CC BY
61УДК 519.6+004.4:504.05
ПРИБОРНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ
МЕЛКОДИСПЕРСНОЙ ПЫЛЬЮ НА БАЗЕ БПЛА
А. В. Токарев
Институт вычислительного моделирования СО РАН, ФИЦ КНЦ СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44 Е-mail: tav@icm.krasn.ru
Рассматривается разработка прибора для оценки уровня загрязнения атмосферы мелкодисперсной пылью (PM) на базе квадрокоптера DJI Phantom 3, что позволяет выполнять измерения на разных высотах и в труднодоступных местах.
Ключевые слова: экологический мониторинг, загрязнение атмосферы, взвешенные частицы, мелкодисперсная пыль, PM2.5, БПЛА.
DRONE BASED DEVICE FOR EVALUATION OF FINE PARTICULATE AIR POLLUTION
A. V. Tokarev
Institute of Computational Modelling of the Siberian Branch of the Russian Academy of Science 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation Е-mail: tav@icm.krasn.ru
This article describes developing of drone-based device for measuring the pollution level of the atmosphere with fine dust (PM). The unit allows performing measurements at different heights and in hard-to-reach places.
Keywords: environmental monitoring, air pollution, particulate matter, PM2.5, drone.
Твердые частицы относятся к наиболее распространенным загрязняющим веществам, поступающим в атмосферный воздух городов в основном в результате выбросов предприятий теплоэнергетики и автотранспорта. Наиболее опасной для здоровья является мелкая фракция - частицы РМ2.5 (частицы с диаметром менее 2,5 мкм) и РМ10 [1].
Системы мониторинга состояния загрязнения атмосферного воздуха в настоящее время создаются и внедряются во многих городах мира как за рубежом, так и в России. Одним из последних трендов стало внедрение веб-ориентированных решений, основанных на распределённой сети относительно дешёвых датчиков [2; 3]. В Институте вычислительного моделирования (ИВМ СО РАН) так же ведутся исследования и разработки программно-аппаратного обеспечения для мониторинга загрязнения атмосферы [4]. Для города Красноярска, попавшего в список наиболее загрязненных городов страны, является актуальным получение объективной информации о закономерностях распространения и рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере города.
Существующие решения направлены в основном на проведение мониторинга у поверхности земли со стационарным размещением датчиков или на транспортных средствах. Однако представляет интерес получение данных о распределении концентрации примесей в атмосфере на разных высотах, а также выполнение измерений в труднодоступных местах. Развитие
технологий зондирования с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) позволит не только получить значительный объем качественных данных для исследований, но и позволит проводить валида-цию данных на новом уровне [5].
Для решения поставленной задачи предлагается прототип прибора для оценки загрязнения атмосферы мелкодисперсной пылью на базе популярной модели квадрокоптера DJI Phantom 3 (см. рисунок). Основные характеристики БПЛА: рама - 350 мм, вес - 1280 г, скорость подъема - до 5 м/с, горизонтальная скорость -до 15 м/с, высота полета - до 6000 м, время полёта -до 23 мин. Поддерживается как ручное управление полетом с радиопульта, так и интеллектуальные режимы полета по заданному маршруту.
Аппаратное обеспечение разработанного прибора построено на базе платы WeMos D1 Mini. Это платформа для разработки устройств на основе WiFi модуля Ai-thinker ESP-12E со встроенным микроконтроллером Espressif ESP8266 и микросхемой flash-памяти 4МБ. Для микроконтроллера была разработана внутренняя микропрограмма на языке Wiring в среде Arduino IDE.
В качестве измеряющего элемента для определения концентрации взвешенных частиц в воздухе выбран модуль PMS7003 - универсальный цифровой датчик компании Plantower [5]. В основе работы датчика лежит измерение рассеивания лазерного излучения на взвешенных частицах.
Использование космическухсредств, технологий и геоинформационныхсистем для мониторинга и моделирования природной среды
- Л Й *
if i. J m - л *
Внешний вид прибора и его отдельных элементов
Текущие метеоусловия (атмосферное давление, температура и влажность) регистрируются с помощью цифрового датчика на основе чипа Bosch BME280. Для определения географических координат и высоты использован GPS модуль с керамической антенной U-blox NEO-6M. Текущий режим работы и показания датчиков выводятся на OLED дисплее. Сохранение данных выполняется в CSV формате на карту памяти micro SD с заданным периодом. Для настройки прибора и выбора режимов работы используется веб-интерфейс, который доступен при подключении по сети Wi-Fi.
На этапе предварительного исследования устройство собиралось и отлаживалось на макетной плате, в дальнейшем прототип был собран в компактном корпусе с креплением к подвесу квадрокоптера и питанием от его основного аккумулятора. Размер устройства (без модуля крепления): 76*76*30 мм, вес: 115 г.
На основе доступных комплектующих собран прототип прибора для измерения уровня загрязнения атмосферы мелкодисперсной пылью PM1, PM2.5, PM10, а также давления, влажности и температуры. Размещение его на БПЛА позволяет выполнять измерения на разных высотах и в труднодоступных местах. Замеры выполняются с заданным периодом, при этом сохраняется привязка данных к географическим координатам, высоте и времени. Устройство находится в опытной эксплуатации, выполнено несколько успешных тестовых полетов.
Библиографические ссылки
1. Рекомендации ВОЗ по качеству воздуха, касающиеся твердых частиц, озона, двуокиси азота и двуокиси серы. Глобальные обновленные данные. Всемирная организация здравоохранения. Женева, Швейцария, 200б. 27 с.
2. Review on WSN Based Outdoor Air Pollution Monitoring System / S. M. Godase, P. M. Korake, V. V. Navarkhele et al. // International Journal Series in Engineering Science. 2016. Vol. 2, No. 5. P. 1-13.
3. An integrated low-cost road trac and air pollution monitoring platform for next citizen observatories / A. Zaldei, F. Camilli, T. de Filippis et al. // Transportation Research Procedia 24, 2017. P. 531-538.
4. Якубайлик О. Э., Кадочников А. А., Токарев А. В. Геоинформационная веб-система и приборно-измерительное обеспечение оперативной оценки загрязнения атмосферы // Автометрия. 2018. Т. 54, № 3. C. 39-46. Doi: 10.15372/AUT20180305.
5. Вторый В. Ф., Вторый С. В. Перспективы экологического мониторинга сельскохозяйственных объектов с использованием беспилотных летательных аппаратов // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства, 2017. Вып. 92. С. 158-166.
6. The Plantower PMS5003 and PMS7003 Air Quality Sensor experiment [Электронный ресурс]. URL: http://aqicn.org/sensor/pms5003-7003/ (дата обращения: 01.09.2018).
References
1. WHO Air quality guidelines for particulate matter, ozone, nitrogen dioxide and sulfur dioxide. Global update 2005: summary of risk assessment. Geneva: World Health Organization, 2006. P. 20.
2. Review on WSN Based Outdoor Air Pollution Monitoring System / S. M. Godase, P. M. Korake, V. V. Navarkhele et al. // International Journal Series in Engineering Science, 2016. Vol. 2, No. 5. P. 1-13.
3. An integrated low-cost road trac and air pollution monitoring platform for next citizen observatories / A. Zaldei, F. Camilli, T. de Filippis et al. // Transportation Research Procedia 24, 2017. P. 531-538.
4. Yakubailik O. E., Kadochnikov A. A., Tokarev A. V. Web Geographic Information System and the Hardware and Software Ensuring Rapid Assessment of Air Pollution. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. 2018. Vol. 54, No. 3. P. 39-46.
5. Vtoryi V. F., Vtoryi S. V. Prospects for Environmental Monitoring of Agricultural Facilities Using Unmanned Aerial Vehicles. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produktsii
rastenievodstva i zhivotnovodstva [Technologies and technical means of mechanized production of crop and livestock products], 2017. Iss. 92. P. 158-166 (In Russ.).
6. The Plantower PMS5003 and PMS7003 Air Quality Sensor experiment. Available at: http://aqicn.org/sensor/ pms5003-7003/ (accessed: 01.09.2018).
© Токарев А. В., 2018
