基于NB-IoT的無人機森林防火氣象實時監(jiān)測系統(tǒng)

余淑婷 沈學海 謝秀齊 何曉昀

本文結合5G信息處理高效率高，NB-IoT技術的數(shù)據(jù)傳輸?shù)脱訒r和無人機體積小、飛行便捷的特點，開發(fā)出一套能實時反應林火信息并進行火勢變化分析的系統(tǒng)。

森林防火是林業(yè)中的重中之重，森林分布分散，氣候及其地理環(huán)境復雜多變，傳統(tǒng)的巡查方法效率較低，遇到較大火勢時無法實現(xiàn)實時監(jiān)控。搭載5G物聯(lián)網(wǎng)的無人機天氣檢測系統(tǒng)，可通過物聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)進行實時遠距離傳輸信息，運用無人機的體型小，飛行便捷、高性能且對降落點無要求的特點，實現(xiàn)對森林防火的實時檢測。

系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)采用NB-IoT通信技術將數(shù)據(jù)通過5G基站傳送至窄帶物聯(lián)網(wǎng)平臺，對氣象數(shù)據(jù)、地面情況等數(shù)據(jù)進行分析，通過MQTT通信協(xié)議與后端云服務平臺建立實時通信。NB-IoT是IoT領域基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)的新興技術，支持低功耗設備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，和對網(wǎng)絡連接要求較高設備的高效連接。其具備覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗少和架構優(yōu)等特點。使用NB-IoT可以極大地降低數(shù)據(jù)傳輸延時。

無人機是采用高清攝像頭的探測器，可將獲得的視頻通過與5G基站建立的蜂窩網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)實時發(fā)回地面站，通過圖像識別技術在返還的影像中主動監(jiān)測煙火，并顯示相關監(jiān)測數(shù)據(jù)、林火范圍以及火勢集中點。其搭載的紅外熱像儀在夜晚沒有光源的時候也可以形成鮮明圖像，實時遠程監(jiān)控森林火災隱情。

主要功能

系統(tǒng)總體可分為四大模塊：氣象檢測模塊、無人機調度模塊、火情預測與火情檢測。無人機起飛后救援人員通過地面控制系統(tǒng)操縱無人機起飛降落和檢測，將氣象數(shù)據(jù)、火勢、火勢集中點和火勢蔓延度等數(shù)據(jù)發(fā)送給地面的5G基站。

1.氣象監(jiān)測

在無人機外掛空氣檢測裝置，空氣檢測數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)降孛嬲荆\用改進算法，分析數(shù)據(jù)檢測的內(nèi)容，實時檢測監(jiān)控點高度的空氣質量和環(huán)境污染傳播規(guī)模。救災人員可收到火災地區(qū)空中的氣體組成比例、風力和風向等參數(shù)。

2.無人機調度管理

無人機調度管理將無人機飛行平臺與系統(tǒng)無縫隙地連接成一個有機整體，解決無人機在應用中存在的技術難點及應用盲區(qū)。指揮中心可通過調度管理平臺查詢無人機的運行狀態(tài)、飛行數(shù)據(jù)等實現(xiàn)對無人機資源的高效調配。

3.火情檢測

無人機外掛板載智能處理器、感應離散光源和氣霧識別來檢測煙霧，一旦識別成功，立刻通過MTQQ協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務器，板載設備會對環(huán)境進行周期性檢測，定期將數(shù)據(jù)返回給與設備建立TCP連接的客戶機，從而使救災人員盡早得知火情，將火災撲滅在萌芽狀態(tài)。

4.火情預測

結合當前火情、氣象信息，預測未來火勢，生成一份預測報告供救災人員參考，為救災人員節(jié)省分析時間，及時找到火焰隔斷點。

利用基于NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)的無人機與氣候監(jiān)測系統(tǒng)結合，可簡化氣象檢測數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)降孛嬲镜姆爆嵾^程。

基金項目：2020年國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（202013720001），2019年廣東理工學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)扶持基金項目（01），廣東理工學院在線開放課程應用（ZXKCYY2019012）