一种基于NB-IoT和无人机的森林火灾检测系统及方法与流程

本发明涉及nb-iot、无人机和物联网技术领域，具体提供一种基于nb-iot和无人机的森林火灾检测系统及方法。

背景技术：

无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“uav”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作。随着无人机技术的发展以及关键零组件成本持续下降，大大降低了开发无人机系统的门槛，这也使得无人机得到广泛的应用，无人机的续航能力不断增强，同时，也变得更加智能，自动避障、自动跟踪目标等智能化功能都开始普及。

nb-iot(narrowbandinternetofthings,nb-iot)是2015年9月在3gpp标准组织中立项提出的一种新的窄带蜂窝通信lpwan技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，具有广覆盖、低功耗、低成本、大连接的特点，特别适合于大规模物联网应用的部署，通过对传输速度与传输频率进行调整，其覆盖距离可达上百公里。

森林火灾是森林最危险的敌人，也是林业最可怕的灾害，它会给森林带来灾难性，毁坏性的后果。森林一般处于偏僻地带，交通不便，面大林深。在日常的巡查维护中，需要耗费大量的人力物力，随着物联网技术的发展，为森林巡查监管带来了新的可能性。然而，物联网设备部署复杂，施工难度大，维护成本高，特别是在大面积森林中要解决终端供电问题。在这种情况下，如何有效实现大面积林区的地成本和高效准确的火灾检测成为亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明是针对上述现有技术的不足，提供一种设计合理，安全适用的nb-iot、终端和无人机的火灾检测系统。

本发明进一步的技术任务是提供一种实用性强的一种nb-iot、终端和无人机的火灾检测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于nb-iot和无人机的森林火灾检测系统，由nb-iot基站、火灾检测终端、无人机以及云中心组成，

所述nb-iot基站用于接收数据储存到本地，以及发出火灾告警、数据的暂存、数据的上报、数据的展示和异常分析；

所述火灾检测终端用于采集实时温湿度以及气体浓度，判断是否发生火灾，并立即唤醒内部的nb-iot通信模块和定位模块，上报给nb-iot基站；

所述无人机用于对未上报数据的火灾检测终端进行有针对性的设备异常巡检或/和新设备投放；

所述云中心用于收集来自林区基站的数据，为林区管理人员提供火灾告警、地图展示、状态监控、基站的运行管理、数据分析以及数据洞察。

进一步的，所述nb-iot基站通过nb-iot接入服务与火灾检测终端以及无人机连接，通过卫星网路与云中心连接。

进一步的，所述nb-iot基站部署火灾检测基站子系统，用于提供nb-iot基站内附近林区人员的告警信息通知、火灾检测终端信息的展示以及进行数据备份。

作为优选，所述火灾检测终端由电源、nb-iot通信模组、温湿度传感器、定位装置、烟感探测器以及固定和防震装置组成，

所述电源为nb-iot通信模组、温湿度传感器、定位装置、烟感探测器以及固定和防震装置提供电力；

所述nb-iot通信模组用于与nb-iot基站交互，再配合无人机来实现火灾检测终端的部署与设备异常巡检；

所述温湿度传感器用于采集实时的温湿度；

所述定位装置采用gps定位装置；

所述烟感探测器用于采集气体的浓度；

所述固定和防震装置用于火灾检测终端的固定以及防震。

作为优选，所述无人机由电源、定位装置、nb-iot通信模组、设备投放装置、控制模块以及智能模块组成，

所述电源为nb-iot通信模组、定位装置、设备投放装置、控制模块及智能模块提供电力；

所述定位装置采用gps定位装置；

所述nb-iot通信模组用于与nb-iot基站交互，配合火灾检测终端的部署以及与设备异常的巡检；

所述设备投放装置用于投放火灾检测终端；

所述控制模块及智能模块用于无人机内部信息的交互。

进一步的，所述nb-iot通信模组包含nb-iot基站增强装置，用于增强信号覆盖范围。

一种基于nb-iot和无人机的森林火灾检测方法，架设nb-iot基站在森林中覆盖网络，通过无人机实现远程部署火灾检测终端，火灾检测终端检测到火灾则通过其内部的nb-iot通信模组实现与nb-iot基站的交互，nb-iot基站通过卫星网络与云中心进行交互，云中心收集来自nb-iot基站和火灾检测终端的数据为林区管理人员提供火灾告警、地图展示、状态监控、设备状况、nb-iot基站运行状况和数据分析，林区工作人员通过移动设备接收实时告警并及时做出响应。

进一步的，所述云中心根据来自气象部门的实际天气状况和收集的林区数据进行大数据分析洞察，提前预测分析火灾发生位置，进而预防火灾的发生。

进一步的，所述火灾检测终端每天定时推送当天数据，所述无人机针对未上报数据的火灾检测终端进行有针对性的设备异常巡检或新设备投放。

进一步的，具体的步骤如下，

s1、根据森林实际状况规划部署nb-iot基站；

s2、根据nb-iot基站分布状况及森林状况，规划所述的火灾检测终端的部署分布；

s3、通过所述的无人机根据规划的位置飞到上空将其投放，利用所述火灾检测终端内固定装置将其固定到大树上；

s4、所述无人机确定设备固定成功，通过无人机内部的nb-iot通信模组向所述的nb-iot基站发送设备安装成功消息及gps定位数据；或是通过人工固定火灾检测终端，安装成功后，通过其移动设备向所述nb-iot基站发送设备安装成功消息及gps定位数据；

s5、所述nb-iot基站将安装成功的消息及相关数据通过卫星网络传送至所述的云中心；

s6、所述的火灾检测终端平时nb-iot通信模组及定位模块平时不开启，仅仅通过其温湿度传感器采集实时温湿度，通过烟感探测器采集气体浓度；

s7、所述火灾检测终端根据传感数据确定发生火灾，立即唤醒nb-iot通信模组，持续发送告警信息给所述nb-iot基站，发送的内容包括终端id、当前温湿度、烟雾浓度、位置定位数据；

s8、所述nb-iot基站收到告警信息，通过nb-iot基站本地的火灾检测基站子系统以及本地网络发送告警通知给所述的林区工作人员；

s9、所述nb-iot基站同时将告警信息通过卫星通信发送至所述云中心；

s10、所述云中心接受告警信息，发送给指定的林区工作人员；

s11、所述指定的林区工作人员接受到告警信息，定位火灾检测终端位置，进行相关处理。

本发明的一种基于nb-iot和无人机的森林火灾检测系统及方法和现有技术相比，具有以下突出的有益效果：

1、有效的利用nb-iot广覆盖、低功耗、低成本、大连接的特点，架设少量基站在森林中覆盖网络，通过无人机实现远程部署大量低成本的火灾检测终端，一定程度上也降低了设备部署和设备异常巡检的成本和难度，有效实现了大面积林区低成本和高效的火灾检测。

2、相比传统的网络覆盖方式及部署方式，维护成本更低，低成本的火灾检测装置可以实现大面积部署，并且火灾只有上行通道，终端检测到火灾后触发告警，唤醒nb-iot通信模块向基站侧发送数据，一方面，单一上传信道增加基站的连接终端数量；另一方面，减少了功耗，一定程度上解决了电源供电问题。

3、nb-iot基站接收告警第一时间反馈给基站本地网络内的人员，同时通过基站卫星通信与云端通信，及时反馈火灾状况，利用卫星通信也减小了森林内核心网部署的压力，另一方面，基站备份数据采用集中低成本网络上传到云端，降低成本的同时，也保证了卫星通道核心业务的正常运行。

4、火灾检测终端分时上传采集传感数据，充分利用nb-iot网络，也保证了告警核心业务的正常上报，云端汇集大量传感数据，结合外部气象数据，进行大数据分析洞察，提高火灾检测效率。

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，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图1是一种基于nb-iot和无人机的森林火灾检测方法的流程图；

附图2是一种基于nb-iot和无人机的森林火灾检测系统的结构示意图；

附图3是附图1中nb-iot基站、火灾检测中心以及云中心工作的具体流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明的方案，下面结合具体的实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明保护的范围。

下面给出一个最佳实施例：

如图2所示，本实施例中的基于nb-iot和无人机的森林火灾检测系统由nb-iot基站、火灾检测终端、无人机以及云中心组成，nb-iot基站通过nb-iot接入服务与火灾检测终端以及无人机连接，通过卫星网路与云中心连接。

nb-iot基站用于接收数据储存到本地，以及发出火灾告警、数据的暂存、数据的上报、数据的展示和异常分析。nb-iot基站还部署火灾检测基站子系统，用于提供nb-iot基站内附近林区人员的告警信息通知、火灾检测终端信息的展示以及进行数据备份。

火灾检测终端用于设定不同的上报频率，选择不同时间，定时唤醒内部的nb-iot通信模块和定位模块，上报给nb-iot基站。其由电源、nb-iot通信模组、温湿度传感器、定位装置、烟感探测器以及固定和防震装置组成，其中，电源为nb-iot通信模组、温湿度传感器、定位装置、烟感探测器以及固定和防震装置提供电力；nb-iot通信模组用于与nb-iot基站交互，再配合无人机来实现火灾检测终端的部署与设备异常巡检；温湿度传感器用于采集实时的温湿度；定位装置采用gps定位装置；烟感探测器用于采集气体的浓度；固定和防震装置用于火灾检测终端的固定以及防震。

无人机用于对未上报数据的火灾检测终端进行有针对性的设备异常巡检或新设备投放。无人机由电源、定位装置、nb-iot通信模组、设备投放装置、控制模块以及智能模块组成，电源为nb-iot通信模组、定位装置、设备投放装置、控制模块及智能模块提供电力；定位装置采用gps定位装置；nb-iot通信模组用于与nb-iot基站交互，配合火灾检测终端的部署以及与设备异常的巡检；设备投放装置用于投放火灾检测终端；控制模块及智能模块用于无人机内部信息的交互。其中，nb-iot通信模组还包含nb-iot基站增强装置，用于增强信号覆盖范围。

云中心用于收集来自林区基站的数据，为林区管理人员提供火灾告警、地图展示、状态监控、基站的运行管理、数据分析以及数据洞察。

如图1、3所示，基于该系统，nb-iot和无人机的森林火灾检测方法为架设nb-iot基站在森林中覆盖网络，通过无人机实现远程部署火灾检测终端，火灾检测终端检测到火灾则通过其内部的nb-iot通信模组实现与nb-iot基站的交互，nb-iot基站通过卫星网络与云中心进行交互，云中心收集来自nb-iot基站和火灾检测终端的数据为林区管理人员提供火灾告警、地图展示、状态监控、设备状况、nb-iot基站运行状况和数据分析，林区工作人员通过移动设备接收实时告警并及时做出响应。

具体的步骤如下：

s1、根据森林实际状况规划部署nb-iot基站。

s2、根据nb-iot基站分布状况及森林状况，规划所述的火灾检测终端的部署分布。

s3、通过所述的无人机根据规划的位置飞到上空将其投放，利用所述火灾检测终端内固定装置将其固定到大树上。

s4、所述无人机确定设备固定成功，通过无人机内部的nb-iot通信模组向所述的nb-iot基站发送设备安装成功消息及gps定位数据。

s5、所述nb-iot基站将安装成功的消息及相关数据通过卫星网络传送至所述的云中心；

s6、所述的火灾检测终端平时nb-iot通信模组及定位模块平时不开启，仅仅通过其温湿度传感器采集实时温湿度，通过烟感探测器采集气体浓度；

s7、所述火灾检测终端根据传感数据确定发生火灾，立即唤醒nb-iot通信模组，持续发送告警信息给所述nb-iot基站，发送的内容包括终端id、当前温湿度、烟雾浓度、位置定位数据；

s8、所述nb-iot基站收到告警信息，通过nb-iot基站本地的火灾检测基站子系统以及本地网络发送告警通知给所述的林区工作人员；

s9、所述nb-iot基站同时将告警信息通过卫星通信发送至所述云中心；

s10、所述云中心接受告警信息，发送给指定的林区工作人员；

s11、所述指定的林区工作人员接受到告警信息，定位火灾检测终端位置，进行相关处理。

其中，火灾检测终端设定不同的上报频率，选择不同时间，定时唤醒nb-iot通信模块和定位模块，上报火灾检测终端检测状况。nb-iot基站接收数据，将火灾检测终端检测的状况存储到本地，并检测火灾检测终端是否有连接，本实施例中假设连续2个上报周期内无数据上报，则通过本地网络和卫星网络发送连接丢失告警信息，并通知林区工作人员。林区工作人员将派出无人机飞往指定位置重新投放火灾检测终端。nb-iot基站进行巡检，通过nb-iot基站的火灾监测基站子系统，进行数据的备份，并将备份数据通过卫星网络上传至云中心。云中心收集来自林区nb-iot基站的数据，为林区管理人员提供火灾告警、地图展示，状态监控、设备状况、基站运行状况以及数据分析。云中心还可以进行大数据分析，结合来自气象部门的实际天气状况，优化nb-iot基站和火灾检测终端的部署规则，并结合告警数据，提前预测分析火灾发生的位置。

上述具体的实施方式仅是本发明具体的个案，本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体的实施方式，任何符合本发明的基于nb-iot和无人机的森林火灾检测系统及方法权利要求书的且任何所述技术领域普通技术人员对其做出的适当变化或者替换，皆应落入本发明的专利保护范围。