便携式无人机气体检测仪优化提升方案
一．项目背景
大气环境质量监测是我国环境保护工作的重要组成部分，传统的环境监测方式往往以地面设立监测点为主，但是当面对地形广阔、环境复杂、监测设施数量有限等情况时，不仅会提高环境监测的成本，影响工作效率以及数据传输实时性，还存在获取的数据空间覆盖程度有限、不能对污染物来源及其变化趋势分析进行有效预测等问题。（湖南圣凯安张133...9..7..3..3..8....5...0..6..）
图1 无人机方案
圣凯安通过无人机技术、传感器技术、GPRS技术以及软件设计技术开发了一款基于无人机技术的大气环境监测系统，通过无人机作为搭载平台，可以采集多种复杂地区环境条件下的大气环境数据，并通过无线网络上传至服务器，后端人员可实时通过终端对大气环境数据进行查询，解决了传统的人工取样范围局限性，数据准确性、实时性等问题。
二．方案建设
1. 建设依据
《环境空气质量自动监测系统技术规范》HJ/T193-2005
《环境空气质量自动监测系统技术规范》HJ/T193-2013
《环境空气质量指数（AQI）技术规定》 HJ633-2012
《环境空气质量监测点位布设技术规范》 HJ664-2013
《环境空气质量监测规范》试行
《环境空气质量评价技术规范》（试行）HJ663-2013
《大气污染防治行动计划》（国发﹝2013﹞37 号）
《关于印发<2014 年全国环境监测工作要点>的通知》（环办﹝2014﹞2 号）
《京津冀及周边地区 2017 年大气污染防治工作方案》
《环境空气颗粒物（PM2.5）手工监测方法（重量法）技术规范》HJ 656-2013
《环境空气质量评价技术规范》（试行）HJ663-2013
《十三五环境监测质量管理工作方案》 （粤环办函〔2016〕364 号）
《京津冀及周边地区 2017 年大气污染防治工作方案》
《建筑施工场界噪声限值》GB12523-90
《社会生活环境噪声排放标准》GB22337-2008
2. 建设原则
▲ 数据传输实时性：数据传输的实时性是实施大区域精准化管理的基础，高效快速地检测方式可为后续一系列的治理措施提供支撑依据，
▲ 数据可视化：数据可视化能够充分挖掘数据隐含的空间关联，揭示气体污染物的迁移转化规律，有助于科研人员、监测机构科学直观地判读并分析大气污染情况，节约人力成本。
▲ 高空间分辨率：由于大气污染物变化迁移的动态性，高空间分辨率能捕捉到更多的空气质量信息。此外，在污染源监测的过程中，由于每种类型的污染源监测重点存在一定差异，因此可以实施种类划分，保证无人机监测技术应用的针对性和有效性。
▲ 数据传输稳定性：无人机大气环境应用实时连续监测，监测数据应实时汇集至数据处理中心进行处理。
▲ 灵活便携性：高强度的分辨率和灵活性能够在同一时间内进行多组分测试，并全天候、实时、连续、自动监测。
3. 建设目标：
通过无人机搭载的智能气体传感器对大气污染因子进行数据采集，并对采集终端进行统一管理和监控，将采集到的大气环境数据通过无线接入方式存储到数据中心(云平台)，通过在数据中心对采集的原始数据进行分析，产生分析结果数据，最终以服务的方式为演示终端软件、 移动端APP或者第三方气象、 环境应用提供数据支撑。
为全面客观反映区域的空气量状况，了解区域内大气污染水平分布强度，分析区域内整体大气污染物的浓度水平和传输规律，研判大气污染发生发展趋势，为污染减排及监控提供数据支撑。
三．系统架构：
无人机的大气环境监测系统主要由大气环境数据采集系统、数据汇聚平台、多媒体应用综合层所组成。
图2 系统架构
大气环境数据采集系统：该部分主要由PM2.5 传感器、PM10 传感器、SO2浓度传感器、温湿度传感、GPRS无线数据模块等组成。由于无人机系统无法搭载质量较大的设备，为了减少整个系统的重量，采用小型系统设计方案，更大限度地延长整个系统的飞行区域以及飞行时间。
数据汇聚平台：采集到的数据通过GPRS传输到云平台，平台再对采集到的数据进行处理、分析和储存，同时利用ArcGIS Engine服务，实现采集的实时查询分析，历史调取以及绘制指定时段的历史空气质量曲线等功能。
图3 通讯方式
多媒体应用综合层：用户可以通过云平台将无人机采集到的监测数据实时发布到多媒体广告一体机、LED显示屏、电视机或者平板电脑等各类多媒体显示屏上。
四．产品介绍：
1. 产品介绍
图4 无人机气体检测仪
圣凯安无人机气体检测仪是一款高性能的无人机环保监测设备，可同时搭载6支传感器，与无人机、汽车等移动载具相互配合，实现“去到哪里，检测就到哪里”。同时，圣凯安还配备了专门的分析软件，可以让用户更直观地对气体浓度、成分进行查阅。
图5 产品尺寸图
检测仪内置的电化学传感器模组在传统技术的基础上，提高了设备的稳定性，能有效抵抗天气，气压，风速等不定因素的影响，以达到高速行驶，快速稳定，迅速抓拍，高清像素的效果。在硬件本身的安全方面，圣凯安技术人员通过改变外壳材料来保障内部线路安全，达到防湿、防爆、抗压的效果，保障监测流程的顺利进行，监测任务的保质保量完成。
图6 产品组成
2. 产品优势：
• 软件系统可以与多家无人机制造商包括大疆所有系列适配；
• 带有自动识别功能，可任意设定检测气体，并显示湿度、温度、PM2.5、O3、PM10、VOCs等上千种气体实时浓度值；
• 实时显示监测数据，生成对应趋势曲线，还可随时与历史数据查看比对。
• 为用户解决了数据采集、数据分析、结果呈现、工作汇报、数据储存等一整个流程问题，更大程度上地节省了时间与人力成本；
• 外壳采用防水、防风、防尘、防撞击设计，大大增加了仪器的抗风险能力；
• 采集的数据具有超高的空间分辨率，可精确到每条街、每栋楼、甚至每个高度，且实现了ppb级别的检测精度；
• 可同步实时显示经纬度、高度、飞机状态、温度、PM10、PM2.5，以及上千种气体浓度值；
4. 产品优势
| 供电 | 12-24V |
| 功耗 | 2W |
| 重量 | 700g |
| GPRS | 有 |
| 检测气体 | 见下表 |
| 传输方式 | 4G/数传 |
| 工作温度 | -20℃-70℃ |
| 工作湿度 | ＜95%RH |
| 防护等级 | IP65 |
| 精度 | 2%FS |
| 寿命 | 2年 |
| 适用机型 | 多旋翼、固定翼 |
| 适用行业 | 管道巡检、环境巡检、烟道检测、消防应急检测等 |
五．智慧云平台
智慧云平台的主要功能是采集数据，并对数据进行处理存储，以及所在位置的定位，并最终将数据传输到地面显示终端。平台采用模块化设计分别实现相应的功能需求，包括通信控制模块、数据处理模块、虚拟仪表与数据显示模块、电子地图模块以及数据管理模块五大模块。
图7 监测系统框架
1. 平台模块
▲ 通信控制模块：该模块的功能为控制串口通信的开始关闭，设置串口号，传输波特率，校验参数等；
▲ 数据处理模块：串口接收的数据帧经由该模块按照指令定义进行解析处理，再送到虚拟仪表和显示模块进行显示。此外，操作人员下达的控制指令也会经该模块传至无人机，保证无人机和地面站能稳定，高效的通讯；
▲ 虚拟仪表与数据显示模块：该模块的功能为飞行数据文本显示及报警。飞行数据文本显示及报警部分通过数字，文本的形式将数据直观、准确、实时地显示在操作人员面前；-
▲ 电子地图模块：该模块可以实现电子地图的加载、地图层设置、无人机位置的实时定位、飞行轨迹的绘制4大功能。；
▲ 数据管理模块：无人机飞行数据的入库、查询、展示、数据检查及数据导出等功能都由该模块完成，分析与管理以飞行数据为支撑。
2. 功能优势
● 关键数据动态展示：对检测区域实时情况进行展示，包括设备运行状态、环境数据、监管参数等。以量化数据直观、精准展现大气环境改善程度，保障治理防护工作开展，以及日常巡护监管到位；
● 监测参数实时监控：管理人员可以在任何平台通过浏览器登陆系统，查看监测现场，直接操作现场设备；
● 业务决策高效率：基于云计算服务和大数据平台技术支撑，面向多样性海量数据进行整合处理与关联分析，更大化数据信息价值，提高业务决策效率；
● GPS实时定位：支持地图比例尺缩放、搜索、定位等功能，适合客户对每个下属监控点位进行统一、分组管理，避免杂乱，一目了然。
● 数据报表打印：可以根据时间来制定日报、月报、季报和年报表。并可以导出 EXCEL 表格至本地；
● 统一管理用户：不同的操作权限实现了不同级别操作人员对数据访问范围和数据读写性的严格控制，建立统一用户管理平台，实现所有用户的身份管理。
无人机气体检测仪（4G）
一．产品介绍：
圣凯安无人机气体检测仪是一款高性能的无人机环保监测设备，可同时搭载6支传感器，与无人机、汽车等移动载具相互配合，实现“去到哪里，检测就到哪里”。同时，圣凯安还配备了专门的气体分析软件，可以让用户更直观地对气体浓度、成分进行分析。
此外，利用无人机的灵活性，可在高空对地面进行拍照取证、工厂烟囱排放检测、污染气体扩散图绘制等。内置的传感器模组可以提供实时在线远程监控，比如H2S、CH4、CO2、SO2、VOCs等上千种化学物质。具有高精度、小体积、多组分、多级报警、实时储存、响应快、安装便捷、低功耗、防护高、证书全等特点。
二．产品优势：
• 软件系统可以与多家无人机制造商包括大疆所有系列适配；
•带有自动识别功能，可任意设定检测气体，并显示湿度、温度、PM2.5、O3、PM10、VOCs等上千种气体实时浓度值；
• 实时显示监测数据，生成对应趋势曲线，还可随时与历史数据查看比对。
• 为用户解决了数据采集、数据分析、结果呈现、工作汇报、数据储存等一整个流程问题，极大地节省了时间与人力成本；
• 外壳采用防水、防风、防尘、防撞击设计，大大增加了仪器的抗风险能力；
• 采集的数据具有超高的空间分辨率，可精确到每条街、每栋楼、甚至每个高度，且实现了ppb级别的检测精度；
• 可同步实时显示经纬度、高度、飞机状态、温度、PM10、PM2.5，以及上千种气体浓度值；
• 实时数据可通过无线传输或GPRS传输到到服务器，
三．产品参数：
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