基于无人机的气象数据采集系统设计

admin

人工影响天气业务在防灾减灾工作中凸显越来越重要的作用，并且技术愈加成熟。人工降雨一般是以飞机播撒催化剂的方式实现增雨、降雨，并且观测地面气象数据。但外场人工增雨作业是对气象条件及空气质量有前提条件的，对于机上指挥人员来说，具有一定危险性。所以，如果能用无人机实现自动播撒，自动观测，就能很好地解决安全性的问题。气象观测对于防灾减灾和避免各种气象灾害造成的人员伤亡、经济损失具有重要意义。气象观测主要包括地面、高空、遥感3种观测。无人机自动观测传输就相当于空中自动站。

模拟中由电源、各种气象要素传感器、数据采集器、通信端口和一些软件系统组成。而数据采集器是自动气象站的核心。其主要功能包括数据采集、处理、存储、传输和系统运行管理。数据采集器的数据存储功能是以某种格式保存处理后的数据。保存的数据内容包括分钟数据、小时数据等。根据规定，所有自动气象站数据采集器的观测要素数据应以标准文件格式存储在采集器平台的非易失性数据存储器和外部可插拔CF卡中。文件通常为通用文本格式和二进制格式。文本文件以字符串形式存储各种微小气象要素数据，文件存储在CF中，二进制文件以固定结构的二进制格式存储气象要素数据，文件存储在采集器内的闪存中。

无人机技术在水土保持、稀土开采、地面塌陷和台风灾害等领域的应用越来越多。一些学者在无人机上安装了高光谱成像仪来收集芦苇冠层的光谱。利用无人机获得遥感数据，他们模拟了中国垦利地区东亚飞蝗对芦苇冠层的破坏实验，并成功建立了蝗灾后损失评估模型。结果表明：基于无人机的损失估计模型在有效定量评估和量化蝗虫危害程度方面具有很大潜力。其他学者利用无人机对冬小麦锈病进行了遥感监测。

基于无人机操作获得的小麦冠层图像，他们分析了小麦冠层反射率、各波段反射率与疾病指数之间的关系。然而，关于使用无人值守机构建气象数据采集系统的研究很少。基于现代生活对更智能、更好服务的气象数据采集系统的迫切需求，本文利用微嵌入式技术、自动控制技术、传感器技术和以太网通信技术，设计了一种基于无人机的气象数据采集系统，可实现实时数据采集、处理、存储和传输，传输和显示温度与湿度、风速与风向、降雨量、蒸发量、大气压力和其他气象信息。

1基于无人机的气象数据采集系统

1.1无人机气象数据采集

采集数据主要为温度、相对湿度、大气压力、海拔、经纬度信息和时间。本文采用温湿度传感器、气压传感器和HGPS传感器。气象要素数据从控制器写入SD卡并保存。通过无线数据传输模块发送到地面主机进行实时显示。本文电路采用模块化电路设计，电路之间通过位置网标签连接。气象数据采集系统的电路包括从控制器电路、复位电路、晶体振荡器电路、引导设置电路、电源电路、AM2320电路、bmpl80电路、GPSi=1电路、SD卡存储电路和USB到串口电路。其中，复用了气象数据采集系统电路中USB转串口电路的功能，可作为程序烧写端口或无线数据传输模块接口，如图1所示。

温度和湿度传感器收集温度和相对湿度数据。采用AM2320数字温湿度传感器。它是一种具有校准数字信号输出的温度和湿度复合传感器。它具有特殊的数字模块采集技术和温湿度传感器技术，以确保高可靠性和良好的稳定性。

大气压力传感器测量大气压力。本文采用bmpl80空气压力传感器，该传感器由压阻传感器、模数转换器、E2PROM和具有串行12C接口的控制单元组成。传感器可以输出大气压力值和温度补偿值。

GPS传感器测量海拔、经纬度、风速和风向、气象数据和当前时间，并通过串口通信将GPS信息输出到从控制器。它是一种高性能、低功耗的定位模块。

无线数据传输模块是本设计的主要通信模块，包括发送端和接收端。接收端接收到数据后，通过串口将数据发送到上位机终端进行实时显示。

1.2上位机设计

计算机的上位机语言是QT编程语言。QT是挪威Trolletch公司开发的一种跨平台GUI开发工具，可在windows、Linux、MAC等操作系统和面向对象编程上运行。重要的是它是开源的，并且有详细的开发文档。它使用C++作为开发语言，非常适合开发应用软件。本文使用QTCreator5.10作为集成开发环境。

QT编译器有2种类型，MinGW（windows上的极简GNU，windows下一种简单方便的基于GCC的程序开发环境）和Microsoft的VC编译器（MSVC）。与MSVC相比，MinGW运行速度较慢，但它具有更好的跨平台特性，并且不需要安装C++运行库。因此，选择MinGW作为编译器。

1.2.1上位机功能架构

上位机采用模块化设计思想。采用模块化思想设计的软件程序复杂度低，调试效率高，维护成本低。根据用户对无人机气象信息采集系统的需求，系统功能主要分为“查看历史数据”和“查看实时数据”2部分。2个模块的数据查询要求不同。前者从服务器下载更多数据，而后者需要更少的数据，但后者使用更频繁，前者使用更少。这2个模块可以减轻服务器数据服务的压力，改善用户体验。

1.2.2上位机的功能实现

数据库连接。MySQL数据库驱动程序包含在Qt5及以上版本中。与其他开发环境一样，没有必要指定驱动程序地址和加载驱动程序，但仍然需要动态链接库文件（DLL文件）支持。因此，在使用Qt5连接MySQL数据库之前，请下载MySQL动态链接库文件libmysqlDLL，并将其放入MinGW的编译库文件中，以便在连接到数据库时能调用相应的DLL文件，然后成功连接到数据库。

地理位置显示。QAxWidget类是QT中的窗口控件对象。它支持ActiveX对象，包括word、Excel、PowerPoint、PDF等。当然，它还包括更常见的网页。因此，人们可以使用QAxWidget类加载包含百度地图API的JavaScript文件来调用百度地图接口。本文设计的地图显示了每个设备上次发送数据时的位置。

2模拟实验设计

2.1无人机航路规划

航线规划需要根据相关规范提前设计，然后可以通过地面站系统设置具体的飞行参数，如高度、航线间距等参数。

2.1.1地面分辨率的测定

地面分辨率应根据测绘比例尺、目标区域的实际情况和用途确定，具体对应关系见表1。

2.1.2海拔测定

无人机采集数据时，需要根据公式计算高度，即

式中：H表示高度，m；f表示摄像机焦距，mm；GSD表示地面分辨率，m；a表示像素大小，mm。

2.1.3路由参数设置

路由参数设置非常重要。参数设置是否正确直接影响无人机的图像质量。航向基线的长度决定了摄像机2个曝光点之间的间隔，侧面基线的长度决定了相邻路线之间的间隔。计算公式为

式中：Ax表示野外拍摄长度，m；Bx表示野外路径间距宽度，m；Ox和Oy表示图像幅度长度和宽度，mm；px和py分别表示航向重叠和横向重叠。

2.2数据采集精度测试

在无人机气象数据采集系统的设计和实现过程中，系统测试是系统实现的关键步骤。其主要目的是验证系统收集的数据的准确性和可靠性，并确保在系统推广和演示之前发现并及时修改存在的问题。本文主要测试传感器数据的准确性，并演示该系统的应用。

3模拟实验结果分析

使用精密气压计校准大气压力传感器数据，并将其放置在透明密封的测试室内。通过给实验箱加压或抽取内部空气来改变传感器周围的空气压力，并测量图2所示的比较数据。

如图2所示，本文进行了4组实验。4组测试结果第1组：标准值62.8kPa，实验值62.9kPa；第2组：标准值73.5kPa，实验值73.1kPa；第3组：标准值85.6kPa，实验值85.8kPa；第4组：标准值91.1kPa，实验值90kPa。从以上实验结果可以看出，本文设计的无人机气象检测系统在气压测试中误差较小，能够满足日常使用的需要。

4结论

基于气象观测对于人工影响天气防灾减灾的必要性与紧迫性要求，出于对避免各种气象灾害造成的人员伤亡的考虑，本文引出了研究无人机气象数据采集系统的必要性。在分析和研究国内外自动气象站的发展和现状后，针对气象站行业日常气象数据采集的需要，设计开发了无人机气象数据采集系统。该系统根据气象行业标准和数据采集技术，通过上下位机的软硬件设计，实现了气象数据的采集、存储、下载和实时显示功能。该系统具有精度高、成本低和性能稳定等优点。它可以为科学指导农业生产、防灾减灾提供有力的数据保障，对发展农业物联网、加快农业现代化等具有重要意义。

参考文献：

[1]赵丽斌.基于无人机的气象数据采集系统设计[J].科技创新与应用,2022,12(25):117-120.

声明：本文所用图片、文字均为转载，如有涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认并立即删除内容。本文内容系作者个人观点，不代表物联网123观点或立场。

特别提醒：物联网专业交流群欢迎物联网行业相关的人群加入，同时群内欢迎各路社牛、大咖、前辈加入，群内除了不能发敏感内容、色情内容，以及不太建议多次发送推广内容，其他内容皆可畅聊~——交流QQ群724511126，进群的朋友请备注：姓名-单位-研究方向（无备注请恕不通过），由编辑审核后邀请入群！