CN108769940A - 基于LoRa技术的牲畜定位和森林草原防火监控系统 - Google Patents

基于LoRa技术的牲畜定位和森林草原防火监控系统 Download PDF

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刘慧�
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刘慧�
胡恩泽
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    • HELECTRICITY
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Abstract

本发明公开了一种基于LoRa技术的牲畜定位和森林草原防火监控系统,属于信息技术领域。所述系统由定位结点、监控结点、接收机、接入网关、云数据系统与移动终端组成,定位结点与监控结点均通过LoRa链路向接收机发送数据;接入网关定期查询各接入机状态,隔离出现故障的接收机并上报其状态信息,同时启用备份接收机并将其接入系统,并将记录上传至云数据系统。移动终端根据用户请求,从云数据系统获取相应数据,通过屏幕显示。本发明具有建设、运行、维护成本低,鲁棒性高,人机交互体验好的优点。

Description

基于LoRa技术的牲畜定位和森林草原防火监控系统
技术领域
[0001] 本发明属于信息技术领域,涉及一种生产信息管理系统,具体是基于LoRa技术的 牲畜定位和森林草原防火监控系统。
背景技术
[0002] 在传统的畜牧业生产管理系统中,常常采用在牲畜上打耳标或放置项圈、通过全 球定位系统(GPS)进行定位、采用蜂窝移动网络传输数据的方式避免牧群走散并实现轮值 放牧。这样做一方面装置耗电量较大,需要经常更换耳标或项圈电池,维护工作较繁杂;另 一方面,单个标签(耳标或项圈)成本较高,不利于大量配置:导致自动化与智能化程度较 低,还有很大的改进空间。
[0003] 在林业生产中,火情监控与预警意义重大,现有技术常通过人力巡视或定点视频 监控实现。但是草场或林场往往面积广阔,人力巡视周期长,反应速度慢,很难达到快速预 警火情的要求。而由摄像机与配套数据传输系统组成的定点视频监控系统,受视频识别技 术的特点限制,对早期预警大范围的火情存在一定困难,且供电要求较高,一般需要配备相 应的供电系统或光伏发电装置,导致大范围、大批量地配置成本较高、难度较大。
[0004] 物联网技术近年来发展迅速,其通过大量低成本数据接入接点实现互联网内接收 并处理数据,有效地提高了生产生活效率。在众多物联网接入技术中,低功耗广域网功耗 低、经济性好、适用于长距离通信,其中又以美国Semtech公司研发的LoRa技术最为突出。 LoRa技术主要运行在433ΜΗζ、868ΜΗζ、915ΜΗζ等全球免费频段,功耗低、经济性好、支持结点 数量多,并可通过扩频实现超远距离的无线传输。除此之外,根据某一LoRa标签发出信号到 达多个接收机的时间差,可解算出标签所在位置,实现定位功能。这一方案简单可靠,且无 需额外的硬件设施。
[0005] LoRa技术因其具备上述特点,可同时实现牲畜定位功能、满足火情监控预警的数 据传输需求。
发明内容
[0006] 本发明针对上述问题,基于LoRa技术提出了一种兼具牲畜定位与森林草原防火监 控功能的生产信息管理系统;具体是基于LoRa技术的牲畜定位和森林草原防火监控系统。
[0007] 所述的牲畜定位与森林草原防火监控系统,包括若干定位结点、若干监控结点、若 干接收机、若干接入网关、一个云数据系统和若干移动终端。
[0008] 每个定位结点置于一个牲畜上并随之移动,通过LoRa链路将各自采集的数据分别 发送至通信范围内的接收机;
[0009] 若干监控结点根据草场或林场的地理结构,按拓扑上均匀分布,分别固定在草场 或林场上,通过自带的光照传感器、烟雾传感器、温度传感器或红外传感器采集附近区域内 植被的状态信息,并按固定间隔通过LoRa链路将各自的监控数据发送至接收机。
[0010] 每个接收机接收信号范围内所有定位结点和监控结点发送的数据并发送至接入 网关,并接受接入网关的定期状态查询与信令控制:针对无应答或上行数据异常的接收机, 则发出信令隔离故障接收机,并将其状态信息上传至云数据系统,同时启用备份接收机,并 将其接入整个系统。
[0011] 并且,接入网关通过定位结点发送的数据到达不同接收机的时间差,解算该定位 结点所在位置;同监控结点的监控数据一起通过云数据系统上传至移动终端,各移动终端 输出定位结点状态、监控结点状态、牲畜位置和火情预警等显示给最终用户。
[0012] 所述的基于LoRa技术的牲畜定位和森林草原防火监控系统的工作过程如下:
[0013] 步骤一、各定位结点通过LoRa链路广播信号,同时各监控结点通过LoRa链路将通 过传感器采集的数据发送至接收机。
[0014] 采集的数据包括光照强度、颗粒物浓度、温度及红外强度。
[0015] 步骤二、接收机接收信号范围内各定位结点广播的信号,对每个信号,将接收机自 身位置坐标、发出信号的结点编号和收到信号的时刻均发送至接入网关;同时接收机将各 监控结点上传的数据发送至接入网关。
[0016] 步骤三、接入网关根据接收的定位节点信息,计算定位结点的位置坐标,并上传至 云数据系统;同时将接收的监控结点采集的数据上传至云数据系统;
[0017] 具体计算如下:
[0018] 针对定位结点i,当定位结点i的广播信号被4台或4台以上接收机接收时,联立求 解如下方程组,得到定位结点i的位置坐标(Xuy1);
[0019] 方程组如下:
[0020]
Figure CN108769940AD00051
[0021] (Xj,Yj)为接收机j的位置坐标,j = 1、2、3、4; tij为接收机j接收到定位结点i广播 信号的时刻,c为信号由任意定位结点传至任意接收机的速度常量J1为定位结点i广播信 号的时刻;
[0022] 步骤四、接入网关向各接收机发送状态查询信号,判断各接收机是否无应答或返 回错误信息,如果是,则判断接收机故障,此时向接收机发送关机信号,向某备用接收机发 送开机信号,并将记录上传至云数据系统。否则,正常处理。
[0023] 步骤五、移动终端根据用户请求,从云数据系统获取相应数据,通过屏幕显示。
[0024] 相应数据包括:各定位结点的编号与位置坐标,各植被覆盖区域的光照强度、颗粒 物浓度、温度、红外强度及火险预警等级,各定位结点及各监控结点的工作状态,故障信息, 系统工作日志。
[0025] 本发明的有益效果是:
[0026] 1)本发明基于LoRa技术的牲畜定位和森林草原防火监控系统,定位结点与监控结 点均采用LoRa技术向接收机发送数据,功耗较低,无需额外的配套设施,减少了建设、运行、 维护所述生产管理系统的成本;
[0027] 2)本发明基于LoRa技术的牲畜定位和森林草原防火监控系统,接入网关定期查询 各接入机状态,隔离出现故障的接收机并上报其状态信息,同时启用备份接收机并将其接 入系统,提高了所述生产管理系统的鲁棒性;
[0028] 3)本发明基于LoRa技术的牲畜定位和森林草原防火监控系统,定位结点状态、监 控结点状态、牲畜位置和火情预警等信息可在智能手机、平板电脑等移动终端接收并查看, 改善了所述生产管理系统的人机交互体验。
附图说明
[0029] 图1是本发明基于LoRa技术的牲畜定位与森林草原防火监控系统的框图;
[0030] 图2是本发明基于LoRa技术的牲畜定位与森林草原防火监控系统的工作流程图。
具体实施方式
[0031] 下面将结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。
[0032] 本发明所述的基于LoRa技术的牲畜定位与森林草原防火监控系统,是一种兼具定 位牲畜与监控预警火情功能的生产信息采集、处理与显示系统。
[0033] 所述的牲畜定位与森林草原防火监控系统,如图1所示,包括若干定位结点、若干 监控结点、若干接收机、若干接入网关、一个云数据系统和若干移动终端。
[0034] 每个定位结点与每个监控结点通过LoRa链路将采集的数据分别发送至通信范围 内的接收机;各接收机通过蜂窝移动网络将接收自各结点的数据发送至接入网关,并接受 接入网关的状态查询与信令控制;接入网关对接收自各接收机的数据进行解码解算,得到 每个定位结点的位置坐标,以及监控结点的监控数据,并有线网络或蜂窝移动网络将处理 结果上传至云数据系统;移动终端通过蜂窝移动网络或Wi-Fi从云数据系统获取处理结果, 显示给最终用户。
[0035] 每个定位结点置于一个牲畜上并随之移动;定位结点以电池供电;
[0036] 若干监控结点根据草场或林场的地理结构,按拓扑上均勾分布,分别固定在草场 或林场上,通过自带的光照传感器、烟雾传感器、温度传感器或红外传感器采集附近区域内 植被的状态信息,并按固定间隔将监控数据发送至接收机。监控结点采用单独电池,或电池 与光伏电池混合供电。
[0037] 接收机的数量少于所有定位结点和监控结点的总数量,每个接收机接收信号范围 内所有定位结点和监控结点发送的数据,各定位结点或监控结点发送的数据可被多个接收 机接收。同时,接收机间通过北斗卫星导航系统、全球定位系统(GPS)或内网NTP (Network Time Protocol)服务动态定期同步时间,以提高解算定位结点所在位置的精度。
[0038] 接入网关以采用PowerPC体系结构的嵌入式计算机为硬件,搭载运行Enea Linux 系统;接入网关的数量通常少于等于接收机,为各接收机分配的接入网关的工作负载保持 平衡;各接收机收集的数据上传给分配的接入网关;接入网关定期查询各接收机工作状态, 针对无应答或上行数据异常的接收机,则发出信令隔离故障接收机,并将其状态信息上传 至云数据系统,同时启用备份接收机,并将其接入整个系统。
[0039] 所述的备份接收机是从所有固定分布的接收机中间隔选择出来的接收机,任一时 刻正常工作的接收机数量至少为4台;固定分布的监控结点可兼作备份接收机。
[0040] 同时接入网关通过定位结点发送的数据到达不同接收机的时间差,解算该定位结 点所在位置。当定位结点数大于或者等于4的时候,联立方程组,计算得到定位结点的坐标。
[0041] 云数据系统以运营商提供的云服务技术为核心,接入网关上传数据与移动终端下 载数据均通过运营商提供的技术接口实现。
[0042] 各移动终端以智能手机或平板电脑为硬件,搭载有与云数据系统配套的应用软 件,根据用户权限从云数据系统下载数据并输出定位结点状态、监控结点状态、牲畜位置和 火情预警等信息至屏幕。
[0043] 所述的基于LoRa技术的牲畜定位和森林草原防火监控系统的工作过程,如图2所 示,具体如下:
[0044] 步骤一、各定位结点通过LoRa链路广播信号,同时各监控结点通过LoRa链路将通 过传感器采集的数据发送至接收机。
[0045] 采集的数据包括光照强度、颗粒物浓度、温度及红外强度。
[0046] 步骤二、接收机接收信号范围内各定位结点广播的信号,对每个信号,将接收机自 身位置坐标、发出信号的结点编号和收到信号的时刻均发送至接入网关;同时接收机将各 监控结点上传的数据发送至接入网关。
[0047] 步骤三、接入网关根据接收的定位节点信息,计算定位结点的位置坐标,并上传至 云数据系统;同时将接收的监控结点采集的数据上传至云数据系统;
[0048] 具体计算如下:
[0049] 针对定位结点i,当定位结点i的广播信号被4台或4台以上接收机接收时,联立求 解如下方程组,得到定位结点i的位置坐标(Xuy1);
[0050] 方程组如下:
[0051]
Figure CN108769940AD00071
[0052] (Xj,Yj)为接收机j的位置坐标,j = 1、2、3、4; tij为接收机j接收到定位结点i广播 信号的时刻,c为信号由任意定位结点传至任意接收机的速度常量J1为定位结点i广播信 号的时刻;
[0053] 步骤四、接入网关向各接收机发送状态查询信号,判断各接收机是否无应答或返 回错误信息,如果是,则判断接收机故障,此时向接收机发送关机信号,向某备用接收机发 送开机信号,并将记录上传至云数据系统。否则,正常处理。
[0054] 步骤五、移动终端根据用户请求,从云数据系统获取相应数据,通过屏幕显示。
[0055] 相应数据包括:各定位结点的编号与位置坐标,各植被覆盖区域的光照强度、颗粒 物浓度、温度、红外强度及火险预警等级,各定位结点及各监控结点的工作状态,故障信息, 系统工作日志等。

Claims (5)

1. 基于LoRa技术的牲畜定位和森林草原防火监控系统,其特征在于,包括若干定位结 点、若干监控结点、若干接收机、若干接入网关、一个云数据系统和若干移动终端; 每个定位结点置于一个牲畜上并随之移动,通过LoRa链路将各自采集的数据分别发送 至通信范围内的接收机; 若干监控结点根据草场或林场的地理结构,按拓扑上均匀分布,分别固定在草场或林 场上,通过自带的光照传感器、烟雾传感器、温度传感器或红外传感器采集附近区域内植被 的状态信息,并按固定间隔通过LoRa链路将各自的监控数据发送至接收机; 每个接收机接收信号范围内所有定位结点和监控结点发送的数据并发送至接入网关, 并接受接入网关的定期状态查询与信令控制:针对无应答或上行数据异常的接收机,则发 出信令隔离故障接收机,并将其状态信息上传至云数据系统,同时启用备份接收机,并将其 接入整个系统; 并且,接入网关通过定位结点发送的数据到达不同接收机的时间差,解算该定位结点 所在位置;同监控结点的监控数据一起通过云数据系统上传至移动终端,各移动终端输出 定位结点状态、监控结点状态、牲畜位置和火情预警显示给最终用户。
2. 根据权利要求1所述的基于LoRa技术的牲畜定位和森林草原防火监控系统,其特征 在于,工作过程如下: 步骤一、各定位结点通过LoRa链路广播信号,同时各监控结点通过LoRa链路将通过传 感器采集的数据发送至接收机; 步骤二、接收机接收信号范围内各定位结点广播的信号,对每个信号,将接收机自身位 置坐标、发出信号的结点编号和收到信号的时刻均发送至接入网关;同时接收机将各监控 结点上传的数据发送至接入网关; 步骤三、接入网关根据接收的定位节点信息,计算定位结点的位置坐标,并上传至云数 据系统;同时将接收的监控结点采集的数据上传至云数据系统; 步骤四、接入网关向各接收机发送状态查询信号,判断各接收机是否无应答或返回错 误信息,如果是,则判断接收机故障,此时向接收机发送关机信号,向某备用接收机发送开 机信号,并将记录上传至云数据系统;否则,正常处理; 步骤五、移动终端根据用户请求,从云数据系统获取相应数据,通过屏幕显示。
3. 根据权利要求2所述的基于LoRa技术的牲畜定位和森林草原防火监控系统,其特征 在于,步骤一所述采集的数据包括光照强度、颗粒物浓度、温度及红外强度。
4. 根据权利要求2所述的基于LoRa技术的牲畜定位和森林草原防火监控系统,其特征 在于,所述步骤三的具体计算如下: 针对定位结点i,当定位结点i的广播信号被4台或4台以上接收机接收时,联立求解如 下方程组,得到定位结点i的位置坐标(Xl,yi); 方程组如下:
Figure CN108769940AC00021
(¾,Yj)为接收机j的位置坐标,j = 1、2、3、4; tij为接收机j接收到定位结点i广播信号的 时刻,c为信号由任意定位结点传至任意接收机的速度常量J1为定位结点i广播信号的时 刻。
5.根据权利要求2所述的基于LoRa技术的牲畜定位和森林草原防火监控系统,其特征 在于,步骤五所述的相应数据包括:各定位结点的编号与位置坐标,各植被覆盖区域的光照 强度、颗粒物浓度、温度、红外强度及火险预警等级,各定位结点及各监控结点的工作状态, 故障信息,系统工作日志。
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