IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

 В настоящее время человечество переживает эпоху стремительного научно-технического прогресса, непосредственно затрагивающего все сферы его деятельности. В частности это относится и к мониторингу атмосферы, где новые средства обработки и получения информации помогают своевременно формировать картину реальной обстановки в окружающей среде, выявлять угрозу загрязнения атмосферы, а также прогнозировать последующие изменения в ней. На данный момент существует огромное разнообразие приборов и датчиков, базирующихся на разных методах и механизмах получения информации о конкретных параметрах, покрывающих практически весь спектр атмосферных составляющих: от различимых глазом частиц аэрозоля, до молекул и атомов газов. Задействование этого множества позволяет иметь целостное представление о состоянии воздушной оболочки Земли.

Атмосфера загрязняется как естественными, так и искусственными источниками. Более 90% загрязнений атмосферы имеют антропогенную природу. Основными соединениями, несвойственными для состава воздушной среды, либо превышающими естественную и безопасную для человека норму, являются: оксид углерода, диоксид серы, формальдегид, бенз(а)пирен, пары и капли углеводородов, стирол, а также тяжелые металлы (Pb, Hg, Ni, Cd). Следует отметить важность контролирования содержания озона в атмосфере, так как его многократное превышение опасно для жизни растений, животных и человека.

Проблему повсеместного мониторинга и контроля атмосферы можно разрешить при помощи квадрокоптеров, потенциал которых в данной сфере частично начал раскрываться лишь в последнее десятилетие. Ввиду своей возможности перемещения по воздуху и мобильности, из квадрокоптера можно создать летающий комплекс, который будет собирать необходимую метеоинформацию, регистрировать различного рода загрязнения атмосферы, а также вести фото- и видеосъемку над заданной территорией и на любой высоте в пределах его технических возможностей. Ограничиваться такие запуски будут лишь метеоусловиями и емкостью аккумулятора, хотя уже сейчас существует система подзарядки квадрокоптеров на удаленных от места запуска базах. Также уже есть прототип квадрокоптера на солнечных батареях, что, несомненно, даст толчок к появлению в будущем квадрокоптеров, время полета которых будет ограничиваться лишьВ износом винтов.

Связующим звеном между квадрокоптером и получением информации с датчиков, установленных на нем, является программируемая плата Arduino. Для осуществления приема данных с датчика в среде программирования Arduino IDE пишется специальная программа-скетч, в которой задается набор выполняемых последовательностей. Семейство плат Arduino имеет несколько видов памяти: статическое ОЗУ, флеш-память и EEPROM. Первая предназначена для хранения переменных в процессе выполнения программы, но после перезагрузки Arduino вся информация теряется. Флеш-память используется для хранения скетчей, однако она, как и EEPROM, способна хранить информацию десятки лет и после отключения питания, а также может быть многократно перезаписана. Конкретно для хранения данных и последующего их считывания используется EEPROM, электрически стираемое перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство. Его количество памяти варьируется в пределах от 512 байт и вплоть до 4 кБ и зависимости от вида микроконтроллера, на котором основана плата. Подвид плат расширения Arduino Shield, состыковываемый с платой Arduino и значительно расширяющий ее возможности, позволяет передавать данные с датчика еще некоторыми способами по радиоканалу: GPRS, WI-FI.

Существующее разнообразие датчиков, летные способности квадрокоптера, функционал платы Arduino и простота ее среды программирования позволяют создать аэоромобильный измерительный комплекс, способный внести большой вклад в сферу мониторинга атмосферы. Рассмотрим пример оптимальных для наблюдения параметров метеоквадракоптера. В качестве носителя газоанализатора, созданного на основе платы Arduino и датчиков, обратим внимание на квадрокоптер DJI Phantom 3. Из его характеристик, которые важны для рассматриваемой сферы эксплуатации, выделяются: максимальная дальность полета до 1 км, высота полета до 6 км над уровнем моря, оснащенность модулем GPS, обеспечивающим точное ориентирование и способность автоматически поддерживать постоянное местоположение в воздухе, возможность атвоматических взлета и посадки, а также наличие встроенной камеры, обладающей высоким разрешением (фото — 4000х3000 пикселей, видео — 1080р), и имеющую способность транслирования съемки на всю дальность полета. В качестве бюджетного варианта датчиков, захватывающих наибольщий спектр веществ-загрязнителей атмосферы, предлагаются два датчика – MQ-9 и MQ-135. Регистрируемые ими газы: бензол, спирт, дым, пропан, метан, н-бутан, угарный газ. Минусом использования таких датчиков является сравнительно большая погрешность их измерений. В качестве системы сбора данных с датчиков используется Arduino-совместимая плата с шилдом для передачи данных по радиоканалу.

Относительная дешевизна и минимальный труда людей на создание и поддержание такого устройства, в будущем поспособствует появлению полуавтономной сети сбора информации о состоянии атмосферы, по аналогии с действующей метеорологической. Функционал такой сети позволит обрабатывать повсеместно полученную информацию в режиме реального времени, непрерывно пополнять базу данных мониторинга атмосферы и реагировать на угрозы. Оперативность – определяющий фактор в борьбе загрязнением воздушной среды. Не смотря на то, что у атмосферы есть тенденция к постепенному восстановлению внутреннего баланса, ежегодно растет негативное влияние человеческой деятельности, связанное, в основном, с экологически невыгодными способами добычи электроэнергии. На данный момент локальное загрязнение может быть устранено одиночным комплексом восстановительных процедур, однако по мере накопления вредных веществ по всему пространству атмосферы, точечное воздействие не будет иметь должного эффекта.

Код для цитирования: Скопировать