CN113325774A - 一种基于无人机的森林生态数据监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机的森林生态数据监测系统及监测方法，该系统包括部署于地面的数个生态数据采集节点，用于收集生态数据采集节点所采集数据的无人机以及对数据进行处理和控制无人机飞行的控制中心；所述生态数据采集节点包括主板和搭载于所述主板上的多个传感器以及LoRa模块、存储模块、GPS模块和电源模块一；所述无人机上搭载有LoRa网关一和云台相机，为LoRa网关一供电的电源模块二，以及为无人机飞行以及云台相机工作供电的电源模块三；所述控制中心包括LoRa网关二、数据处理单元、存储单元、数据展示单元和异常警示单元。本发明所公开的系统及方法传输距离更远、成本更低、功耗低、灵活性更强。

Description

一种基于无人机的森林生态数据监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及生态环境监测技术领域，特别涉及一种基于无人机的森林生态数据监测系统及监测方法。

背景技术

森林，是一个高密度的区域，森林与所在的空间的非生物环境有机的结合在一起，构成了完整的生态系统，是人类赖以生存和发展的资源和环境。森林中覆盖着植物群落，对二氧化碳的下降，动物群落，调节水利和巩固土壤起着重要作用，是地球生物圈最重要的生态环境之一。此外，森林也是重要的自然资源之一，其产出的木材及其他林、副产品也是我们生活所不可或缺的，因此，如何更好的对森林生态系统进行观察和维护对人们的生产生活有着重要意义。

如何建设“大范围、高质量”的智能森林生态数据监测系统，是新形势下森林生态监测过程中面临的难题。森林的分布面积广，网络通信基础设施较少、树木的生长周期较长，这些对物联网设备的功耗、成本、组网方式、信号的传输范围都提出了较高的要求。目前业内最常用的林业物联网监测技术是ZigBee。然而，ZigBee的传输距离非常有限(约2km)，而且成本高昂，难以在森林中大规模部署。现今主要依靠的4G、WiFi、GPRS等通信方式来实现森林监测系统的数据的传输，很难适应森林系统的复杂性。

近年来，无人机在环境监测方面的应用越来越广泛。无人机能够克服复杂的天气和复杂的起降场地等困难，不存在人员安全的问题，能进行多批次、不间断飞行，好操作、易控制、便于回收，在环境监测方面有巨大的应用潜力。Caroline等人已经使用无人机搭载WiFi设备用于收集森林数据，虽然该系统可以收集较大的数据量，但是传输距离非常有限。目前有通过无人机搭载传感器进行森林生态数据采集的方式，该方式只有在无人机飞行时才能进行数据采集，无法对森林进行24小时监控；并且无人机仅携带一个LoRa节点，监测的面积非常有限，而且无人机由于电池续航能力差，采集范围也有限。

因此，迫切需要一个低功耗、适应性强，监测范围广、通信质量好的监测系统。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于无人机的森林生态数据监测系统及监测方法，以达到传输距离更远、成本更低、功耗低、灵活性强的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于无人机的森林生态数据监测系统，包括部署于地面的数个生态数据采集节点，用于收集生态数据采集节点所采集数据的无人机以及对数据进行处理和控制无人机飞行的控制中心；所述生态数据采集节点包括主板和搭载于所述主板上的多个传感器以及LoRa模块、存储模块、GPS模块和电源模块一；所述无人机上搭载有LoRa网关一和云台相机，为LoRa网关一供电的电源模块二，以及为无人机飞行以及云台相机工作供电的电源模块三；所述控制中心包括LoRa网关二、数据处理单元、存储单元、数据展示单元和异常警示单元。

上述方案中，所述传感器包括温湿度传感器、光强度传感器、烟雾浓度传感器、可燃气体浓度传感器。

上述方案中，所述主板由Arduino UNO开发板和IO扩展板V7.1组成。

上述方案中，所述Arduino UNO开发板采用Atmel的ATmega328P作为微控制器，集成开发环境采用Arduino官方网站所开发的Arduino IDE。

上述方案中，所述生态数据采集节点的发射功率设定为10-15dBm，接收电流为10.3mA，待机电流为200nA。

一种基于无人机的森林生态数据监测方法，采用上述的基于无人机的森林生态数据监测系统，包括如下过程：

(1)部署于地面的数个生态数据采集节点通过搭载的多个传感器，按照设定的时间间隔周期性采集周围区域的森林气象以及环境信息，并存储在存储模块中；

(2)当无人机飞过时，无人机上的LoRa网关一会发送唤醒信号给生态数据采集节点，生态数据采集节点的LoRa模块接收信号后，将此周期采集到的数据通过LoRa模块发送给无人机搭载的LoRa网关一；

(3)无人机通过LoRa网关一接收数据，并将接收到的数据再通过LoRa网关一发送给控制中心；

(4)控制中心通过LoRa网关二接收无人机的LoRa网关一发来的数据，对数据进行处理和存储，绘制环境变化图像，并进行数据展示或异常警示。

通过上述技术方案，本发明提供的基于无人机的森林生态数据监测系统及监测方法具有如下有益效果：

1、本发明通过部署于地面的数个生态数据采集节点进行周围区域的数据采集，可24小时不间断地进行数据采集工作，监测时间长；

2、本发明充分利用无人机的优势，能够适应多种复杂地形环境，执行多种任务，具备高度的灵活性和机动性。而且，无人机能够穿越信号传播菲涅尔带的障碍物，如植物冠层、树干、树枝、灌木和草等，可以实现大范围、高质量的数据采集。

3、生态数据采集节点和无人机之间的通信方式采用LoRa通信技术，具有功耗低、自组网、传输距离远等特点；不需要通信基站，单个LoRa网络支持的终端节点数目可达数万个，能够实现远距离、广范围的信号传输，同时电池的使用时间较长，部署的经济成本较为低廉。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种基于无人机的森林生态数据监测系统示意图；

图2为本发明实施例所公开的生态数据采集节点的示意图；

图3为本发明实施例所公开的无人机的示意图；

图4为本发明实施例所公开的控制中心示意图。

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。

本发明提供了一种基于无人机的森林生态数据监测系统，如图1所示，包括部署于地面的数个生态数据采集节点，用于收集生态数据采集节点所采集数据的无人机以及对数据进行处理和控制无人机飞行的控制中心。

一、生态数据采集节点

生态数据采集节点主要收集森林生态环境数据，主要监测该片区域的温度、相对湿度、光强度、可燃气体浓度、烟雾浓度等森林气象及环境信息。如图2所示，生态数据采集节点包括主板和搭载于主板上的多个传感器以及LoRa模块、存储模块、GPS模块和电源模块一。传感器包括温湿度传感器、亮度传感器、烟雾浓度传感器、可燃气体浓度传感器。

主板由Arduino UNO开发板和IO扩展板V7.1组成。Arduino UNO开发板采用Atmel的ATmega328P作为微控制器，集成开发环境采用Arduino官方网站所开发的Arduino IDE。生态数据采集节点的发射功率设定为10-15dBm，接收电流为10.3mA，待机电流为200nA。

二、无人机

如图3所示，无人机上搭载有LoRa网关一和云台相机，为LoRa网关一供电的电源模块二(锂电池，提供24V电压)，以及为无人机飞行以及云台相机工作供电的电源模块三。LoRa网关一的扩频天线一产生3db的增益，主要用于与地面的生态数据采集节点之间的信息传输，同时将监测数据传送至控制中心。

LoRa网关采用Rasp-berry Pi或dragino开发的最新一代LoRa网关。无人机采用大疆公司植保无人机，所选用的无人机应能够识别复杂地形环境，实现自主避障和斜坡仿地飞行，满足对于地形和环境的需求。

三、控制中心

控制中心主要有两个方面的功能：

1、控制无人机飞行：

控制端采用控制程序(如QGroundControl)设置无人机的路径、飞行高度、飞行路径等，通过wifi或LTE技术发送给无人机以控制其飞行。

2、对LoRa网关二采集到的数据进行实时分析和处理：

传统森林生态监测方法，对数据的采集、传输以及管理基本还是人工或者半人工状态。数据的处理手段也相对落后，难以短时间内处理大量的、格式多样的观测数据，使得数据所蕴含的信息不能被充分的挖掘出来。控制台拟采用实时数据流处理方法来分析处理数据，首先对采集到的数据进行预处理，判断数据正误，判断数据正确后分类展示。错误数据进行警示，同时如在发生火灾时，可通过监测数据与火灾情境下的值进行比对，以作警示。

如图4所示，控制中心包括LoRa网关二、数据处理单元、存储单元、数据展示单元和异常警示单元。LoRa网关二通过扩频天线二进行7db增益。

一种基于无人机的森林生态数据监测方法，采用上述的基于无人机的森林生态数据监测系统，包括如下过程：

(1)部署于地面的数个生态数据采集节点通过搭载的多个传感器，按照设定的时间间隔周期性采集周围区域的森林气象以及环境信息，并存储在存储模块中；

(2)当无人机飞过时，无人机上的LoRa网关一会发送唤醒信号给生态数据采集节点，生态数据采集节点的LoRa模块接收信号后，将此周期采集到的数据通过LoRa模块发送给无人机搭载的LoRa网关一；

(3)无人机通过LoRa网关一接收数据，并将接收到的数据再通过LoRa网关一发送给控制中心；

(4)控制中心通过LoRa网关二接收无人机的LoRa网关一发来的数据，对数据进行处理和存储，绘制环境变化图像，并进行数据展示或异常警示。

本发明从处理延迟、丢包率两方面指标评价系统的运行效果。

处理延迟：处理延迟是指系统处理接收数据的时间。处理延迟可以根据时间戳以及通信速率计算，结果见表1。处理延迟可以评估系统的数据处理速度，以及系统接收数据的及时性，是森林环境因子采集系统的重要技术指标。

表1本发明实施例的监测系统的处理延迟结果

从表1可以看出，在通信距离达到5km时，处理延迟仅为44.1ms，说明本发明的监测具有实时性。

丢包率：丢包率是指测试中所丢失数据包数量占所发送数据组的比率。计算方法是:“[(输入报文-输出报文)/输入报文]*100％”，结果见表2。丢包率可以评价系统的数据传输性能，是评判系统性能的重要指标，通常情况下，丢包率低会更加可靠。

表2本发明实施例的监测系统的丢包率结果

从表2可以看出，本发明实施例的监测系统不论在通信距离吃好过2km或者有重度雾霾的情况下，丢包率均能控制在很小的范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于无人机的森林生态数据监测系统，其特征在于，包括部署于地面的数个生态数据采集节点，用于收集生态数据采集节点所采集数据的无人机以及对数据进行处理和控制无人机飞行的控制中心；所述生态数据采集节点包括主板和搭载于所述主板上的多个传感器以及LoRa模块、存储模块、GPS模块和电源模块一；所述无人机上搭载有LoRa网关一和云台相机，为LoRa网关一供电的电源模块二，以及为无人机飞行以及云台相机工作供电的电源模块三；所述控制中心包括LoRa网关二、数据处理单元、存储单元、数据展示单元和异常警示单元。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的森林生态数据监测系统，其特征在于，所述传感器包括温湿度传感器、光强度传感器、烟雾浓度传感器、可燃气体浓度传感器。

3.根据权利要求1所述的一种基于无人机的森林生态数据监测系统，其特征在于，所述主板由Arduino UNO开发板和IO扩展板V7.1组成。

4.根据权利要求3所述的一种基于无人机的森林生态数据监测系统，其特征在于，所述Arduino UNO开发板采用Atmel的ATmega328P作为微控制器，集成开发环境采用Arduino官方网站所开发的Arduino IDE。

5.根据权利要求1所述的一种基于无人机的森林生态数据监测系统，其特征在于，所述生态数据采集节点的发射功率设定为10-15dBm，接收电流为10.3mA，待机电流为200nA。

6.一种基于无人机的森林生态数据监测方法，采用如权利要求1所述的基于无人机的森林生态数据监测系统，其特征在于，包括如下过程：

(1)部署于地面的数个生态数据采集节点通过搭载的多个传感器，按照设定的时间间隔周期性采集周围区域的森林气象以及环境信息，并存储在存储模块中；

(2)当无人机飞过时，无人机上的LoRa网关一会发送唤醒信号给生态数据采集节点，生态数据采集节点的LoRa模块接收信号后，将此周期采集到的数据通过LoRa模块发送给无人机搭载的LoRa网关一；

(3)无人机通过LoRa网关一接收数据，并将接收到的数据再通过LoRa网关一发送给控制中心；

(4)控制中心通过LoRa网关二接收无人机的LoRa网关一发来的数据，对数据进行处理和存储，绘制环境变化图像，并进行数据展示或异常警示。

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