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湖南圣凱安環保科技有限公司
湖南圣凱安環保科技有限公司
圣凱安通過無人機技術、傳感器技術、GPRS技術以及軟件設計技術開發了一款基于無人機技術的大氣環境監測系統，通過無人機作為搭載平臺，可以采集多種復雜地區環境條件下的大氣環境數據，并通過無線網絡上傳至服務器，后端人員可實時通過終端對大氣環境數據進行查詢，解決了傳統的人工取樣范圍局限性，數據準確性、實時性等問題。
一．項目背景
大氣環境質量監測是我國環境保護工作的重要組成部分，傳統的環境監測方式往往以地面設立監測點為主，但是當面對地形廣闊、環境復雜、監測設施數量有限等情況時，不僅會提高環境監測的成本，影響工作效率以及數據傳輸實時性，還存在獲取的數據空間覆蓋程度有限、不能對污染物來源及其變化趨勢分析進行有效預測等問題。
圖1 無人機方案
圣凱安通過無人機技術、傳感器技術、GPRS技術以及軟件設計技術開發了一款基于無人機技術的大氣環境監測系統，通過無人機作為搭載平臺，可以采集多種復雜地區環境條件下的大氣環境數據，并通過無線網絡上傳至服務器，后端人員可實時通過終端對大氣環境數據進行查詢，解決了傳統的人工取樣范圍局限性，數據準確性、實時性等問題。
二．方案建設
1. 建設依據
《環境空氣質量自動監測系統技術規范》HJ/T193-2005
《環境空氣質量自動監測系統技術規范》HJ/T193-2013
《環境空氣質量標準》 GB 3095-2012
《環境空氣質量指數（AQI）技術規定》 HJ633-2012
《環境空氣質量監測點位布設技術規范》 HJ664-2013
《環境空氣質量監測規范》試行
《環境空氣質量評價技術規范》（試行）HJ663-2013
《大氣污染防治行動計劃》（國發﹝2013﹞37 號）
《關于印發<2014 年全國環境監測工作要點>的通知》（環辦﹝2014﹞2 號）
《京津冀及周邊地區 2017 年大氣污染防治工作方案》
《環境空氣顆粒物（PM2.5）手工監測方法（重量法）技術規范》HJ 656-2013
《環境空氣質量評價技術規范》（試行）HJ663-2013
《十三五環境監測質量管理工作方案》 （粵環辦函〔2016〕364 號）
《京津冀及周邊地區 2017 年大氣污染防治工作方案》
《建筑施工場界噪聲限值》GB12523-90
《社會生活環境噪聲排放標準》GB22337-2008
2. 建設原則
▲ 數據傳輸實時性：數據傳輸的實時性是實施大區域精準化管理的基礎，高效快速地檢測方式可為后續一系列的治理措施提供支撐依據，
▲ 數據可視化：數據可視化能夠充分挖掘數據隱含的空間關聯，揭示氣體污染物的遷移轉化規律，有助于科研人員、監測機構科學直觀地判讀并分析大氣污染情況，節約人力成本。
▲ 高空間分辨率：由于大氣污染物變化遷移的動態性，高空間分辨率能捕捉到更多的空氣質量信息。此外，在污染源監測的過程中，由于每種類型的污染源監測重點存在一定差異，因此可以實施種類劃分，保證無人機監測技術應用的針對性和有效性。
▲ 數據傳輸穩定性：無人機大氣環境應用實時連續監測，監測數據應實時匯集至數據處理中心進行處理。
▲ 靈活便攜性：高強度的分辨率和靈活性能夠在同一時間內進行多組分測試，并全天候、實時、連續、自動監測。
3. 建設目標：
通過無人機搭載的智能氣體傳感器對大氣污染因子進行數據采集，并對采集終端進行統一管理和監控，將采集到的大氣環境數據通過無線接入方式存儲到數據中心(云平臺)，通過在數據中心對采集的原始數據進行分析，產生分析結果數據，最終以服務的方式為演示終端軟件、 移動端APP或者第三方氣象、 環境應用提供數據支撐。
為全面客觀反映區域的空氣量狀況，了解區域內大氣污染水平分布強度，分析區域內整體大氣污染物的濃度水平和傳輸規律，研判大氣污染發生發展趨勢，為污染減排及監控提供數據支撐。
三．系統架構：
無人機的大氣環境監測系統主要由大氣環境數據采集系統、數據匯聚平臺、多媒體應用綜合層所組成。
圖2 系統架構
大氣環境數據采集系統：該部分主要由PM2.5 傳感器、PM10 傳感器、SO2濃度傳感器、溫濕度傳感、GPRS無線數據模塊等組成。由于無人機系統無法搭載質量較大的設備，為了減少整個系統的重量，采用小型系統設計方案，更大限度地延長整個系統的飛行區域以及飛行時間。
數據匯聚平臺：采集到的數據通過GPRS傳輸到云平臺，平臺再對采集到的數據進行處理、分析和儲存，同時利用ArcGIS Engine服務，實現采集的實時查詢分析，歷史調取以及繪制時段的歷史空氣質量曲線等功能。
圖3 通訊方式
多媒體應用綜合層：用戶可以通過云平臺將無人機采集到的監測數據實時發布到多媒體廣告一體機、LED顯示屏、電視機或者平板電腦等各類多媒體顯示屏上。
四．產品介紹：
1. 產品介紹
圖4 無人機氣體檢測儀
圣凱安無人機氣體檢測儀是一款高性能的無人機環保監測設備，可同時搭載6支傳感器，與無人機、汽車等移動載具相互配合，實現“去到哪里，檢測就到哪里"。同時，圣凱安還配備了專門的分析軟件，可以讓用戶更直觀地對氣體濃度、成分進行查閱。
圖5 產品尺寸圖
檢測儀內置的電化學傳感器模組在傳統技術的基礎上，提高了設備的穩定性，能有效抵抗天氣，氣壓，風速等不定因素的影響，以達到高速行駛，快速穩定，迅速抓拍，高清像素的效果。在硬件本身的安全方面，圣凱安技術人員通過改變外殼材料來保障內部線路安全，達到防濕、防爆、抗壓的效果，保障監測流程的順利進行，監測任務的保質保量完成。
圖6 產品組成
2. 產品優勢：
• 軟件系統可以與多家無人機制造商包括大疆所有系列適配；
• 帶有自動識別功能，可任意設定檢測氣體，并顯示濕度、溫度、PM2.5、O3、PM10、VOCs等上千種氣體實時濃度值；
• 實時顯示監測數據，生成對應趨勢曲線，還可隨時與歷史數據查看比對。
• 為用戶解決了數據采集、數據分析、結果呈現、工作匯報、數據儲存等一整個流程問題，更大程度上地節省了時間與人力成本；
• 外殼采用防水、防風、防塵、防撞擊設計，大大增加了儀器的抗風險能力；
• 采集的數據具有超高的空間分辨率，可精確到每條街、每棟樓、甚至每個高度，且實現了ppb級別的檢測精度；
• 可同步實時顯示經緯度、高度、飛機狀態、溫度、PM10、PM2.5，以及上千種氣體濃度值；
4. 產品優勢
| 供電 | 12-24V |
| 功耗 | 2W |
| 重量 | 700g |
| GPRS | 有 |
| 檢測氣體 | 見下表 |
| 傳輸方式 | 4G/數傳 |
| 工作溫度 | -20℃-70℃ |
| 工作濕度 | ＜95%RH |
| 防護等級 | IP65 |
| 精度 | 2%FS |
| 壽命 | 2年 |
| 適用機型 | 多旋翼、固定翼 |
| 適用行業 | 管道巡檢、環境巡檢、煙道檢測、消防應急檢測等 |
五．智慧云平臺
智慧云平臺的主要功能是采集數據，并對數據進行處理存儲，以及所在位置的定位，并最終將數據傳輸到地面顯示終端。平臺采用模塊化設計分別實現相應的功能需求，包括通信控制模塊、數據處理模塊、虛擬儀表與數據顯示模塊、電子地圖模塊以及數據管理模塊五大模塊。
圖7 監測系統框架
1. 平臺模塊
▲ 通信控制模塊：該模塊的功能為控制串口通信的開始關閉，設置串口號，傳輸波特率，校驗參數等；
▲ 數據處理模塊：串口接收的數據幀經由該模塊按照指令定義進行解析處理，再送到虛擬儀表和顯示模塊進行顯示。此外，操作人員下達的控制指令也會經該模塊傳至無人機，保證無人機和地面站能穩定，高效的通訊；
▲ 虛擬儀表與數據顯示模塊：該模塊的功能為飛行數據文本顯示及報警。飛行數據文本顯示及報警部分通過數字，文本的形式將數據直觀、準確、實時地顯示在操作人員面前；-
▲ 電子地圖模塊：該模塊可以實現電子地圖的加載、地圖層設置、無人機位置的實時定位、飛行軌跡的繪制4大功能。；
▲ 數據管理模塊：無人機飛行數據的入庫、查詢、展示、數據檢查及數據導出等功能都由該模塊完成，分析與管理以飛行數據為支撐。
2. 功能優勢
● 關鍵數據動態展示：對檢測區域實時情況進行展示，包括設備運行狀態、環境數據、監管參數等。以量化數據直觀、精準展現大氣環境改善程度，保障治理防護工作開展，以及日常巡護監管到位；
● 監測參數實時監控：管理人員可以在任何平臺通過瀏覽器登陸系統，查看監測現場，直接操作現場設備；
● 業務決策高效率：基于云計算服務和大數據平臺技術支撐，面向多樣性海量數據進行整合處理與關聯分析，更大化數據信息價值，提高業務決策效率；
● GPS實時定位：支持地圖比例尺縮放、搜索、定位等功能，適合客戶對每個下屬監控點位進行統一、分組管理，避免雜亂，一目了然。
● 數據報表打印：可以根據時間來制定日報、月報、季報和年報表。并可以導出 EXCEL 表格至本地；
● 統一管理用戶：不同的操作權限實現了不同級別操作人員對數據訪問范圍和數據讀寫性的嚴格控制，建立統一用戶管理平臺，實現所有用戶的身份管理。
無人機氣體檢測儀（4G）
• 軟件系統可以與多家無人機制造商包括大疆所有系列適配；
•帶有自動識別功能，可任意設定檢測氣體，并顯示濕度、溫度、PM2.5、O3、PM10、VOCs等上千種氣體實時濃度值；
• 實時顯示監測數據，生成對應趨勢曲線，還可隨時與歷史數據查看比對。
• 為用戶解決了數據采集、數據分析、結果呈現、工作匯報、數據儲存等一整個流程問題，極大地節省了時間與人力成本；
• 外殼采用防水、防風、防塵、防撞擊設計，大大增加了儀器的抗風險能力；
• 采集的數據具有超高的空間分辨率，可精確到每條街、每棟樓、甚至每個高度，且實現了ppb級別的檢測精度；
• 可同步實時顯示經緯度、高度、飛機狀態、溫度、PM10、PM2.5，以及上千種氣體濃度值；
• 實時數據可通過無線傳輸或GPRS傳輸到到服務器，
三．產品參數：
| 供電 | 12-24V |
| 功耗 | 2W |
| 重量 | 700g |
| GPRS | 有 |
| 檢測氣體 | 見下表 |
| 傳輸方式 | 4G/數傳 |
| 工作溫度 | -20℃-70℃ |
| 工作濕度 | ＜95%RH |
| 防護等級 | IP65 |
| 精度 | 2%FS |
| 壽命 | 2年 |
| 適用機型 | 多旋翼、固定翼 |
| 適用行業 | 管道巡檢、環境巡檢、煙道檢測、消防應急檢測等 |
四．選配氣體：
| 00 無 | 17 氫氧化物 | 2E 苯乙烯 | 45 環乙烷 |
| 01 可燃氣體 | 18 二氧化氯 | 2F 異丁烯 | 46 三氯乙烯 |
| 02 一氧化碳 | 19 硅烷 | 30 亞甲基 | 47 二甲苯 |
| 03 氧氣 | 1A 二硫化碳 | 31 笑氣 | 48 氟利昂 |
| 04 氫氣 | 1B氯氣 | 32 天然氣 | 49 一氯甲烷 |
| 05 甲烷 | 33 光氣 | 4A 二氯甲烷 | |
| 06 丙烷 | 1D 鍺烷 | 34 氯化烯 | |
| 07 二氧化碳 | 1E 氫氣 | 35 甲醇 | 4C 一甲胺 |
| 08 臭氧 | 1F 四氫噻吩 | 36 乙醇 | 4D 正戊烷 |
| 09 硫化氫 | 20 乙炔 | 37 異丙醇 | 4E 正己烷 |
| 0A 二氧化硫 | 21 乙烯 | 38 丙酮 | 4F 正庚烷 |
| 0B 氨氣 | 22 甲醛 | 39 乙醛 | 50 異辛烷 |
| 0C 氯氣 | 23 液化石油氣 | 3A 丙烯晴 | 51 乙烷 |
| 0D 環氧乙烷 | 24 碳氫 | 3B 二甲基硫醚 | 52 石油醚 |
| 10 溴化氫 | 27 VOC | 3E | |
| 29 甲苯 | 40 四氯乙烯 | ||
| 13 氟化氫 | 2A 聯乙烯 | 41 亞硫酰氯 | |
| 14 溴氣 | 2B 氧硫化碳 | 42 乙酸乙烯酯 | |
| 15 一氧化氮 | 2C 聯氨 | 43 硫醇 TBM | |
| 16 二氧化氮 | 2D 硒化氫 | 44 TVOC |
五．智慧云平臺
為更好的服務于企業，我司開發了一款面向企業的物聯網監測云平臺。該平臺具有實時氣體濃度顯示、歷史曲線輸出、GPS定位、歷史軌跡、歷史數據、多級報警、數據導入導出、修改LOGO及公司名稱等多項功能。
平臺功能
● 實時查看污染源監測數據查詢、報警記錄、統計分析以及統一查看等；
● 實時監控：實時采集現場設備的數據，并以表格和動態曲線的方式顯示在軟件界面上；
● 實時超標報警：以短信的方式向客戶及時推送。
● 歷史數據查詢：可以根據時間段自由選擇查詢歷史實時數據、分鐘數據、小時數據和日● 數據，并可以導出EXCEL表格到本地；
● 數據報表分析：可以根據時間來制定日報、月報、季報和年報表。并可以導出 EXCEL 表格至本地；
● GPS實時定位：支持地圖比例尺縮放、搜索、定位等功能，適合客戶對每個下屬監控點位進行統一、分組管理，避免雜亂，一目了然。
無人機氣體檢測儀（數傳）
一．產品概述
圣凱安無人機氣體檢測儀通過電化學傳感技術，可以采集多種復雜地區環境條件下的大氣環境數據，有效地解決地形復雜，天氣惡劣，監測精度低，監測范圍小等一系列的問題，并通過數傳方式上傳至服務器，后端人員可實時通過終端對大氣環境數據進行查詢，實現高效全面的數據查詢，天基監測、地面檢測、高空飛機監測對大氣環境監測系統所產生的誤差。
與現有技術相比，我司的無人機監測系統具有集成度高、應用場景廣，功能擴展性強等特點，可以滿足大多數工業領域的環境監測需求。
二．功能優勢
• IP65防護等級，可保障內部線路安全，達到防濕防高溫以及抗壓的效果；
• 小型化、輕便化，適用于多種工作環境；
• 檢測儀高強度的分辨率和靈活性能夠在同一時間內進行多組分測試，全天
候、實時、連續、自動監測；
• 配套監測平臺，可實時顯示監測數據，生成對應趨勢曲線，還可隨時與歷史數據查看比對；
• 儀器可自動識別氣體種類，保證氣體檢測準確性；
• 由于數傳在現場終端的傳輸距離比較分散，數據通信速率較高，因此數傳版本的無人機氣體檢測儀的實時性可適用于大多數工業領域；
• 立體監測、響應速度快、監測范圍廣、地形干擾小、成本低；
• 可有效解決數據采集、數據分析、結果呈現、工作匯報、數據儲存等一整個流程問題，進一步節省用戶的時間與人力成本；
• 可同步實時顯示經緯度、高度、飛機狀態、溫度、PM10、PM2.5，以及上千種氣體濃度值。
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