CN101650201A - 一种地面信息采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种信息采集系统及方法，包括无线传感网络布置在的地面区域；信息采集装置固定无人机上并与地面控制中心无线连接，接收飞行命令和任务指令；第三无线通讯链路连接信息采集装置和无线传感网络，将信息采集装置的命令信息发送到无线传感网络，将无线传感网络采集的数据信息发送到信息采集装置，用于长期监控地面区域的无线传感网络；当无人机进入无线传感网络覆盖的地面区域上空时，无线传感网络通讯单元采用广播的方式向地面区域的无线传感网络发送数据传输命令，无线传感网络将地面传感器接收的地面数据信息生成地表数据传送到无线传感网络通讯单元。本发明构成空中无接触式快速地表信息监控与采集系统，适于采集较大区域的地面信息。

Description

一种地面信息采集系统及方法

技术领域：

本发明属于智能控制以及传感器网络领域，涉及一种采用无人机和无线传感器网络进行地面数据信息采集与监测的系统和方法。

背景技术：

对于地面信息的温度、湿度和酸碱度的采集，目前得主要方式是实地测量。人为地携带传感器和GPS到指定区域，逐步记录各点的数据信息和位置信息，然后通过计算机画出地面信息分布图。显然，采用实地测量方法进行地面信息采集具有很低的效率，采集较大区域的地面信息时，不适合采用这种方法。

对于地面温度信息的采集，可以采用热红外遥感影像方法，这种方法具有效率高，成本低的优点，是目前采集地面温度信息的主要方法。但此方法只适合对于地面温度信息的采集，如果需要采集湿度以及酸碱度的信息，此方法就不再适用。

发明内容

为了解决现有技术的问题，如实地测量方法的地面信息采集效率低，不适于采集较大区域的地面信息，热红外遥感影像方法仅适合对于地面温度信息的采集，本发明的目的是提供一种基于无人机的地面信息采集系统及方法。

为了达成所述目的，本发明的一方面是提供了基于无人机与无线传感网络结合的地面信息采集系统，包括：

一无线传感网络布置在需要勘测地表信息的地面区域；

一信息采集装置的数据采集为非接触式无线通讯采集方式，信息采集装置固定无人机的机体上，信息采集装置与地面控制中心无线连接，用于接收飞行命令和任务指令；

一第三无线通讯链路分别连接信息采集装置和无线传感网络，将信息采集装置的命令信息发送到无线传感网络，并将无线传感网络所采集的数据信息发送到信息采集装置，用于长期监控地面区域的无线传感网络；

当无人机进入无线传感网络覆盖的地面区域上空时，无人机上的无线传感网络通讯单元采用广播的方式向地面区域发送数据传输命令，无线传感网络接收到无线传感网络通讯单元的数据采集命令并将地面传感器接收的地面数据信息生成地表数据传送到无线传感网络通讯单元。

为了达成所述目的，本发明的另一方面是提供的基于无人机的地面信息采集方法步骤包括：

步骤1：无线传感器网络的各个无线传感器节点在没有进行数据采集时处于睡眠状态；

步骤2：当无人机广播采集命令后，接收到命令的无线传感器FFD节点被唤醒，并向其他无线传感器FFD节点转达采集并令，同时向周围的无线传感器RFD节点广播收集数据命令；

步骤3：接收到数据收集命令的无线传感器RFD节点启动其自身连接的传感器，开始测量地面的温度、湿度和酸碱度信息；

步骤4：无线传感器RFD节点将传感器数据发送给其所在簇的无线传感器FFD节点，无线传感器FFD节点将无线传感器RFD节点发来的数据和自己的ID码一起，发送给无人机上的传感器网络通讯单元；

步骤5：中央处理单元将GPS接收到的经纬度作为标记，将接收到的地表信息存储在扩展存储单元中。

本发明的有益效果：本发明基于无人机的地面信息采集系统，结合无线传感器网络可以采集包括土壤温度、土壤湿度和土壤酸碱度的数据信息，解决了热红外遥感影像方法仅适合对于地面温度信息的采集的问题。采用2节5V的干电池给无线传感器节点供电就可以使用一年，并且无线传感器节点成本很低，功能强大，可以长期存留，不必更换，无线传感器网络维护方便，当有无线传感器节点损坏失效时不必对其进行维修，只需要使用无人机在地面信息采集区域重新洒下无线传感器节点，因此适于采集较大区域的地面信息，整个系统维护方便，可靠性高，采集效率高。无线传感器网络的各个无线传感器节点在没有进行数据采集时处于睡眠状态，以节省能量。本发明构成了一个空中无接触式快速地表信息监控与采集系统，适于采集较大区域的地面信息。该系统的结构及方法，不仅适合于地表信息的采集，也适合于环境监测、智能交通等需要大范围、定期取得监测数据的应用领域。

附图说明

图1为一种无人机与无线传感网络结合的地表信息数据采集系统

图2为无人机与无线传感网络数据采集流程图符号说明：

标记号说明：

无人机1                  无线传感器RFD节点71

无线收发单元2            无线传感器FFD节点72

扩展存储器3              地面区域8

中央处理单元4            第一无线通讯链路9

无线传感网络通讯单元5    第二无线通讯链路10

GPS导航单元6             第三无线通讯链路11

无线传感网络7

具体实施方式

下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本发明提供一种基于无人机的地面信息采集系统及方法，采用无人机和无线传感器网络结合的方式进行地面信息采集。系统结构请参见图1所示，无人机1、无线收发单元2、扩展存储单元3、中央处理单元4、无线传感网络通讯单元5、GPS导航单元6、无线传感网络7、监测地面区域8、第一无线通讯链路9、第二无线通讯链路10和第三无线通讯链路11；其中：

第一无线通讯链路9是无线传感器RFD节点71与无线传感器FFD节点72之间无线通讯链路；第二无线通讯链路10是无线传感器FFD节点72与无线传感器FFD节点72之间无线通讯链路；第三无线通讯链路11是无线传感器FFD节点72与无人机上无线传感网络单元5之间无线通讯链路。第一无线通讯链路9和第二无线通讯链路10具有相同的频段，第一无线通讯链路9和第二无线通讯链路10间相互通讯；第三无线通讯链路11与第一无线通讯链路9和第二无线通讯链路10具有不同的通讯频段，第三无线通讯链路11与无线传感器网络通讯单元5独立通讯。

本发明中无线传感网络7布置在需要勘测地表信息的地面区域8；信息采集装置固定无人机1的机体上，信息采集装置与地面控制中心无线连接，用于接收飞行命令和任务指令；第三无线通讯链路11分别连接信息采集装置和无线传感网络7，将信息采集装置的命令信息发送到无线传感网络7，并将无线传感网络7所采集的数据信息发送到信息采集装置，用于长期监控地面区域的无线传感网络7；当无人机1进入无线传感网络7覆盖的地面区域上空时，无人机1上的无线传感网络通讯单元5采用广播的方式向地面区域发送数据传输命令，无线传感网络7接收到无线传感网络通讯单元5的数据采集命令并将地面传感器接收的地面数据信息生成地表数据传送到无线传感网络通讯单元5。

本发明实例中所采用的无人机1为遥控航模直升机改造而成。无人机1选用了雷虎90型混合燃料航模直升机。无人机1采用自动驾驶或遥控飞行，无人机1能够在手动驾驶和自动驾驶之间进行切换，具有自主飞行的功能。

信息采集装置的数据采集为非接触式无线通讯采集方式，信息采集装置固定在无人机1的机体上。

信息采集装置由无线收发单元2、扩展存储单元3、中央处理单元4、无线传感网络通讯单元5和GPS导航单元6组成，无线收发单元2，扩展存储单元3以及无线传感网络通讯单元5和GPS导航单元6分别通过电气连接到中央处理单元4上。无线收发单元2与地面控制中心连接，用于接收飞行命令和任务指令，生成并输出飞行控制指令到无人机1的中央处理单元4；中央处理单元4与无线收发单元2电气连接，接收无线收发单元2发送的无人机1飞行的控制指令，并向无线收发单元2发送无人机1飞行状态的信息；GPS导航单元6与中央处理单元4电气连接，接收中央处理单元5的控制指令测量各传感器位于地面区域8的经纬度，并向中央处理单元4发送测量各传感器位于经纬度的信息；扩展存储器3与中央处理单元4电气连接，接收中央处理单元4采集到的数据以无人机1GPS导航单元测得的地理位置定位信息为标记的数据存储在扩展存储器3中，在无人机飞行任务结束后，按照地理位置获得地表信息；无线传感器网络通讯单元5通过第三无线通讯链路11与中央处理单元4电气连接，用于将中央处理单元4发送的数据采集指令通过广播方式发送到地面无线传感器网络7，并接收无线传感器网络7上的无线传感器FFD节点72通过无线传感器RFD节点71采集到的传感器地表数据信息。由大量的无线传感器RFD节点71和无线传感器FFD节点72组成的无线传感器网络7，具有通讯和采集地面信息的功能。本发明实现对地面的信息采集，并确定地面信息的分布。GPS导航单元6测得的位置信息近似作为中央处理单元4测得的当前无线传感器FFD节点72的位置，中央处理单元4记录存储位置信息、无线传感器FFD节点72的ID号和无线传感器FFD节点72采集地面数据信息。根据中央处理单元4所记录的位置信息、无线传感器FFD节点72的ID号和无线传感器FFD节点72所采集的地面数据信息，在无人机1飞行结束后，经过后处理，绘制出监控地面区域的地表信息土壤温度、湿度和酸碱度信息分布图。

无线收发单元2：无线收发单元2具有两个独立通讯频段的无线通讯链路，一个频段与地面控制中心通讯，另一个频段采集地面无线传感器网络的信息，如地表温度、湿度等。无线收发单元2负责无人机与地面控制中心的通讯与联络。通过无线收发单元2，无人机接受地面控制中心发来的任务指令，如航向、目的地坐标，路径点，期望的飞行速度、高度等。无人机向地面传送自身的状态和飞行数据，如油量、当前位置、航向、速度、高度等。

扩展存储单元3：扩展存储单元主要是用来存贮采集到的地面信息和GPS信息。采用了通用的128M Flash芯片。

中央处理单元4：中央处理单元4固定在无人机1的机体上，中央处理单元4采用嵌入式控制单元或采用数字信号处理器DSP。当选用嵌入式控制单元为嵌入式ARM9处理器时，中央处理单元4由嵌入式ARM9处理器及其外部扩展接口组成。本发明实例中采用的ARM9处理器型号为H9200F的工程评估系统，其内部嵌入了Linux操作系统以及信息采集的控制程序。中央处理单元4通过RS232串口与GPS导航单元6的GPS接收机电气连接，由中央处理单元4内部嵌入的控制程序向GPS导航单元6发送控制信号，启动GPS导航单元6进入工作状态，由GPS导航单元测量位置信息；同时，中央处理单元4通过RS232串口接收由GPS导航单元6所返回的位置信息。中央处理单元4与无线传感网络通讯单元5电气连接，中央处理单元1内部嵌入的控制程序向无线传感网络通讯单元5发送控制指令，并接收由无线传感网络通讯单元5返回的无线传感器节点的传感器数据信息。

无线传感网络通讯单元5：无线传感网络通讯单元5采用CC2420无线收发芯片，CC2420无线收发芯片为全球第一款满足2.4GHz ZigBee产品使用要求的射频IC。CC2420无线收发芯片内部使用1.8V工作电压，功耗很低，外部数字I/O接口使用3.3V电压，在无线收发芯片上集成了一个直流稳压器，可以把3.3V电压转换成1.8V电压。CC2420无线收发芯片具有50个内部寄存器，可以SPI接口与处理器连接。无线传感网络通讯单元5接收来自中央处理单元4的控制指令，并将其无线传感网络通讯单元5从地面无线传感器网络7的无线传感器FFD节点收到的传感器信息发送到中央处理单元4。

GPS导航单元6：GPS导航单元由GPS接收机和GPS天线组成。GPS接收机采用SuperstarII接收机。SuperstarII接收机体积小，功耗低，易于集成，其尺寸为：71cm×46cm，SuperstarII电压具有3.3V和5V两种型号，分别对应0.5W和0.8W的功耗。GPS天线采用GPS-600-LB天线。GPS-600-LB天线尺寸小、重量轻，通过密封的天线屏蔽器保护天线内部不受恶劣环境条件的影响，工作温度范围很宽，而且适合于高振动应用。GPS接收机通过RS232串口与中央处理单元4电气连接，在接收到中央处理单元4的控制信号后开始采集GPS定位数据，并将定位信息发送到中央处理单元4。

无线传感器网络7：由多个无线传感器RFD节点71和多个无线传感器FFD节点72组成；

无线传感器RFD节点71和无线传感器FFD节点72分布于监测地面区域8上，设有第一无线通讯链路9位于每个无线传感器RFD节点71和每个无线传感器FFD72节点之间；多个无线传感器RFD节点71位于地面区域内，在每个无线传感器RFD节点71周围设有多个无线传感器FFD节点72，无线传感器RFD节点71只能与附近的无线传感器FFD节点72通讯；设有第二无线通讯链路10位于无线传感器FFD节点72与无线传感器FFD节点72之间；无线传感器FFD节点72向附近的无线传感器RFD节点71发出传输数据命令，无线传感器FFD节点72作为数据传输中继节点，将自身的编码和无线传感器RFD节点71编码以及采集到的传感器地表信息发送到无人机上的无线传感器网络通讯单元通讯5。各无线传感器FFD节点72相互通讯接收到无人机广播的采集指令后，会立刻将指令发送给其他无线传感器FFD节点。

无线传感器FFD节点72通过第一无线通讯链路9与距离自己50米范围内的无线传感器RFD节点71进行通讯，各无线传感器RFD节点71之间不能通讯。各无线传感器FFD节点72之间能够通过第二无线通讯链路10进行通讯，并且无线传感器FFD节点72之间的无线通讯符合IEEE 802.15.4标准，能够实现多跳。无线传感器RFD节点71按照无线传感器FFD节点72的指令启动，采集与自身连接的传感器信息，然后将信息发送给无线传感器FFD节点72，再按照无线传感器FFD节点72的指令进入休眠状态。地面区域8上的无线传感网络7通过无线传感器FFD节点72和第三无线通讯链路11与无人机1上的无线传感网络通讯单元5进行通讯。无线传感器RFD节点71和无线传感器FFD节点72的硬件结构相同，每个无线传感器节点具有唯一的ID码，区别在于无线传感器FFD节点72上的软件支持无线多跳、数据管理以及与其他无线传感器FFD节点72通讯的功能，通讯距离为100米，需要充足的能量支持。无线传感器网络7的结构是将无线传感器节点71和72放在需要监控地面信息的地面区域，由无人机1控制向地面信息采集区域洒下若干个无线传感器节点。无线传感器节点对地面数据信息进行采集和相互通讯，无线传感器节点按照物理位置分簇和自动组网，簇头是无线传感器FFD节点72。每个无线传感器节点在没有收到来自无人机1无线传感网络通讯单元5的信号时，处于睡眠状态，这样可以节省能量。当无线传感器节点开始对地面数据进行采集时，中央处理单元4通过无线传感网络通讯单元5发送控制指令唤醒无线传感网络的无线传感器FFD节点72，无线传感器FFD节72点发出命令，唤醒无线传感器RFD节点71并开始采集土壤温度、土壤湿度和酸碱度信息，每个无线传感器RFD节点71将采集的数据和自身的ID号发送到所在簇的无线传感器FFD节点。无线传感器FFD节点72将数据打包，通过第三无线通讯链路11，发送给无人机1上的无线传感网络通讯单元5，并由中央控制单元4存储到扩展存储器2中。无线传感器节点采用2节5V的干电池供电，在无线传感器节点损坏或失效时，能够使用无人机1在地面信息采集区域重新洒下新无线传感器节点，整个系统即可恢复功能。

具体的工作过程如下：将整个系统上电运行，并手动起飞无人机1。当无人机1飞行到指定的地面信息采集区域时，切换到自动驾驶状态。此时，无人机1上的中央处理单元4开始工作，由中央处理单元4内部嵌入的控制程序向无人机上的GPS导航单元6发送控制信号，启动GPS导航单元6进入工作状态，测量无人机1当前所在的地理位置，并将位置返回到中央处理单元4。中央处理单元4内部嵌入的控制程序向无线传感网络通讯单元5发送控制指令，并通过第三无线通讯链路11将此命令传送到无线传感器网络1的无线传感器FFD节点72，唤醒处于睡眠状态的FFD节点72。无线传感器FFD节点72唤醒所在簇的所有无线传感器RFD节点71并开始采集土壤温度、土壤湿度和土壤酸碱度信息，或其它地面信息不一一赘述。每个无线传感器RFD节点71将各自采集的数据信息和自身的ID号发送到簇头无线传感器FFD节点72，并由无线传感器FFD节点72发送到无线传感网络通讯单元5，中央处理单元4将此数据信息和ID号与当前时刻GPS导航单元6所返回的位置信息打包记录，完成一个无线传感器节点的数据采集。无人机1在整个区域完成自主飞行后，信息采集装置就得到了整个区域的数据信息采集，将信息采集装置采集的数据按照地理位置获得地表信息下载到地面计算机中进行后续处理，获得勘测地域的分布式的地表数据，由此绘制得到此区域的数据信息分布图。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解或想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1、一种地面信息采集系统，其特征在于，包括：

一无线传感网络布置在需要勘测地表信息的地面区域；

一信息采集装置的数据采集为非接触式无线通讯采集方式，信息采集装置固定无人机的机体上，信息采集装置与地面控制中心无线连接，用于接收飞行命令和任务指令；

一第三无线通讯链路分别连接信息采集装置和无线传感网络，将信息采集装置的命令信息发送到无线传感网络，并将无线传感网络所采集的数据信息发送到信息采集装置，用于长期监控地面区域的无线传感网络；

当无人机进入无线传感网络覆盖的地面区域上空时，无人机上的无线传感网络通讯单元采用广播的方式向地面区域发送数据传输命令，无线传感网络接收到无线传感网络通讯单元的数据采集命令并将地面传感器接收的地面数据信息生成地表数据传送到无线传感网络通讯单元。

2、根据权利要求1所述的地面信息采集系统，其特征在于，其中信息采集装置具有：

一无线收发单元与地面控制中心连接，用于接收飞行命令和任务指令，生成并输出飞行控制指令到无人机的中央处理单元；

一中央处理单元与无线收发单元电气连接，接收无线收发单元发送的无人机飞行控制的指令，并向无线收发单元发送无人机飞行状态的信息；

一GPS导航单元与中央处理单元电1气连接，接收中央处理单元的控制指令测量各传感器位于地面区域的经纬度，并向中央处理单元发送测量各传感器位于经纬度的信息；

一扩展存储器与中央处理单元电气连接，接收中央处理单元采集到的数据以无人机上GPS导航单元测得的地理位置定位信息为标记的数据存储在扩展存储器中，在无人机飞行任务结束后，按照地理位置获得地表信息；

一无线传感器网络通讯单元与中央处理单元电气连接，用于将中央处理单元发送的数据采集指令通过广播方式发送到地面无线传感器网络，并接收无线传感器网络上的传感器采集的地表信息。

3、根据权利要求1所述的地面信息采集系统，其特征在于，其中无线传感网络具有：

多个无线传感器FFD节点位于地面区域内；

设有第一无线通讯链路位于每个无线传感器RFD节点和每个无线传感器FFD节点之间；

多个无线传感器RFD节点位于地面区域内，在每个无线传感器RFD节点周围设有多个无线传感器FFD节点，无线传感器RFD节点只能与附近的无线传感器FFD节点通讯；

设有第二无线通讯链路位于无线传感器FFD节点与无线传感器FFD节点之间；

无线传感器FFD节点向附近的无线传感器RFD节点发出传输数据命令，无线传感器FFD节点作为数据传输中继节点，将自身的编码和无线传感器RFD节点编码以及采集到的传感器地表信息发送到无人机上的传感器网络通讯单元通讯。

4、根据权利要求3所述的地面信息采集系统，其特征在于，各无线传感器FFD节点相互通讯接收到无人机广播的采集指令后，会立刻将指令发送给其他无线传感器FFD节点。

5、根据权利要求1所述的地面信息采集系统，其特征在于，其中地面区域的地表信息是分布式的温度、湿度、酸碱度信息。

6、根据权利要求1或3所述的地面信息采集系统，其特征在于，第一无线通讯链路和第二无线通讯链路具有相同的频段，第一无线通讯链路和第二无线通讯链路间相互通讯；第三无线通讯链路与第一无线通讯链路和第二无线通讯链路具有不同的通讯频段，第三无线通讯链路与无线传感器网络通讯单元独立通讯。

7、根据权利要求1所述的地面信息采集系统，其特征在于：无人机采用自动驾驶或遥控飞行。

8、根据权利要求1所述的地面信息采集系统，其特征在于，还包括：无人机飞行数据采集任务结束后回到地面，将信息采集装置采集的数据下载到地面计算机中进行后续处理，获得勘测地域的分布式的地表数据。

9、一种地面信息采集方法，其特征在于：

步骤1：无线传感器网络的各个无线传感器节点在没有进行数据采集时处于睡眠状态；

步骤2：当无人机广播采集命令后，接收到命令的无线传感器FFD节点被唤醒，并向其他无线传感器FFD节点转达采集并令，同时向周围的无线传感器RFD节点广播收集数据命令；

步骤3：接收到数据收集命令的无线传感器RFD节点启动其自身连接的传感器，开始测量地面的温度、湿度、酸碱度数据；

步骤4：无线传感器RFD节点将传感器数据发送给其所在簇的无线传感器FFD节点，无线传感器FFD节点将无线传感器RFD节点发来的数据和自己的ID码一起，发送给无人机上的传感器网络通讯单元；

步骤5：中央处理单元将GPS接收到的经纬度作为标记，将接收到的地表信息存储在扩展存储单元中。

Images