基于四旋翼無人機(jī)下的自動巡檢系統(tǒng)

馬向進(jìn) 占禮彬 匡仁 熊啟金 譚文群

摘 要：針對傳統(tǒng)保安看守模式的不足，提出一種基于四旋翼無人機(jī)下的自動巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)以四旋翼無人飛行器為載體，采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)與智能傳感器相結(jié)合的方法，以RF433無線射頻識別和GPRS信息傳輸作為技術(shù)手段，設(shè)計(jì)智能協(xié)同預(yù)警的實(shí)時(shí)監(jiān)測平臺。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)靈敏度高，具有對可疑人員自動識別、定位、追蹤等功能，為新一代安保模式提供了新的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);自動巡檢;智能協(xié)防;智能安防;四旋翼無人機(jī);GPRS

中圖分類號：TP272文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）07-0-02

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，人們對安防產(chǎn)品的要求也越來越高。現(xiàn)在大多數(shù)企業(yè)、學(xué)校、小區(qū)的安保都采用傳統(tǒng)的保安看守模式。然而，由于傳統(tǒng)的保安看守模式存在諸多問題，如人力成本投入過大，保安專業(yè)素質(zhì)偏低，工作效率不高，存在人為的不確定性，從而導(dǎo)致不法分子頻繁盜取企業(yè)物資，任意出入校園作案，進(jìn)入企業(yè)內(nèi)部竊取企業(yè)珍貴資料等事件頻頻發(fā)生。現(xiàn)如今傳統(tǒng)的保安看守模式已經(jīng)難以滿足人們生活的需要。

從以上傳統(tǒng)保安看守模式存在的缺點(diǎn)著手，依托物聯(lián)網(wǎng)、人工智能應(yīng)用[1-3]推廣的大環(huán)境，本文提出一種基于四旋翼無人機(jī)下的自動巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)包括：依托四旋翼無人機(jī)為載體;采用STM32作為系統(tǒng)的主核芯片[4-5]，很大程度地降低系統(tǒng)的功耗;采用智能無線射頻網(wǎng)絡(luò)和智能傳感器的技術(shù)作為系統(tǒng)核心;通過多智能傳感器感知，提高系統(tǒng)預(yù)警的準(zhǔn)確性;運(yùn)用無線射頻標(biāo)識識別，進(jìn)行信息的有效傳輸;搭載高清攝像系統(tǒng)對特定區(qū)域進(jìn)行有效監(jiān)控;無線射頻采用LoRa擴(kuò)頻技術(shù)[6]，其傳輸能力強(qiáng)，在減少傳輸過程中信息丟失的同時(shí)有效地解決了高功耗的問題;提出并建立了實(shí)時(shí)監(jiān)測平臺，有效地解決了傳統(tǒng)安保模式的缺點(diǎn)。此外，本文充分結(jié)合當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)獨(dú)有的手機(jī)APP，成功實(shí)現(xiàn)了預(yù)警信息的實(shí)時(shí)顯示。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與工作原理

整個系統(tǒng)可劃分為無人機(jī)巡航平臺、實(shí)時(shí)監(jiān)測平臺、數(shù)據(jù)分析平臺。該系統(tǒng)結(jié)合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算技術(shù)，以載體無人機(jī)、紅外人體感應(yīng)傳感器、高清攝像頭、RF433無線射頻模塊作為媒介的信息采集端，以GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊作為信息的發(fā)送端，以紅外報(bào)警器、手機(jī)APP、商用云平臺、后臺數(shù)據(jù)庫作為預(yù)警決策終端，采用協(xié)同監(jiān)控策略，利用智能算法、大數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)對可疑人員的識別與持續(xù)追蹤。系統(tǒng)的整體構(gòu)架如圖1所示。

1.1 無人機(jī)巡航平臺

無人機(jī)巡航平臺主要包括采用智能算法的自動巡跡無人機(jī)、紅外傳感器、智能報(bào)警器、GPS定位信息采集和發(fā)送采集信息的無線射頻端。通過多種智能傳感器的協(xié)同作用，可實(shí)現(xiàn)對可疑人員的識別、定位、追蹤。系統(tǒng)巡航路線規(guī)劃模擬圖如圖2所示。

1.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測平臺

實(shí)時(shí)監(jiān)測平臺由高清夜間抓拍攝像頭、接收采集信息的無線射頻端、GPRS通信中轉(zhuǎn)端組成。無線射頻接收端在接收無線射頻發(fā)射端發(fā)送過來的信息后，通過微控制器MCU中轉(zhuǎn)經(jīng)過GPRS模塊發(fā)送給數(shù)據(jù)分析平臺，同時(shí)啟用高清攝像頭抓拍系統(tǒng)，抓拍可疑人員的外貌特征，并將抓拍到的外貌信息發(fā)送給數(shù)據(jù)分析平臺，進(jìn)一步降低虛警率。

系統(tǒng)采用RF433無線射頻識別技術(shù)，便于對單位內(nèi)部人員的識別。通過GPRS通信技術(shù)可有效地將攝像頭抓拍的信息傳送給數(shù)據(jù)分析平臺，此外借助數(shù)據(jù)分析平臺，將處理后得到的預(yù)警信息顯示在手機(jī)APP上。

當(dāng)有人員靠近時(shí)，系統(tǒng)首先啟動無線射頻識別系統(tǒng)，檢測該人員身上是否攜帶身份識別卡，若未檢測到身份識別卡，則立即打開高清攝像頭抓拍系統(tǒng)，對該人員進(jìn)行抓拍，并將采集的信息通過GPRS通信中轉(zhuǎn)平臺發(fā)送到數(shù)據(jù)分析平臺，進(jìn)行人員外貌信息比對。如果判斷為可疑人員，則將信息指令發(fā)送給無人機(jī)巡航平臺，實(shí)現(xiàn)多無人機(jī)自動跟蹤，并響應(yīng)報(bào)警系統(tǒng)，直到安保人員進(jìn)一步核查該人員的身份。

1.3 數(shù)據(jù)分析平臺

數(shù)據(jù)分析平臺主要有單位內(nèi)部人員人臉信息數(shù)據(jù)庫和APP。數(shù)據(jù)庫主要用于對高清攝像頭抓拍的照片進(jìn)行比對，便于做進(jìn)一步預(yù)警決策;APP主要用于建立安保人員與系統(tǒng)的橋梁，實(shí)時(shí)監(jiān)測和顯示預(yù)警信息用來提醒安保人員。

該系統(tǒng)提出一套完整的預(yù)警解決方案，充分利用無人機(jī)的優(yōu)秀特性和各種信息傳輸手段（GPS、無線射頻、GPRS等），實(shí)現(xiàn)信息的有效傳輸與處理，解決了傳統(tǒng)安保模式存在的問題，可以保證24 h實(shí)時(shí)監(jiān)控，對可疑人員持續(xù)追蹤。

2 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的功能特性情況，從系統(tǒng)實(shí)際工作環(huán)境著手，在白天和夜間兩種不同的光線強(qiáng)度下進(jìn)行多次測試以及對各個傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性及準(zhǔn)確性、高清攝像頭抓拍圖片的識別情況、無線射頻識別的準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)分析平臺下APP的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新速度和預(yù)警信息時(shí)效性等方面進(jìn)行多次測試并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.1 系統(tǒng)各個模塊功能測試

（1）智能紅外傳感器測試。測試思路：利用串口調(diào)試助手作為輔助工具，如果一旦紅外傳感器被觸發(fā)、MCU便通過串口向調(diào)試助手發(fā)送“不正常”信息，若紅外傳感器未被觸發(fā)則MCU通過串口向調(diào)試助手發(fā)送“正常”指令。測試結(jié)果如圖3所示。

（2）GPS定位模塊測試。測試過程：通過MCU發(fā)送讀GPS定位信息指令即可通過GPS模塊返回GPS所采集到的位置信息，與此同時(shí)，MCU與PC機(jī)進(jìn)行串口通信，并將返回的位置信息顯示在串口調(diào)試助手窗口上，其位置信息包括目前的經(jīng)緯度信息、時(shí)間信息，并把第一次采集的定位信息作為基準(zhǔn)信息。數(shù)據(jù)測試結(jié)果如圖4所示。

（3）RF無線射頻標(biāo)識識別測試思路如圖5所示。

首先，配置RF433各通道參數(shù)一致，利用串口CH340模塊分別與PC機(jī)連接，進(jìn)而PC機(jī)可以分別與RF433發(fā)送端（圖5中簡記為RF1）和RF433接收端（圖5中簡記為RF2）之間進(jìn)行串口通信;然后，借助兩個串口調(diào)試助手分別記為串口調(diào)試助手窗口1和串口調(diào)試助手窗口2，其中串口調(diào)試助手窗口1用來顯示RF2發(fā)送的信息，串口調(diào)試助手窗口2用來顯示RF1發(fā)送的信息;最后，可達(dá)到測試無線射頻標(biāo)識識別模塊的目的。如果窗口調(diào)試助手窗口1能夠接收到來自RF2發(fā)送的信息且串口調(diào)試助手窗口2能夠接收到來自RF1發(fā)送的信息，則可認(rèn)為無線射頻標(biāo)識模塊測試成功。測試結(jié)果如圖6所示。