大气监测系统多应用于有污染性、危险性且监测难度大的高空，为攻克该难题，本研究使用无人机对大气环境监测。监测数据的实时性、准确性对监测结果的判断和分析至关重要，因此采用传输速率快、低延时的5G环境进行。该系统可同时采集七种气体成分及含量参数。无人机被广泛应用于大气监测中，不仅可以降低人为监测的危险性，还可以提升测量的准确度，节约人力成本。另外，原来工作人员监测大气污染情况后，数据后期手动录入，很容易出现错误，为经济发展带来损失，因此提出多旋翼无人机参与大气监测的方式，但是由于技术等问题并没有得到进一步推广。5G技术的突破使得无人机监测大气环境成为了发展趋势，5G逐渐发展成为无人机领域主导技术，基本上可实现对航线和目标航点的规范功能。5G技术与前面各个时代的差距较大，容易实现通讯技术和互联网的融合。
一、系统组成
5G网联环境下的多旋翼无人机系统主要是基于STM32411的PIXHAWK飞控控制实现的。采用GPS/BD的RTK差分算法，实现定位精度达到厘米级，确保目标航点的准确性。移动站和基准站之间以及图传模块、大气监测模块和地面站之间均采用5G网传。无人机硬件系统如图1所示。飞控系统的设计具有较强的自适应性和鲁棒性，模块化设计，使得维修方便，简化零件更换。系统的控制站主要分为空中飞行部分和地面控制部分，空中飞行平台包含无人机飞控系统，导航和定位系统及大气监测系统模块；地面控制站包含实时的飞行数据显示，飞控指令的传输及气体接收和分析系统。如图2所示。
二、目标航点设定
大气环境监测对象一般是烟囱、工厂等有污染潜在的区域，为了避免对工作人员的人身伤害，采用无人机实现。无人机一般分为多旋翼和固定翼，本研究采用多旋翼无人机可以弥补固定翼无人机无法悬停、操作难度高和价格昂贵的特点。而且多旋翼无人机重量轻、便携、操作简单。本研究地面站采用MissionPlanner操作界面，首先，通过遥控试飞确定目标航点的坐标值。然后通过软件进行航点以及航点高度设置，软件中目标航点设定方法如图3所示。目标航点设定结果如图4所示。无人机利用实时差分定位方法实现厘米级的高精度定位。确保采集结果准确无误。
三、气体监测实验
气体监测装置重量在500克作用，本研究采用六旋翼无人机载荷达到2kg，如图5所示。采用5G网联实现实时通讯。这一部分技术难点在于供电，无人机可自体供电，但是供电电压是5V，而气体监测系统的供电电压为12v，因此，气体检测系统和定位移动站采用单独供电方式进行。本研究大气监测系统集成了其中参数测试模块，分别是二氧化碳、二氧化硫、温度、湿度、PM10、TVOC、PM2.5.通过5G网络实现的实时传输结果。可以根据参数信息与标准规范做对比，鉴定该航点气体排放是否违规超标。
四、系统优势与特点
基于5G网恋的多旋翼无人机大气监测系统的优势在于：5G网络的速度比4G快，且基地的网络时间延时，工作人员可以无线远程操作设备；降低大气检测难度；无人机应用于大气监测，减少人员安全事故的发生，还可以实时传输监测信息；提高监测效率；无人机和5G网联的引入地形、高度都不会对大气监测造成影响，无人机只需要按照设置的目标航点及feixi该路线进行执行即可；降低了投入成本，多个位置的气体监测也只需要一个技术人员和几架或者一架无人机实现即可，无需大量工作人员投入大量时间，便可以高效率、高质量的完成监测任务。
五、总结
本文采用5G网联技术实现高精度导航及其中大气参数指标的实时监测和传输，具有很强的科学价值。直观的描述了大气监测系统的硬件构成和通讯关系，展示了无人机目标航点的设置方式，及七种大气参数监测结果。拓宽了无人机发展研究方向。
作者:王沛元 田红英 付俊豪 李子豪 田红英 单位:山西工程职业学院
