CN204270491U - 基于无人机和无线传感器网络的监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于无人机和无线传感器网络的监控系统，包括无人飞行器装置和环境灾害检测装置；环境灾害检测装置的第一存储模块、第一通信模块、图像模块和传感器模块均与第一处理器模块通信连接，所述第一电源模块为检测装置提供直流电源；无人飞行器装置的飞行控制模块、GPS模块、第二存储模块和第二通信模块均与第二处理器模块通信连接，所述第二电源模块为飞行器提供电源；当无人飞行器装置飞入到环境灾害检测装置的通信范围内时，所述第一通信模块和第二通信模块通过无线通信方式建立连接。达到了低成本且不受3G、4G和卫星通信等网络限制的目的。

Description

基于无人机和无线传感器网络的监控系统

技术领域

本实用新型涉及野外环境灾害信息检测领域，具体地，涉及一种基于无人机和无线传感器网络的监控系统。

背景技术

自古以来，各种自然灾害就一直威胁着人类的生命与财产安全，随着科技的发展，很多自然灾害并不能被阻挡或者消除。同时，预防预警技术与环境监测技术也得到了长足的发展。尤其进入二十一世纪以来，信息技术的发展和物联网的出现对预防预警技术和环境监测技术的进步带来了新的机遇。

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，物联网的核心和基础仍然是互联网，物联网使互联网延伸和扩展到了任何物品与物品之间，实现了全球亿万种物品之间的互连，将不同行业、不同地域、不同应用、不同领域的物理实体按其内在关系紧密地关联在一起。作为崭新的综合性信息系统，物联网并不是单纯的，它包括信息的感知、传输、处理决策、服务等多个方面，呈现出自身显著的特点；物联网是一个由云端组成的一个庞大网络，随着传感器网络大规模部署，各种终端就像蓝海一样，分布到各种各样基础设施上收集信息，在通过各种网络将这些信息发送到云端进行计算和处理，经过计算和处理的信息最后到了应用层为不同的领域各种各样行的支撑服务。

物联网的关键核心技术之一就是无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）技术，该是二十一世纪最有影响力的二十一项技术之一、改变世界的十大技术之一和全球未来的三大高科技之一。这些美誉的接踵而至为无线传感器网络开启了广阔的发展前景和应用空间。

四旋翼无人飞行器是近年来被研究制造出来的新型无人飞行器，能够垂直起降、以四个旋翼作为动力装置的飞行器，具有悬停、倒飞、测飞能力，螺旋桨小，飞行安全，结构简单，控制灵活，对无线干扰较弱等优点。可作为服务器与偏远地区网络节点的数据传输的载体，解决偏远地区的数据传输问题。

我国经纬度跨度大，地形复杂，人口分布广泛，有相当数量的人口居住在山区，多数分布于山谷地带，山谷地带受地势影响成为泥石流、滑坡、山洪多发区。为了有效预防滑坡和泥石流，政府相关部门相继采取了多项措施，不断健全野外环境、灾害监测预警技术，并取得了一些成果。

公开号为CN102928019A的专利文件，公布了一种基于无线传感器和地理信息的环境监测系统及方法，所述系统包括无线传感器网络系统和数据处理及集中监控系统。所述方法如下：终端节点上的传感器模块对周边环境数据进行采集，并将采集到的数据发送到中继节点；中继节点将数据发送到现场采集工作站中的Sink节点；Sink节点把终端节点采集到的数据排队将数据发送到集控分中心系统，集控分中心系统通过GUI人机界面实时监控终端节点所采集到的环境数据；集控分中心通过将环境数据再发送到集控中心，集控中心通过GIS系统发布地理信息GIS服务信息。将环境参数以地图化的形象方式呈现在人机界面上，并对被监测区域发出预警信息，对户外某一区域环境的实时监测。

此专利技术的的优缺点：此系统功能完备，但在使用当中需要部署大量中继节点，花费较大；数据依靠中继节点逐个传输，如果某个偏远节点发生故障，所有数据中断，且需要人工去修理或更换节点，大量的中继节点带来高昂的维修费用。

公开号为CN1034427的专利文件，公布了一种无线遥测泥石流及预警系统，该系统由雨量遥测发射站、流通区提前报警发射站、中心控制室、雨量报警器、桥下检知报警装置和列车防护信号机及控制盘组成。该系统能预报泥水流规模，判别真假泥水流。不仅适合于小规模泥石流的预测及报警，而且适用于大规模泥石流的预测及报警。因该系统采用了拾震传感器和龙头检知线，因此不易受人畜破坏，避免了因误报造成的虚惊。

此专利技术的优缺点：此系统仅通过遥感测量降雨量判断该条件下是否发生泥石流，但该预警系统无雨量以外的其它数据监测，并且没有海量数据处理的能力，其预测精确度与可靠度过低。

公开号为CN102547247A的专利文件，公布了一种基于长距离无线mesh网络的野外智慧监控系统，包括骨干网和子网双层网络，其中骨干网为基于IEEE802.11的长距离无线mesh网络，用于提供高带宽和长距离覆盖；子网包括无线传感器网络WSN和无线局域网WLAN两种类型的网络；无线传感器网络WSN用于生态环境监控数据的采集和传输，根据需要部署有各种类型的采集终端即传感器网络节点，传感器网络节点包括土壤温湿度采集终端，水质采集终端；无线局域网WLAN用于高清图片或视频监控以及监控范围内的语音通信，通过接入无线局域网WLAN的手持移动终端设备和图像采集设备，收集、传输包括语音、图片/视频的大数据量的数据；两种类型的网络都将采集到的数据汇集到骨干网络节点，通过骨干网络上传至监控中心。

根据野外大区域的监控需要，提供一种集视频、语音和生态为一体的智慧监控系统，本实用新型采取的技术方案是，基于长距离无线mesh网络的野外智慧监，包括骨干网和子网双层网络，其中骨干网为基于IEEE 802.11的长距离无线mesh网络；子网包括无线传感器网络WSN和无线局域网WLAN两种类型的网络；两种类型的网络都将采集到的数据汇集到骨干网络节点，通过骨干网络上传至监控中心。本实用新型主要应用于野外大区域监控。

此专利技术的优缺点：该系统使用了基于长距离无线mesh网络数据传输的野外监控系统，有效解决了长距离数据传输问题，但是mesh节点仍需要人工野外部署，部署成本较大，随着使用时间的增长，数据存在中断的隐患。

公开号为CN201707456U的专利文件，公布了一种自适应数据还原分析分发系统，属于气象眼环境监控及灾害预警系统中的一部分，其特征在于：通信网络接收平台将环境数据经图像采集/编码还原服务器处理后，再传送给安装了“四分”系统管理平台的内容管理服务器和硬件管理服务器进行识别，识别后的数据提供监测中心、数据库服务器、流媒体/图片服务器/FTP服务器使用。

采用高可靠集群服务器系统将从分布在野外监测点传回的数据进行处理，并分发给监测中心供预警系统及移动监测人员使用。由于部分野外地区没有高带宽的数据通道只能利用MMS或SMS信令通道进行传输，所以传输前需要对数据进行压缩、编码或文档化。接收到数据后首先对数据进行还原处理，然后进行统一格式化处理，再对数据进行分析，分选，分存，分发的四分处理。所分发的数据格式除支持HTTP格式外，还支持移动通信网络(3G)传输、MMS、SMS信令通道传输。

此专利技术的优缺点：该系统使用移动通信网络(3G)传输、MMS、SMS信令通道传输，严重依赖电信运营商传输数据，除需要支付高额的通讯费用以外，还受限于网络运营商的网络带宽，更重要的是部分偏远地区有可能并没有电信网络覆盖。

公开号为CN102103201A的专利文件，公布了一种多任务模式的湿地数据采集方法及系统，以便携式计算机为平台，结合GPS模块、图像采集模块、红外测距模块、无线通讯模块等硬件设备和自行开发的数据采集软件，采用蓝牙通讯技术、3G网络、GPS技术、空间数据库技术等进行开发，具备有强大的图形处理、空间数据采集、图像采集和属性信息录入能力，本方法及系统可实现湿地野外调查无纸化现场作业，避免了室内内业处理的重复劳动，提高了数据采集的工作效率。并可方便叠加调用现有数据成果进行分析，非常适合湿地保护区野外现场调查工作，如调查湿地植被分布、动物资源分布、水质检测、水力设施、更新湿地数据、项目普查等。本实用新型解决了湿地保护工作中数据采集难、更新难的实际问题。

此专利技术的优缺点：该系统以便携式计算机为平台，具有较强的综合信息采集能力，结合了GPS模块、图像采集模块、红外测距模块、无线通讯模块等硬件设备和数据采集软件。但在数据传输时使用3G网络。面临部分偏远地区有可能并没有电信网络覆盖的困境。

综合上手多种野外环境监测专利技术，都有其共同的弊端：数据传输依靠网络运营商，面临部分野外地区无信号覆盖困境，速率限制，或者需要部署大量中继节点，一个终极节点损坏则可能面临数据中断的可能。

而大部分的监测区域处于人迹罕至的偏远地区，缺乏广泛使用的3G、4G等通信手段的信号覆盖，因此，如何把WSN收集到的数据传到服务端成为关键问题，通常的解决手段是建立直放站或使用卫星通信，由此带来的弊端就是成本高、需要审批。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，针对上述问题，提出一种基于无人机和无线传感器网络的监控系统，低成本且不受制于网络通信实现监控的目的。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于无人机和无线传感器网络的监控系统，包括无人飞行器装置和环境灾害检测装置；所述环境灾害检测装置包括第一处理器模块、第一存储模块、第一通信模块、图像模块、第一电源模块和传感器模块，所述第一存储模块、第一通信模块、图像模块和传感器模块均与第一处理器模块通信连接，所述第一电源模块为检测装置提供直流电源；

所述无人飞行器装置包括在飞行器上设置的第二电源模块、第二处理器模块、飞行控制模块、GPS模块、第二存储模块和第二通信模块，所述飞行控制模块、GPS模块、第二存储模块和第二通信模块均与第二处理器模块通信连接，所述第二电源模块为飞行器提供电源；

当无人飞行器装置飞入到环境灾害检测装置的通信范围内时，所述第一通信模块和第二通信模块通过无线通信方式建立连接。

优选的，所述传感器模块中至少集成了陀螺仪、GPS、土壤压力传感器、土壤水分传感器和降雨量传感器。

优选的，所述第一通信模块和第二通信模块均采用Zigbee芯片。

优选的，所述第一电源模块采用太阳能电池。

优选的，所述图像模块包括摄像头。

优选的，所述第一存储模块和第二存储模块均采用SD卡。

优选的，所述无人飞行器采用四旋翼飞行器。

本实用新型的技术方案具有以下有益效果：

本实用新型的技术方案，通过无人飞行器对设置在偏远网络通信不健全的地区的无人环境灾害检测装置定期进行数据采集，采用自建的短距离通信网络，从而摆脱了对现有3G、4G或卫星通信网络的限制，也不用重新部署专用的网络，从而降低了部署成本。达到了低成本且不受网络限制的目的。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型实施例所述的环境灾害检测装置的原理框图；

图2为本实用新型实施例所述的无人飞行器装置的原理框图；

图3为使用本实用新型实施例所述的基于无人机和无线传感器网络的监控系统的环境灾害监控系统框图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1和图2所示， 一种基于无人机和无线传感器网络的监控系统，包括无人飞行器装置和环境灾害检测装置；环境灾害检测装置包括第一处理器模块、第一存储模块、第一通信模块、图像模块、第一电源模块和传感器模块，所述第一存储模块、第一通信模块、图像模块和传感器模块均与第一处理器模块通信连接，第一电源模块为检测装置提供直流电源；

无人飞行器装置包括在飞行器上设置的第二电源模块、第二处理器模块、飞行控制模块、GPS模块、第二存储模块和第二通信模块，飞行控制模块、GPS模块、第二存储模块和第二通信模块均与第二处理器模块通信连接，第二电源模块为飞行器提供电源；

当无人飞行器装置飞入到环境灾害检测装置的通信范围内时，第一通信模块和第二通信模块通过无线通信方式建立连接。

传感器模块中集成了陀螺仪、GPS、土壤压力传感器、土壤水分传感器和降雨量传感器等器件。 第一通信模块和第二通信模块均采用Zigbee芯片。第一电源模块采用太阳能电池。图像模块包括摄像头。第一存储模块和第二存储模块均采用SD卡。飞行控制模块接受第二处理器模块指令，指挥飞行器的飞行任务；所述GPS模块用来定位飞行器位置；所述第二存储模块用来存储收集的来之监测节点的检测装置信息；所述第二通信模块负责与检测装置进行通信；所述第二处理器模块负责控制整个飞行器的操作，进行数据处理、流程控制和命令控制；所述第二存储模块，存储采集的数据。

本实用新型技术方案的监控系统主要包括三部分：一、信息的采集；二、信息的传输；三、对采集数据的整理与处理。

信息的采集：如图1所示，环境灾害检测装置的智能终端，该终端包括第一处理器模块、第一存储模块、第一通信模块、图像模块、第一电源模块和传感器模块。在传感器模块中集成了陀螺仪、GPS、土壤压力传感器、土壤水分传感器和降雨量传感器等器件，第一通信模块包括Zigbee芯片，图像模块包括摄像头。第一电源模块为所有模块提供正常运行所需要的能量，传感器通常采用低功耗设备，第一电源模块采用太阳能电池供电; 第一处理器模块负责控制整个智能终端的操作，进行数据处理、流程控制和命令控制，处理本身采集的数据；第一存储模块使用大容量SD卡存储数据，传感器模块负责部分信息的采集和数据转换，主要采集外界中的物理信息，如数据采样的地理的具体位置、各种参数和必要的图形信息；第一通信模块负责与四旋翼飞行器进行无线通信，交换控制信息和收发所采集到的数据。

信息的传输：为了克服部分偏远地区没有电信公司信号覆盖的弊端，设立大量中继节点的高昂的费用和中继节点中断的风险，卫星通讯的高昂费用，本实用新型技术方案采用四旋翼飞机作为信息载体，定期自动巡航监测节点位置，获取采集到的信息并送到服务端进行分析。如图2所示，四旋翼飞行器由四旋翼飞行器的飞行装置、第二电源模块、第二处理器模块、飞行控制模块、GPS模块、第二存储模块、Zigbee模块构成。飞行控制模块接受第二处理器模块指令，指挥四旋翼飞行器的飞行任务；GPS模块用来定位飞行器位置；第二存储模块用来存储收集来之监测节点的信息；Zigbee模块负责与监测节点进行通信；第二处理器模块负责控制整个四旋翼飞行器的操作，进行数据处理、流程控制和命令控制，第二存储模块存储采集的数据。

四旋翼飞行器的飞行路径预先规划，并存储在第二存储模块中，并有第二处理器模块调用规划从而智能的控制四旋翼飞行器飞行，不需要进行远程遥控。

对采集数据的整理与处理：四旋翼飞行器定期执行飞行任务，收集监测节点收集的信息，收集回来的海量信息结合气象信息交由服务器集群进行处理，如图3所示，根据风险模型进行分析推演并对可能灾情进行评估。通过网络将结果数据、图表以及可视化信息传输到相关主管部门单位进行灾情预报或生态预警，做出最终抗灾、防灾、减灾等决策。

本实用新型技术方案中在一种具体实施中使用的硬件如表一所示：

。

表一：基于无人机和无线传感器网络的监控系统硬件对照表。

本系统主要针对灾害易发区域或重点环境区域进行临灾预警或生态预警，在特定区域部署一定数量监测终端，对土壤内部水分含量、土壤内部压力、降雨量等关键因素监测，定期由四旋翼飞行器回收数据，传送回监测数据分析平台进行分析处理，借助现存较为成熟的灾害分析模型，完成对各项信息的分析处理、预测和显示，最终达到对灾害预测和生态危机报告目的，进一步帮助灾区人民紧急疏散，保护人民的生命、财产安全和生态环境。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于无人机和无线传感器网络的监控系统，其特征在于，包括无人飞行器装置和环境灾害检测装置；所述环境灾害检测装置包括第一处理器模块、第一存储模块、第一通信模块、图像模块、第一电源模块和传感器模块，所述第一存储模块、第一通信模块、图像模块和传感器模块均与第一处理器模块通信连接，所述第一电源模块为检测装置提供直流电源；

所述无人飞行器装置包括在飞行器上设置的第二电源模块、第二处理器模块、飞行控制模块、GPS模块、第二存储模块和第二通信模块，所述飞行控制模块、GPS模块、第二存储模块和第二通信模块均与第二处理器模块通信连接，所述第二电源模块为飞行器提供电源；

当无人飞行器装置飞入到环境灾害检测装置的通信范围内时，所述第一通信模块和第二通信模块通过无线通信方式建立连接。

2.根据权利要求1所述的基于无人机和无线传感器网络的监控系统，其特征在于，所述传感器模块中至少集成了陀螺仪、GPS、土壤压力传感器、土壤水分传感器和降雨量传感器。

3.根据权利要求1或2所述的基于无人机和无线传感器网络的监控系统，其特征在于，所述第一通信模块和第二通信模块均采用Zigbee芯片。

4.根据权利要求1或2所述的基于无人机和无线传感器网络的监控系统，其特征在于，所述第一电源模块采用太阳能电池。

5.根据权利要求1或2所述的基于无人机和无线传感器网络的监控系统，其特征在于，所述图像模块包括摄像头。

6.根据权利要求1或2所述的基于无人机和无线传感器网络的监控系统，其特征在于，所述第一存储模块和第二存储模块均采用SD卡。

7.根据权利要求1或2所述的基于无人机和无线传感器网络的监控系统，其特征在于，所述无人飞行器采用四旋翼飞行器。