CN111412787A - 基于LoRa动态自组网的雷场快速探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LoRa动态自组网的雷场快速探测系统，由k个探测分机和一个探测分析主机组成，两者之间通过主机LoRa通信模块和k个分机LoRa通信模块以无线Mesh网络架构为基础、LoRa通信模块为跳转节点、多无线链路为通信路径使k个探测分机和探测分析主机构成无线动态自组网络，探测分析主机用于探测参数设置和动态自组网、数据采集装置同步探测、同步飞行控制，k个探测分机以无线动态自组网为基础形成一个实现大区域雷场的同步、快速扫描探测的系统。其有益效果是：可有效提高探测分机之间无线网络的强健性，增加了通信的距离，扩大了雷场的探测范围，增强系统的稳定性，提升了控制效率，提高雷场探测的准确性、可靠性。

Description

基于LoRa动态自组网的雷场快速探测系统

技术领域

本发明涉及一种雷场探测系统，特别是一种基于LoRa动态自组网的雷场快速探测系统。

背景技术

地雷探测设备或者地雷探测系统种类繁多，技术各不相同，但基本原理都是根据地雷中的某种物质的物理或者化学特性差异来进行检测。随着科技的不断发展以及各国对战后遗留地雷问题的广泛关注，有效的解决地雷探测问题已是国际社会热点问题。传统排查地雷的方法是人工探测，危险性极高，而后出现运用金属探测器、红外成像、超声波探测等多种技术的探测地雷方法；这些探测技术都存在一定的局限性，例如广泛使用的金属探测器，存在探测效率低、准确率低等缺点。

传统地雷探测和识别方法主要为军犬嗅探和人工刺探，显然这些方法既不可靠又危险。随着科学技术的发展，研究人员研究了多种较为先进的地雷探测和识别技术，例如有脉冲电磁感应地雷探测系统、脉冲感应金属探测器、基于等等，但是这些技术存在探测效率低、应用环境简单、系统设备庞大等缺点，，而对于我们国家来说，由于历史原因，在战争期间地雷通常埋藏于边境地区，而该地区地形复杂，植被茂密，且多为丘陵，且雷场覆盖面积大，因此很难应用到边境和复杂底形雷场区域。除此之外，对于远距离且地形地貌复杂的雷场区域，使用地雷探测系统时，需要各个设备之间的均需要采用无线通信的方式，因此需要WSN能满足远距离、低功耗、低成本等雷场探测控制指令传输的要求。而目前常用于WSN的无线通信技术有WIFI、Zigbee、LoRa、4G等，其中WIFI开发简单、组网便捷，但仅限于百米内的短距离传输[5]。Zigbee同样也只适用于短距离传输，且工作在2.4GHz频段容易受到其他信号的干扰。4G通信技术虽然数据传输数率较快，理论上可以达到100Mbit/s，由于在偏远地区4G基站数量比较少甚至无4G基站，导致4G网络不能完全覆盖，4G网络信号比较弱。因此需要研究出一种高效的、大探测覆盖率的、可远距离探测的雷场探测系统，而且该探测系统需要具有稳定的、可靠的、远距离的无线通信络。

发明内容

为了克服上述技术问题，本发明公开了一种基于LoRa动态自组网的雷场快速探测系统。

本发明的技术方案是：一种基于LoRa动态自组网的雷场快速探测系统，由k个探测分机和一个探测分析主机组成，探测分机与探测分析主机之间通过集成与各自内部的LoRa通信模块实现无线通信，探测分析主机放置位置距离探测雷场为L，用于探测参数设置和k个探测分机的动态自组网、数据采集装置同步探测、同步飞行控制，k个探测分机之间通过分机LoRa通信模块组成无线动态自组网络使构成雷场快速探测系统，用于实现对大区域雷场的同步、快速扫描探测；其特征是：在进行快速扫描探测时，根据探测雷场的区域大小和地形地貌，确定探测分机飞行高度h和探测分机个数，系统上电使探测分析主机上的主机LoRa通信模块与各个探测分机上的分机LoRa通信模块完成无线动态自组网，设置数据采集装置的扫描半径r=h、扫描速率v，控制排成直线的探测分机飞行编队同步解锁、起飞、执行飞行，探测分析主机发送同步探测开启控制信号和预设同步时钟脉冲到达时k个数据采集装置内三种不同的探测模块分时、同步开启；所述的数据采集装置用于快速探测时采集雷场区域的数据信息；所述的快速扫描探测以组成无线动态自组网络的k个探测分机为基础，由探测分析主机实时调整扫描速率实现95%的探测覆盖率，可有效提高扫描探测效率，增大扫描探测面积，提高雷场探测的准确性、可靠性。

在本发明中，无线动态自组网络采用无线Mesh网络架构，由一个源节点0和k个跳转节点组成，源节点0和节点1~k内部均集成有路由协议和算法，其中源节点0为集成于探测分析主机上的主机LoRa通信模块，k个跳转节点为集成于k个探测分机上的分机LoRa通信模块，用于远距离、大范围的无线组网通信以实现快速对远距离且地形地貌复杂雷场、大面积区域雷场全部覆盖探测；在无线自组网时，集成于探测分析主机内部的军用PC传输组网信号给主机LoRa通信模块，主机LoRa通信模块作为源节点0将控制信号发送给以分机LoRa通信模块作为接收装置的节点1~k并接收返回信号，根据返回信号并结合主、分机内LoRa通信模块内部路由协议和算法建立无线链路列表，每个节点均有多条无线链路，由算法根据实际通信状况选择通信链路，可避免由于单个节点故障导致自组网发生故障，增强自组动态网络的强健性，其中节点1~k均可与前后两个节点通信，源节点0可与节点0、1通信；在快速探测过程中，可根据快速探测的飞行需求实时调整并发送飞行参数，根据探测需求可实时调整并发送探测参数和同步探测开关控制信号，可有效提高同步扫描探测的效率。

在本发明中，探测分析主机包括主机LoRa通信模块、UART转USB模块、RTK-GPS基站、军用PC、天然磁场探测模块，主机LoRa通信模块通过UART转USB模块与军用PC相连接用于接收军用PC的控制信号并发送给其它分机LoRa通信模块，UART转USB模块用于将军用PC的USB通信方式转为主机LoRa通信模块的UART通信方式，军用PC集成有用于进行快速探测控制的上位机软件，天然磁场探测模块与军用PC相连用于进行探测雷场区域天然磁场信号采集和处理，RTK-GPS基站用于提供固定定位参数和实时同步时钟脉冲信号。

在本发明中，探测分机包括分机LoRa通信模块、数据采集装置、飞行控制器、RTK-GPS移动站、电源模块，分机LoRa通信模块作为无线动态自组网装置用于接收、解析探测主机发送的控制信号，数据采集装置是由数据采集MCU、天然电场探测模块、UWB雷达波探测模块、脉冲电磁感应探测模块、时钟电路、复位电路、存储电路组成，用于根据探测分析主机发送的控制信号和RTK-GPS同步时钟脉冲信号进行三种探测模块的开启控制，其中数据采集MCU作为控制核心用于分机LoRa通信模块接收控制信号的处理、三种探测模块的开/关指令发送、探测数据的融合与处理，天然电场探测模块用于进行雷场天然电场信号的采集和预处理，UWB雷达波探测模块用于进行地表浅层的疑似爆炸物信号采集、预处理，脉冲电磁感应探测模块用于进行地雷的特征信号采集、预处理和识别，飞行控制器作为数据采集装置和其它模块的载体用于承载着其它模块执行飞行任务，RTK-GPS移动站用于提供实时精准定位参数和实时同步时钟脉冲信号，电源模块用于对探测分机进行供电。

本发明的有益效果是：以LoRa通信模块为作为通信节点，使用无线Mesh网络架构使探测分析主机与探测分机、探测分机之间构成动态自组网络，可由探测分析主机实时、远距离、同步控制各个探测分机，可实现对远距离且复杂地形地貌雷场、大区域面积雷场进行高覆盖率的快速探测，采用多无线链路，可增加网络的强健性，可有效提高探测效率和雷场探测的准确性、可靠性。

附图说明

图1是本发明雷场快速探测系统框图；

图2是本发明雷场快速探测动态自组网络架构图；

图3是本发明探测分析主机系统框图；

图4是本发明探测分机系统框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1，一种基于LoRa动态自组网的雷场快速探测系统，由k（k≥2）个探测分机和一个探测分析主机组成，探测分机与探测分析主机内部均集成有LoRa通信模块，其中探测分析主机内部为主机LoRa通信模块，探测分主机内部为分机LoRa通信模块，探测分机与探测分析主机之间通过LoRa通信模块实现无线通信，探测分析主机放置位置距离探测雷场区域为L（L≥200），具体放置位置需根据探测雷场地形地貌选择，用于探测飞行高度、同步时钟脉冲、飞行速率的参数设置和k（k≥2）个探测分机的动态自组网、数据采集装置同步探测、同步飞行控制，k（k≥2）个探测分机之间通过集成于探测分机上的分机LoRa通信模块组成无线动态自组网络，使k（k≥2）个探测分机连接成一个整体的雷场快速探测系统，用于实现对远距离且地形地貌复杂雷场、大区域雷场的同步、快速扫描探测；数据采集装置挂载于探测分机上由探测分机提供电源，且与分机LoRa通信模块相连接，用于解析和处理探测分析主机发送的控制信号并接收RTK-GPS同步时钟脉冲实现各个同步快速探测时对雷场区域的数据信息采集；快速扫描探测以组成无线动态自组网络的k（k≥2）个探测分机为基础，由探测分析主机控制k（k≥2）个探测分机执行扫描探测功能并实时调整探测分机的扫描速率以实现95%的探测覆盖率。

在进行快速扫描探测时，首先根据探测雷场的地图信息确定探测区域大小和形状并在探测主机上规划出探测区域边界，根据设定的探测雷场的区域大小和形状以及根据实际地形地貌情况规划出探测分机飞行高度h（h≤100m），由探测分机飞行高度h确定快速扫描探测半径r，且满足h=r，根据规划出的飞行高度h和快速扫描探测半径r确定探测分机个数并输入在探测分析主机上，设置扫描速率v并预设好同步时钟脉冲，开启探测分析主机上的RTK-GPS基站确定主机经纬度信息，确定探测分机的扫描方向，其扫描方向由探测雷场形状决定，将需要使用的探测分机按顺序摆放于安全区域，成直线排列并上电，开启主机LoRa通信模块和天然磁场探测模块，在探测分析主机控制下发送控制信号给探测分机上的分机LoRa通信模块使主机LoRa通信模块与k（k≥2）个分机LoRa通信模块构成动态自组网，从而使k（k≥2）个探测分机组成一个整体的快速探测系统，探测分析主机通过主机LoRa通信模块发送控制信号给k（k≥2）个探测分机，探测分机上的分机LoRa通信模块将接收到的信号进行解析并将结果给数据采集装置，由数据采集装置控制实现飞行器的同步解锁、起飞、执行飞行，探测分析主机发送同步探测开启控制信号和预设同步时钟脉冲到达时k个数据采集装置内三种不同的探测模块以及天然磁场探测模块分时、同步开启，执行同步探测，可有效提高扫描探测效率，增大扫描探测面积，可减少探测分机电池更换频率，提高雷场探测的准确性、可靠性。

附图2是本发明快速扫描探测动态自组网架构图，无线动态自组网络以无线Mesh网络架构为基础，由一个源节点0和k（k≥2）个跳转节点组成，用于进行远距离、大范围的设备无线组网和通信以使k（k≥2）个探测分机构成一个整体的快速探测系统实现快速、同步对远距离且地形地貌复杂雷场、大面积区域雷场全部覆盖扫描探测，其中源节点0为集成于探测分析主机上的主机LoRa通信模块，主机LoRa通信模块与军用PC相连接用于接收军用PC传送的各类参数信号和探测分机的反馈信号，k（k≥2）个跳转节点为集成于k（k≥2）个探测分机上的分机LoRa通信模块，分机LoRa通信模块与探测分机上的数据采集装置相连接用于将接收到的控制信号传输给数据采集装置，作为源节点0的主机LoRa通信模块和作为跳转节点1~k的分机LoRa通信模块内部均集成有路由协议和算法，每个节点均配置有多条无线链路，其中源节点0与节点1、节点2都可进行通信且采用中继的通信方式以增加点与点之间的通信距离，源节点0与节点1、节点2的通信链路分别为链路0-1和链路0-2，通信优先级为链路0-1高于链路0-2，节点1~节点k均可与前或后两节点范围内任意一个节点进行无线连接且连接的的无线链路均不相同，源节点0节点1、节点2以及k个节点之间的连接由主机LoRa通信模块和分机LoRa通信模块内路由协议和算法以通信距离为基础进行自动识别和自动连接，可避免由于某一节点故障导致整个自组网络崩塌，增强了动态自组网络的强健性，提高了快速探测系统的可靠性。

在无线动态自组网时，首先在集成于探测分析主机内部的军用PC进行组网参数配置，然后以配置的参数为基础，由军用PC传输将组网参数信号传输给主机LoRa通信模块，主机LoRa通信模块作为源节点0将控制信号发送给以分机LoRa通信模块作为接收装置的节点1~k并接收返回信号，根据返回信号并结合主、分机内LoRa通信模块内部路由协议和算法在节点内部建立无线链路列表，且k个节点之间的无线连接和链路选择均由LoRa通信模块内集成的算法根据实际通信状况选择，链路表建立完成后源节点0和k个节点之间自动组成动态网络，以使k个探测分机构成一个整体；在快速探测过程中，军用PC根据快速探测的速度需求、单台探测分机的探测覆盖面积和高度在军用PC上实时调整飞行速度、探测分机扫描半径r和飞行高度h调整参数并通过动态自组网发送给每一个探测分机，探测分机在接收到控制信号后会返回传输成功的指令给探测分析主机并在GPS-RTK的同步脉冲下同步分时开启三种探测模块，可有效提高同步探测的效率。

图3是本发明探测分析主机系统框图，探测分析主机包括主机LoRa通信模块、UART转USB模块、RTK-GPS基站、军用PC、天然磁场探测模块，主机LoRa通信模块通过UART转USB模块与军用PC相连接用于接收军用PC的控制信号并发送给其它分机LoRa通信模块和与探测分机的分机LoRa通信模块进行动态组网，UART转USB模块用于将军用PC的USB通信方式转为主机LoRa通信模块的UART通信，军用PC集成有用于控制动态自组网、同步探测、同步起飞和设置扫描参数、扫描方向的上位机软件，天然磁场探测模块放置于探测雷场区域并进行天然磁场信号采集、处理并将处理的数据传输给军用PC，RTK-GPS基站用于定位和在同步探测时给予同步开启的脉冲信号使各个分机上的探测模块能够是达到同步开启和关闭；探测时，在军用PC上进行探测参数设置、同步时钟脉冲预设、飞行参数设置，由RTK-GPS基站确定探测分析主机的定位位置，控制天然磁场探测模块处于待机状态，军用PC发送组网控制信号通过UART转USB模块将信号传输给主机LoRa通信模块将控制信号发送给探测分机使完成系统的动态自组网，在组网后，发送同步探测信号使天然磁场探测模块与探测分机内数据采集装置分时、依次、同步开启k个探测分机进行快速扫描探测。

图4是本发明探测分机系统框图，探测分机包括分机LoRa通信模块、数据采集装置、飞行控制器、RTK-GPS移动站、电源模块，分机LoRa通信模块用于进行无线动态自组网并接收来自探测主机发送的控制信号，数据采集装置是由数据采集MCU、天然电场探测模块、UWB雷达波探测模块、脉冲电磁感应探测模块、时钟电路、复位电路、存储电路组成，用于根据探测分析主机发送的控制信号和RTK-GPS同步时钟脉冲信号进行三种探测模块的开启控制，其中数据采集MCU作为控制核心用于分机LoRa通信模块接收控制信号的解析、三种探测模块的开/关指令发送、探测数据的融合与处理，天然电场探测模块用于进行天然电场信号的采集和预处理，UWB雷达波探测模块用于进行地表浅层的疑似爆炸物信号采集、预处理，脉冲电磁感应探测模块用于进行地雷的特征信号采集、预处理和识别，飞行控制器作为数据采集装置和其它模块的载体用于承载着其它模块执行飞行任务，RTK-GPS移动站用于对各个探测分机进行实时精准定位并提供实时脉冲信号给数据采集装置用于同步、分时开启三个探测模块，电源模块用于对探测分机进行供电。

本发明的有益效果在于：以主机LoRa通信模块与k个分机LoRa通信模块分别作为源节点0和k个跳转节点，使探测分析主机与k个探测分机共同构成一个动态自组网，采用多无线链路和跳转的无线连接方式可增加源节点0与节点1、2以及k个节点之间无线网络的强健性，增大快速探测系统的通信距离和探测面积，通过探测分析主机实时对k个探测分机的参数的配置和控制，可实现对远距离且地形地貌复杂的雷场、大区域面积雷场进行高覆盖探测，可有效提高快速扫描效率，增加快速探测的扫描面积，同时有效避免时空差异对探测数据的影响，提高雷场探测的准确性、可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.本发明是一种基于LoRa动态自组网的雷场快速探测系统，由k个探测分机和一个探测分析主机组成，探测分机与探测分析主机之间通过集成与各自内部的LoRa通信模块实现无线通信，探测分析主机放置位置距离探测雷场为L，用于探测参数设置和k个探测分机的动态自组网、数据采集装置同步探测、同步飞行控制，k个探测分机之间通过分机LoRa通信模块组成无线动态自组网络使构成雷场快速探测系统，用于实现对大区域雷场的同步、快速扫描探测；其特征是：在进行快速扫描探测时，根据探测雷场的区域大小和地形地貌，确定探测分机飞行高度h和探测分机个数，系统上电使探测分析主机上的主机LoRa通信模块与各个探测分机上的分机LoRa通信模块完成无线动态自组网，设置数据采集装置的扫描半径r=h、扫描速率v，控制排成直线的探测分机飞行编队同步解锁、起飞、执行飞行，探测分析主机发送同步探测开启控制信号和预设同步时钟脉冲到达时k个数据采集装置内三种不同的探测模块分时、同步开启；所述的数据采集装置用于快速探测时采集雷场区域的数据信息；所述的快速扫描探测以组成无线动态自组网络的k个探测分机为基础，由探测分析主机实时调整扫描速率实现95%的探测覆盖率，可有效提高扫描探测效率，增大扫描探测面积，提高雷场探测的准确性、可靠性。

2.根据权利要求1所述的基于LoRa动态自组网的雷场快速探测系统，其特征是：所述的无线动态自组网络由一个源节点0和k个跳转节点组成，采用无线Mesh网络架构，源节点0和节点1~k内部均集成有路由协议和算法，其中源节点0为集成于探测分析主机上的主机LoRa通信模块，k个跳转节点为集成于k个探测分机上的分机LoRa通信模块，用于远距离、大范围的无线组网通信以实现快速对远距离且地形地貌复杂雷场、大面积区域雷场全部覆盖探测；在无线自组网时，集成于探测分析主机内部的军用PC传输组网信号给主机LoRa通信模块，主机LoRa通信模块作为源节点0将控制信号发送给以分机LoRa通信模块作为接收装置的节点1~k并接收返回信号，根据返回信号并结合主、分机内LoRa通信模块内部路由协议和算法建立无线链路列表，每个节点均有多条无线链路，由算法根据实际通信状况选择通信链路，可避免由于单个节点故障导致自组网发生故障，增强自组动态网络的强健性，其中节点1~k均可与前后两个节点通信，源节点0可与节点0、1通信；在快速探测过程中，可根据快速探测的飞行需求实时调整并发送飞行参数，根据探测需求可实时调整并发送探测参数和同步探测开关控制信号，可有效提高同步扫描探测的效率。

3.根据权利要求1所述的基于LoRa动态自组网的雷场快速探测系统，其特征是：所述的探测分析主机包括主机LoRa通信模块、UART转USB模块、RTK-GPS基站、军用PC、天然磁场探测模块，主机LoRa通信模块通过UART转USB模块与军用PC相连接用于接收军用PC的控制信号并发送给其它分机LoRa通信模块，UART转USB模块用于将军用PC的USB通信方式转为主机LoRa通信模块的UART通信方式，军用PC集成有用于进行快速探测控制的上位机软件，天然磁场探测模块与军用PC相连用于进行探测雷场区域天然磁场信号采集和处理，RTK-GPS基站用于提供固定定位参数和实时同步时钟脉冲信号。

4.根据权利要求1所述的基于LoRa动态自组网的雷场快速探测系统，其特征是：所述的探测分机包括分机LoRa通信模块、数据采集装置、飞行控制器、RTK-GPS移动站、电源模块，分机LoRa通信模块作为无线动态自组网装置用于接收、解析探测分析主机发送的控制信号，数据采集装置是由数据采集MCU、天然电场探测模块、UWB雷达波探测模块、脉冲电磁感应探测模块、时钟电路、复位电路、存储电路组成，用于根据探测分析主机发送的控制信号和RTK-GPS同步时钟脉冲信号进行三种探测模块的开启控制，其中数据采集MCU作为控制核心用于分机LoRa通信模块接收控制信号的处理、三种探测模块的开/关指令发送、探测数据的融合处理与反演，天然电场探测模块用于进行雷场天然电场信号的采集和预处理，UWB雷达波探测模块用于进行地表浅层的疑似爆炸物信号采集、预处理，脉冲电磁感应探测模块用于进行地雷的特征信号采集、预处理和识别，飞行控制器作为数据采集装置和其它模块的载体用于承载着其它模块执行飞行任务，RTK-GPS移动站用于提供实时精准定位参数和实时同步时钟脉冲信号，电源模块用于对探测分机进行供电。

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