯接口；4接sda，记录光照数据；5接addr，接地。

请参阅图9，gps模块电路连接方式为：gps模块由6路电路组成，1接sda，记录gps信息；2接scl，通讯接口；3接地；4接tx，发送gps信息；5接rx，接收gps信息；6接5v电源供电。

该创新设计，将传统的光谱成像技术与本实用两者结合起来，即可进行可视化定性分析，同时可进行精确的定量分析，对于精准研究环境质量尤其是空气污染提供了最直接的数据支撑，该数据不仅包含了可视化的影像数据，可用于查看研究区的主要环境污染物的时空分布、扩散动态、地理信息以及污染物与环境的温度差异，对政府决策部门、环保部门采取及时有效的预防措施具有指导意义，同时通过各电化学传感器采集到的实时环境指标数据，可精确获知污染物的种类、各种类在不同时空状态下的浓度、不同高度下的分布、环境温湿度及太阳光照度等信息，对环保科研部门研究主要污染物与环境质量之间的深层关系及相互作用意义重大。

在使用时，

第一步，将传感器端无线数据传输模块连接到传感器模块，确认连接可靠、天线无遮挡后，此时将传感器模块1通过通用卡槽固连在无人机等低空载荷平台或支架、屋顶和温室等地面载荷平台，然后接通电源给设备通电。

第二步，将地面站端无线数据传输模块连接至电脑，并打开地面站gui软件，选择正确的端口号和波特率，成功连接至设备，软件界面开始出现各传感器实时采集的数据，说明本装置正常工作。

第三步，可设置软件透明运行，以适应无人机飞控软件或其他地面设备软件，使得各软件之间互不干扰并同时显示，此时可根据需要设置传感器采集频率和预警设置，实时数据更新显示，进入在线监测状态，pc端具体操作如下：

1.进入端口设置界面：设置端口号、波特率和数据传输的间隔时间，以便节省流量。

2.参数设置：软件初始化完成后，可在报警阀值界面：可以独立设置污染物报警的阀值，超过阀值，将触发pc端语音装置，进行自动语音报警。

3.透明运行设置：启用“透明运行”功能后，软件界面可以任意大小变化，并且透明运行于其它的软件上层，不遮挡无人机地面站、移动扫描平台或者其它的软件的界面，透明运行设置成功后，窗口的大小，位置和透明度可以任意调节，并且会自动记忆，下一次再运行软件时，会和上次设置的大小、透明度和位置保持一致，此外，还可设置透明度，单击鼠标拖动透明窗口上方的滚动条，即可改变透明度，最高可设置为100％，点击透明度滚动条左侧的“记住窗口位置”按钮，透明窗口将会固定停靠在电脑屏幕特定位置，下次启动后，默认记录该位置。

4.恢复主界面：设置为透明运行后，窗口无法关闭，如需关闭透明运行功能或返回主界面，点击电脑任务栏小图标箭头，调出本软件图标，右击该图标则会出现“可视窗口”、“透明悬浮”、“后台运行”和“退出系统”菜单列表，可根据需求选择。

第四步，数据采集完成后，断开设备电源，将数据导出至电脑用于后处理分析，也可进行长期不间断地面监测。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。