CN107741747A - 基于无人机的自动森林巡逻系统和方法 - Google Patents

基于无人机的自动森林巡逻系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于无人机的自动森林巡逻系统和方法，包括多个设置在监测点的监测主机，和按设定飞行路线、在第二约定时间飞到预定位置、连接所述监测主机并接收所述监测数据的巡逻无人机，监测主机通过监测单元获取监测数据，并将监测数据存储在第一个存储单元，无人机的第二通讯单元连接第一约定时间开始广播的第一通讯单元，接收监测数据，并将监测数据存储在第二存储单元，然后通过第二通讯单元传递给服务器。通过实施本发明，可以利用无人机全自动的收集森林的相关参数信息，提前发现森林存在的起火隐患，及时地采取扑救措施，从而降低山火发生的频率，减少人员的伤亡及经济损失，且实施本发明，具有成本低，一次部署投资，长期使用的优点。

Description

基于无人机的自动森林巡逻系统和方法
技术领域
本发明涉及无人机应用，更具体地说，涉及一种基于无人机的自动森林巡逻系统和方法。
背景技术
森林占地球表面大约9.5％，全球每年都会有规模大小不一的山火发生，从而导致人员伤亡及直接的、无法估值的经济损失。由于全世界的森林都长期处于无法监控的状况，靠人工巡查，不仅成本高，而且人工巡查的盲区还是大量存在的，容易造成疏漏。现有的监测和监控技术，多就已经发生了险情的地方展开，对于潜在的火灾险情的监测和监控预警，由于森林的范围广，内部环境多较为恶劣，交通多处于不便利的情况，没有办法很及时的检测。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述监测困难的缺陷，提供一种基于无人机的自动森林巡逻系统和方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于无人机的自动森林巡逻系统，包括：
多个设置在森林预置监测点的监测主机，所述监测主机包含：获取所述监测点监测数据的监测单元，与所述监测单元连接、用于存储所述监测数据的第一存储单元，与所述第一存储单元连接、用于按第一约定时间广播发送所述监测数据的第一通讯单元；
按设定飞行路线、在第二约定时间飞到预定位置、连接所述监测主机并接收所述监测数据的巡逻无人机，所述巡逻无人机包含：用于连接所述监测主机、接收所述监测数据并将所述监测数据传输至服务器的第二通讯单元，与所述第二通讯单元相连、用于存储所述监测数据的第二存储单元。
优选地，所述第一通讯单元为蓝牙模块；
所述第二通讯单元包括与所述蓝牙单元相连的蓝牙接收模块，与所述服务器相连的WIFI模块；
所述第一存储单元、第二存储单元为非易失存储器。
优选地，所述蓝牙模块和/或蓝牙接收模块为低功耗蓝牙。
优选地，包含两种可相互切换的工作模式，
在第一工作模式时，所述巡逻无人机通过蓝牙模块的UUID寻找对应的监测主机，并预存对应的位置信息；
在第二工作模式时，所述巡逻无人机根据预存的位置信息，匹配连接对应的监测主机。
优选地，所述监测单元包含监测森林环境参数的传感模块，包括温度传感器、湿度传感器和/或烟雾浓度传感器，分别采集对应的环境参数。
此外，本发明构造了一种基于无人机的自动森林巡逻方法，包括：
S1、通过监测单元获取预置监测点的监测数据，并存储所述监测数据至第一存储单元；
S2、在第一约定时间开始广播发送所述监测数据；
S3、巡逻无人机按设定飞行路线飞行，在第二约定时间到达预定位置，接收所述监测数据并存储至第二存储单元；
S4、巡逻无人机返回基地，上传所述监测数据至服务器。
优选地，在所述步骤S1中，在存储所述监测数据时加上时间戳；和/或
在所述步骤S2中，通过蓝牙模块广播发送所述监测数据；在所述步骤S3中，通过蓝牙接收模块接收所述监测数据并存储至第二存储单元；和/或
在所述步骤S4中，通过WIFI模块上传所述监测数据至服务器。
优选地，所述步骤S3中，接收所述监测数据前同步更新所述蓝牙模块的时间；和/或
所述步骤S4后，返回所述步骤S3。
优选地，在所述步骤S3之前执行以下步骤：
S3-0、所述巡逻无人机按初始路线飞行，通过所述蓝牙模块的UUID匹配对应的监测主机，预存此时的位置信息、并根据所述位置信息修正初始路线，得到设定飞行路线。
优选地，在所述步骤S1中，获取的监测数据包括温度、湿度和/或烟雾浓度参数；设定所述参数的阈值，在所述阈值范围类按第一间隔时间获取所述参数，超出所述阈值按第二间隔时间获取所述参数。
实施本发明的基于无人机的自动森林巡逻系统和方法，具有以下有益效果：无人机就像巡林工人一样，按照要求收集森林的相关参数信息。这样的系统具有全自动、成本低、一次部署投资，长期使用的特点，最重要的是能够提前发现森林存在的起火隐患，及时地采取扑救措施，从而降低山火发生的频率，减少人员的伤亡及经济损失。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明基于无人机的自动巡逻系统一实施例的逻辑框图；
图2是本发明基于无人机的自动巡逻方法一实施例的程序流程图。
具体实施方式
如图1所示，在本发明的基于无人机的自动巡逻系统一实施例中，包括多个设置在森林预置监测点的监测主机和按设定飞行路线、在第二约定时间飞到预定位置、连接监测主机并接收监测数据的巡逻无人机。
具体的，监测主机包含：获取监测点监测数据的监测单元，与监测单元连接、用于存储监测数据的存储单元，与该存储单元连接、用于按第一约定时间广播发送监测数据的蓝牙模块。蓝牙模块为BLE即低功耗蓝牙，也可以采用其它的通讯模块。监测单元包括监测森林环境参数的传感模块，具体的可以为温度传感器、湿度传感器和/或烟雾浓度传感器，分别采集对应的环境参数。根据采集的环境参数，可以判断森林预置监测点的险情预警等级是否严重。采集环境参数时，可以设定参数的阈值，在阈值范围类按第一间隔时间获取，超出阈值按第二间隔时间获取，第二间隔时间要比第一间隔时间短。这里的存储单元可以选择为NVM，即非易失存储器，也可以选取其它存储器。存储器设计为循环存储，维护头指针和尾指针，头指针对应读数据，尾指针服务写数据。监测单元可以通过蓝牙模块的IO口收集参数，在存储到存储器之前，先加上时间戳。
巡逻无人机包含：用于连接监测主机、接收监测数据并将监测数据传输至服务器的通讯单元，与该通讯单元相连、用于存储监测数据的存储单元。这里存储单元可以选择为NVM，采用与监测点主机类似的循环存储方式。巡逻无人机带的通讯单元内核同时包含为BLE的蓝牙接收模块和WIFI模块，还包括了集成的GPS提供位置信息和精准时间。无人机还包括用于显示设备工作状态指示灯和用于固件更新的Micro USB接口，这样蓝牙接收单元可以适用于不同的蓝牙服务。无人机可以设定为两种工作模式：设置模式、主模式。在设置模式时，巡逻无人机通过蓝牙模块的UUID寻找对应的监测主机，并预存对应的位置信息；在主模式时，巡逻无人机根据预存的位置信息，匹配连接对应的监测主机。可以通过短按开关按键切换模式，长按开关按键开关电源。
在一些实施例中，如果不考虑电池的消耗，监测点蓝牙模块为一直慢广播，在任何时间都能被无人机上的蓝牙接收模块发现。在本实施例中，考虑到电池的消耗，监测主机的蓝牙模块执行定时慢广播，无人机根据飞行距离和设定好的飞行速度，计算出与监测点蓝牙主机广播时间一致的时间，设定在那个时间到达森林预定的监测点，例如可以将无人机设定为正点出发，到达森林需时5分钟，接收完所有监测点数据离开需要10分钟，设置第一个监测点在正点过5分钟后开始广播，连续广播10分钟，接收完第一个监测点的监测数据，接收完数据后，第一个监测点停止广播，无人机飞往第二个监测点，在无人机到达第二个监测点时，第二个监测点开始广播，依此完成所有监测点的数据接收，节省能源。此外，监测点的蓝牙模块采用太阳能板供电，其它的时候也可以采用3v的纽扣电池供电。
在本实施例中，考虑野外恶劣的环境，监测主机及其太阳能板的外壳及其之间的电源线都选用防水阻燃材料，传感器安装在外壳表面，并在设备底部留出足够的换气孔，防止元件温度过高，并且所有元器件都适用于高温潮湿环境。监测主机也可以根据需要配备常用的摄像机提供影像资料。
图2是本发明的基于无人机的自动森林巡逻方法的一实施例的流程示意图，具体包括：
S10、通过监测单元获取预置监测点的监测数据，并存储监测数据至第一存储单元。
具体的，通过在森林预置监测点放置的监测单元获取包括温度、湿度和/或烟雾浓度参数的监测数据；在这里也可以设定这些参数的阈值，在阈值范围类按第一间隔时间获取参数，超出阈值按第二间隔时间获取参数。通常第二间隔时间要比第一间隔时间短，这样既能够保证采集数据的准确，精确反应森林的异常变化，监控险情，也能够节约资源。这里的存储单元可以选择为NVM，也可以选取其它存储器。存储器设计为循环存储，维护头指针和尾指针，头指针对应读数据，尾指针服务写数据。
S20、在第一约定时间开始广播发送监测数据。
具体的，蓝牙一般处于关闭状态，定时开始慢广播，等待无人机携带的蓝牙接收机的蓝牙连接请求，才上报数据，数据接收完成后，结束广播，这里的约定广播的时间一般是和无人机到达时间匹配。这里，监测主机在获取参数时，可以根据参数与阈值关系适当调整开始广播的约定时间，例如，在某个监测点，当参数正常时，监测主机约定每正点开始广播；当参数稍微偏离阈值，监测主机调整为每半个小时开始广播；当参数严重偏离阈值时，监测主机调整为更短的时间广播一次甚至为一直广播状态。保证无人机到达后能连接上监测主机，接收监测数据。
S30、巡逻无人机按初始路线飞行，通过所述蓝牙模块的UUID匹配对应的监测主机，预存此时的位置信息、并根据位置信息修正初始路线，得到设定飞行路线。
具体的，先根据预置的监测点的位置信息设置初始巡逻无人机的初始路线，巡逻无人机按照初始路线飞行，搜寻监测点。当靠近某一监测点时，巡逻无人机的蓝牙接收模块根据该监测点蓝牙模块的蓝牙服务的UUID来扫描配对蓝牙模块，发现一致的UUID就把该蓝牙模块的名称和此时无人机的GPS位置信息对应起来。将此时无人机的GPS位置作为该监测点的对应位置，并同监测点的蓝牙模块的名称一起作为该监测点的监测点信息存到NVM。待存取完所有的监测点信息后，无人机返回基地，核对存取的所有监测点名称和对应位置，并根据该对应位置优化飞行路线，将优化后的路线作为无人机后面工作的路线。这个工作是一次性的，可以理解为是在正式使用无人机巡逻之前的一个配置步骤，也有些实施例中，也可以将这个步骤省略，通过其它方式记录监测点的名称和位置信息，只要根据记录的监测点位置信息设定的飞行路线精度能够保证无人机准确连接监测点即可。此外，定位位置的方式不局限为GPS，也可以为北斗或者其它同类定位方式。
S40、巡逻无人机按设定飞行路线飞行，在第二约定时间到达预定位置，根据预存位置信息，匹配对应的监测主机。
具体的，无人机按照设定的飞行路线，在规定的时间到达预定位置，该预定位置是根据存取的监测点信息中的监测点名称和对应位置设定的，可以是一个确切的值，也可以是一个范围，只要保证无人机在到达预定位置后，无人机的蓝牙接收模块与该飞行路线上蓝牙模块能够连接上即可。当无人机到达预定位置，会核对自己的实时位置，并和预存的监测点信息包括名称和对应位置进行比较，当该实时位置与监测点的对应位置接近或者一致，无人机则打开蓝牙，扫描连接监测点蓝牙设备。在其它实施例中，也通过名称或者其它信息匹配对应监测主机。
无人机的到达时间按照监测点的位置和飞行路线设置，无人机根据飞行距离和设定好的飞行速度，计算出与监测点蓝牙主机广播时间一致的时间，设定在那个时间到达森林预定的监测点，例如：可以将无人机设定为正点出发，到达森林需时5分钟，接收完所有监测点数据离开需要10分钟，设置第一个监测点在正点过5分钟后开始广播，连续广播10分钟，接收完第一个监测点的监测数据，接收完数据后，第一个监测点停止广播，无人机飞往第二个监测点，在无人机到达第二个监测点时，第一个监测点开始广播，依此完成所有监测点的数据接收，节省能源，当然这里的时间设置是根据需要设置。
S50、同步更新蓝牙模块的时间，接收监测数据并存储至第二存储单元。
具体的，在这个监测数据接收过程中通常是记录时间的，但是由于蓝牙模块依靠晶振计算时间，会逐渐偏离准确时间，所以无人机上的蓝牙接收机在连接上监测点蓝牙主机后，首先把来自GPS的精准时间同步给蓝牙主机，再接收数据，保证监测主机的时间一直和无人机时间同步。这里存储单元可以选择为NVM，采用与监测点主机类似的循环存储方式。
S60、巡逻无人机返回基地，上传监测数据至服务器，返回步骤S40。
具体的，基地可以设置为任意位置，在该位置只需要配备Wi-Fi路由器和相应的服务程序就可以接收蓝牙接收机中存储的数据。当然在其它的实施例中也可以使用其它的通讯方式将接收数据进行上传或保存处理。设定无人机按照固定周期，重复执行收集森林的相关参数信息，达到全自动的时刻监控森林情况的目的。还可以设置服务器在分析采集的数据后，根据数据情况重新优化无人机的飞行周期和飞行路线。如果数据正常，无人机按长周期飞行；如果数据稍微偏离阈值，则缩短飞行间隔时间，增加飞行次数；如果出现某一监测点数据超出阈值严重，则修改无人机飞行路线，飞往该监测点再次获取监测数据进行确认，同时发出警报。
可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种基于无人机的自动森林巡逻系统，其特征在于，包括：
多个设置在森林预置监测点的监测主机，所述监测主机包含：获取所述监测点监测数据的监测单元，与所述监测单元连接、用于存储所述监测数据的第一存储单元，与所述第一存储单元连接、用于按第一约定时间广播发送所述监测数据的第一通讯单元；
按设定飞行路线、在第二约定时间飞到预定位置、连接所述监测主机并接收所述监测数据的巡逻无人机，所述巡逻无人机包含：用于连接所述监测主机、接收所述监测数据并将所述监测数据传输至服务器的第二通讯单元，与所述第二通讯单元相连、用于存储所述监测数据的第二存储单元。
2.根据权利要求1所述的基于无人机的自动森林巡逻系统，其特征在于，
所述第一通讯单元为蓝牙模块；
所述第二通讯单元包括与所述蓝牙单元相连的蓝牙接收模块，与所述服务器相连的WIFI模块；
所述第一存储单元、第二存储单元为非易失存储器。
3.根据权利要求2所述的基于无人机的自动森林巡逻系统，其特征在于，
所述蓝牙模块和/或蓝牙接收模块为低功耗蓝牙。
4.根据权利要求3所述的基于无人机的自动森林巡逻系统，其特征在于，包含两种可相互切换的工作模式，
在第一工作模式时，所述巡逻无人机通过蓝牙模块的UUID寻找对应的监测主机，并预存对应的位置信息；
在第二工作模式时，所述巡逻无人机根据预存的位置信息，匹配连接对应的监测主机。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于无人机的自动森林巡逻系统，其特征在于，
所述监测单元包含监测森林环境参数的传感模块，包括温度传感器、湿度传感器和/或烟雾浓度传感器，分别采集对应的环境参数。
6.一种基于无人机的自动森林巡逻方法，其特征在于，包括：
S1、通过监测单元获取预置监测点的监测数据，并存储所述监测数据至第一存储单元；
S2、在第一约定时间开始广播发送所述监测数据；
S3、巡逻无人机按设定飞行路线飞行，在第二约定时间到达预定位置，接收所述监测数据并存储至第二存储单元；
S4、巡逻无人机返回基地，上传所述监测数据至服务器。
7.根据权利要求6所述的基于无人机的自动森林巡逻方法，其特征在于，
在所述步骤S1中，在存储所述监测数据时加上时间戳；和/或
在所述步骤S2中，通过蓝牙模块广播发送所述监测数据；在所述步骤S3中，通过蓝牙接收模块接收所述监测数据并存储至第二存储单元；和/或
在所述步骤S4中，通过WIFI模块上传所述监测数据至服务器。
8.根据权利要求7所述的基于无人机的自动森林巡逻方法，其特征在于，
所述步骤S3中，接收所述监测数据前同步更新所述蓝牙模块的时间；和/或
所述步骤S4后，返回所述步骤S3。
9.根据权利要求8所述的基于无人机的自动森林巡逻方法，其特征在于，在所述步骤S3之前执行以下步骤：
S3-0、所述巡逻无人机按初始路线飞行，通过所述蓝牙模块的UUID匹配对应的监测主机，预存此时的位置信息、并根据所述位置信息修正初始路线，得到设定飞行路线。
10.根据权利要求7-9任一项所述的基于无人机的自动森林巡逻方法，其特征在于，
在所述步骤S1中，获取的监测数据包括温度、湿度和/或烟雾浓度参数；设定所述参数的阈值，在所述阈值范围类按第一间隔时间获取所述参数，超出所述阈值按第二间隔时间获取所述参数。
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