基于無人機的森林火災監測系統設計

劉永昌，尹百通，鄒慶勇，徐遠征

（201620 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院）

0 引言

我國疆域遼闊，森林資源總量大，森林防火工作復雜，形勢嚴峻。我國森林火災預防大多以人員巡山為主，這樣的方式耗時費力，在密林地區還比較危險。未來我國無人機系統會對林業經濟發展做出巨大貢獻[1]。近年來國內外學者針對火災的物理現象展開了多種技術研究，例如，火焰圖像識別技術；紅外感溫識別；氣體火災探測等，主要探測器分為：氣體型、感溫型、感煙型、感光型[2]。續航里程低是限制無人機發展的一大因素；圖像識別和紅外識別設備使得監測無人機成本高；高耗電降低了無人機巡航范圍，也加大了設備成本[3]。另外，森林火災和城市建筑火災有很大區別，甚至北方森林和南方森林植被覆蓋不同，陰燃或明燃釋放的氣體成分也有很大差別[4-5]，以上這些對煙霧傳感器選型至關重要。鑒于上述原因，本文結合相關算法，著重研究煙霧傳感器對火災的監測效果，結合全球衛星定位系統、超寬帶定位技術和通信技術，設計了一套基于自巡航無人機的森林火災監測系統。

1 系統整體設計

該監測系統由兩大板塊組成：負責現場的無人機采集平臺和遠程監測平臺。現場的無人機采集平臺主要負責收集煙霧傳感器采集的煙霧信號和處理信號、無人機位置的實時定位數據的采集和無人機各項數據的實時上傳；遠程監測平臺對無人機傳來的數據進行解析顯示以及判斷警情級別和警報處理。系統整體設計如圖1 所示。

圖1 系統整體設計框圖Fig.1 Overall design block diagram of the system

負責現場的無人機采集平臺由2 部分組成：控制飛行姿態的飛控主板和采集數據的運算主板。飛控主板的主要功能是采集陀螺儀實時數據和羅盤實時數據，集成相關算法從而控制無人機飛行姿態，保持無人機飛行平穩。本系統采用的飛控主板是市面上開源的飛控模塊。由于飛控模塊的開發涉及更多知識和方面，采用開源模塊可以節省飛控部分的開發時間[6]；控制主板的主要功能是采集多路煙霧傳感器數據，對數據進行邏輯運算和數據融合，采集無人機實時定位數據以及對數據進行打包和通過GPRS 與上位機遠程通信。

飛控主板和控制主板均采用嵌入式中低端32位ARM 微處理器STM32F103C8T6。無人機平臺采用雙主板的設計方案，在控制成本的前提下讓2 個單片機各司其職，降低了單片機的運算壓力且提高了系統的穩定性[7]。無人機實物圖如圖2 所示。

圖2 搭載多路煙霧傳感器的無人機實物圖Fig.2 Real image of UAV equipped with multiple smoke sensors

2 硬件設計

無人機搭載的控制主板的電路設計，主要包括穩壓電路、單片機最小系統、GPRS 通信模塊電路和煙霧傳感器邏輯電路。

2.1 煙霧傳感器邏輯電路

本系統設計的無人機主要通過多路煙霧傳感器檢測現場是否有火災發生，從而降低無人機平臺成本。為了進一步提高系統檢測的靈敏性，在控制主板上增加了硬件邏輯或運算電路，每2 個傳感器一組，只要有任何一個傳感器觸發信號就會傳送到單片機。傳感器硬件邏輯電路如圖3 所示。

圖3 傳感器邏輯電路Fig.3 Sensor logic circuit

2.2 通信模塊電路

該系統采用了安信可開發的A9G 模塊。該模塊是一個集成GPRS 和GPS 于一體的四頻通信模組，目前廣泛應用于各種物聯網場合。該模組采用SMD 封裝，開發簡單并且適用于工作環境比較惡劣的場所。A9G 模組支持AT 指令操作，與單片機通過UART 通信。GPS 定位精度達到2.5 m。該模塊還支持一鍵復位操作，當通訊失敗可以通過復位操作恢復狀態。通信模塊的電路設計如圖4 所示。

圖4 通信模塊電路Fig.4 Communication module circuit

2.3 電池監測電路

電池續航問題是無人機的重點，如果在電池電壓過低的情況下沒有返航，將會給無人機帶來災難性的后果。在硬件設計中，加上電池電壓監測電路將為無人機的安全提供充分保障。如圖5 是電池電壓實時監測電路。STM32F103C8T6 內部具有12位ADC 采集單元，采集精度為0.8 mV。硬件電路使用BAT54S 將采集電壓鉗制在0～5 V，保障單片機的IO 安全。單片機定時1 s 檢測電池電壓，并將電壓數據實時上傳到遠程監測平臺，一旦電池電壓達到閾值就會觸發警報；若電池電壓達到極限值將采取緊急措施強行降落，避免墜機引發災難后果。

圖5 電池電壓監測電路Fig.5 Battery voltage monitoring circuit

3 程序設計

3.1 控制主板程序設計

服務于現場的無人機端是一個綜合性平臺，既要控制飛行器平穩飛行，又要負責現場數據采集以及遠程通信等任務。飛行器姿態控制主要由飛控主板負責，根據收到的數據指令控制無人機飛行高度，為精確搜尋火災信號提供服務；控制主板主要負責飛行線路規劃、飛行器狀態監測、現場傳感器數據融合以及現場數據的遠程傳送。飛行器狀態確認主要是飛行器起飛前的電池電量檢測、GPRS遠程連接狀態的確認，只有經過控制主板檢查符合安全起飛條件，方可允許飛行器起飛巡航。主控板定時器1定時500 ms執行一次中斷服務函數，主要內容為：電池電量檢測、定位數據獲取、數據上傳。如圖6 是現場無人機端的控制程序拓撲圖。

圖6 控制程序整體設計拓撲圖Fig.6 Control program overall design topology

3.1.1 火災監測算法

現場無人機一共搭載了8 路煙霧傳感器。為了提高傳感器的檢測可靠性和靈敏度，其中每2 路用硬件邏輯電路或運算，只要有任何一路傳感器觸發都會進入報警程序，然后控制主板會發送指令主動控制飛行器下降高度，進一步檢測現場是否有警情發生。當再次融合煙霧傳感器數據確認有警情發生時，控制主板將進行報警數據封裝和上傳。圖7 是火災監測算法流程圖。

圖7 火災監測算法流程圖Fig.7 Flow chart of fire monitoring algorithm

3.1.2 自巡航程序控制

無人機載有GPS 定位模塊，可以實時獲取自身位置數據，控制主板根據GPS 位置實時修正無人機巡航路徑。由于市場上購買的GPS 定位模塊具有一定的誤差，采集的定位數據誤差范圍較大，現采用卡爾曼濾波法進行定位數據濾波處理。卡爾曼濾波器模型[8]如下：

（1）先驗估計

（2）先驗誤差協方差矩陣

（3）卡爾曼增益

（4）后驗估計

（5）更新誤差協方差矩陣

主控板通過GPS 位置數據更新航線。通過PID控制算法將偏航誤差融合成與無人機通信的SBUS協議中的通道數據，形成航向通道數據控制無人機姿態。無人機巡航過程中的高度控制也通過PID 實現。位置式PID 控制模型[9-10]如式（6）：

式中：u（k）——PID 控制器輸出信號；e（k）——控制器輸入與設定值之間的誤差；Kp——比例系數；Ki——積分系數，Kd——微分系數。

3.1.3 無人機數據協議

負責現場的無人機依靠單獨的打包協議與遠程監控端進行通訊。表1 展示了無人機與遠程監控端通訊數據封裝協議，這樣的通訊協議具有穩定性高、數據丟失率小、數據傳輸簡單且穩定的優點。

在表1 中，數據幀Ⅰ表示無人機發送給遠程監控端的數據，數據幀Ⅱ表示遠程監控端發送到無人機平臺的數據。每一幀數據由幀頭和數據段組成，其中電池電壓占1 個字節，經度占10 個字節，緯度占8 個字節，警情等級占1 個字節。數據尾部的故障碼用于緊急情況下的數據傳輸。在數據類型Ⅰ中，當無人機高度急劇下降時，故障碼1 用于發送無人機故障信號。在數據類型Ⅱ中，控制命令用于發送控制命令，從而緊急時刻一鍵回收無人機，故障碼2 用于控制無人機緊急降落并發送最后位置。

表1 遠程協議數據封裝協議Tab.1 Remote protocol data encapsulation protocol

3.2 遠程監測平臺程度設計

本文設計開發的無人機平臺的最大特點就是由工作人員負責遠程電腦的信息收集即可，不需要到現場巡視。上位機具有遠程連接功能，工作人員可同時觀測多臺無人機的飛行狀況和巡視數據，大大提高工作效率。現場的相關數據和報警信息由上位機提交。如圖8 所示是監控端的功能拓撲圖。

圖8 監控端功能拓撲圖Fig.8 Function topology of monitoring terminal

4 結語

基于無人機的森林火災監測系統成本低，節省人力物力，可實現常態巡航監視森林安全。多路煙霧傳感器降低了傳感器的使用成本，同時提高了檢測的靈敏度。基于現場無人機和遠程監測平臺可以實現長距離警情上傳遠程監控，及時反饋現場火災情報。這方面的探索為無人機長航時巡航森林提供了參考。但是，只依靠一種傳感器不足以百分百確認和識別現場的火災情況，無法估計現場的著火范圍以及火焰情況，在現場的無人機上添加攝像頭遠程傳送圖像和視頻是至關重要的，將會提高火災情報的可信度[11]。下一步應將工作重心放在多傳感器的融合上，同時無人機受航程限制嚴重，也應該加大低功耗、輕量化方面的研究。