用于森林火灾的早期检测的方法和森林火灾早期检测系统与流程

用于森林火灾的早期检测的方法和森林火灾早期检测系统
1.本发明涉及一种用于借助具有传感器单元的终端装置对森林火灾的早期检测的方法，该传感器单元在第一信号检测模式下和第二信号检测模式下进行信号检测，并且涉及一种用于进行该方法的森林火灾早期检测系统。


背景技术：

2.用于森林火灾的早期检测的系统是已知的。为此目的，借助可检测因森林火灾而升起的烟柱的光学传感器来监视要监视的区域。这些传感器例如是旋转相机，但是它们的缺点是它们在夜间效率较低并易受误检测(例如，因农业活动而造成的尘云)影响。另外，光学系统通常只能在森林火灾已经严重并且烟柱变得在更远距离上可见时检测到森林火灾。借助安装在来自高轨道的卫星中的ir相机进行监视的缺点是相机在远距离上的分辨率阻止在早期阶段检测到森林火灾。卫星的购买和维护也很昂贵，尤其是当发射卫星时。由在低轨道中的超小卫星进行监视的缺点是卫星不是与地球旋转同步的，即，对于一个轨道，它们需要一定量的时间，在此期间该区域不受监视。密切监视需要大量卫星，这些卫星的发射也很昂贵。卫星监视还与在发射期间的高二氧化碳排放量相关联。
3.使用可系列化生产并借助光学烟雾检测和/或气体检测工作的多个低廉的传感器来监视该区域更有意义。传感器分布在整个区域上并经由通信链路将数据供应到基站。
4.us 2008/0309502 a1中提出了这种用于森林火灾的早期检测的系统。这里，当触发火灾警报时，传感器将信息提供到附近的控制终端，然后，该控制终端借助长距离通信频率信号触发警报。
5.该系统的缺点是控制终端触发警报并必须具有强力的rf单元才能这样做。传感器需要将信号不断地发送到控制终端的gps单元，因此传感器的功率消耗高，并且传感器的能量源(电池)的寿命是有限的。
6.因此，本发明的任务是提供一种早期森林火灾检测系统以及一种用于森林火灾的早期检测的方法，该系统和方法可靠地操作，可根据需要进行扩展，并且安装和维护低廉。
7.该任务借助根据权利要求1的用于森林火灾的早期检测的方法来解决。本发明的另外的有利实施方案在从属权利要求中阐述。
8.根据本发明的用于森林火灾的早期检测的方法借助具有传感器单元的终端装置执行。借助传感器单元，在至少两种不同的信号模式下获取信号。为此，在第一信号获取模式下进行第一信号获取，并且在第二信号获取模式下进行第二信号获取。
9.两种信号获取模式可基于获取所花费的时间量而不同。例如，第一信号获取模式可具有比第二信号获取模式更短的获取时间，反之亦然。两种信号检测模式也可物理地区分：在第一信号检测模式下，例如，可检测烟雾，而在第二信号检测模式下，可借助红外检测来检测热。在本发明的意义上重要的是借助不同的信号检测模式对信号的检测的差异。这提高了根据本发明的方法的可靠性和准确性，因为两种独立的检测模式用于森林火灾的早期检测。
10.在本发明的另外的实施方案中，分析当执行第一信号检测模式时检测到的信号。
分析并检查借助第一信号检测模式检测到的信号以确定是否检测到事件，即，火灾。
11.在本发明的另外的实施方案中，按时间间隔重复在传感器单元的第一信号获取模式下执行第一信号获取。时间间隔可由用户调整。例如，每秒可执行一次信号获取，其他时间间隔也是可能的。以此方式，可增加或减少信号获取的时间分辨率。
12.在本发明的有利实施方案中，事件驱动地开始在传感器单元的第二信号获取模式下执行第二信号获取。这种事件可以是终端装置的系统部件的故障，这阻止在第一模式下的信号获取。此外，如果借助第一信号获取检测到事件(火灾)，则可在第二信号获取模式下进行信号获取。因此，检查第一信号获取的信号，该过程比仅在一种信号获取模式下的信号获取更可靠地工作。
13.在本发明的另外的实施方案中，开始在第二信号检测模式下进行第二信号检测的事件是基于第一信号检测的检测到的信号和/或所述检测到的信号的分析。分析并检查借助第一信号检测模式检测到的信号以看看是否检测到事件，即，火灾。如果是这样的话，则在第二信号获取模式下进行信号获取。以此方式检查第一信号获取的信号，该过程比仅在一种信号获取模式下的信号获取更可靠地工作。
14.在本发明的另外的实施方案中，开始在第二信号获取模式下进行第二信号获取的事件是来自在第一信号获取中获取的信号的分析的数据超过阈值。阈值可以是例如在借助本发明的方法监视的区域中自然地产生的气体的浓度。如果借助第一信号获取检测到该气体，则检查是否超过由用户定义的特定浓度(阈值)是有用的。该检查在第二信号检测模式下用第二信号检测进行。作为超过阈值的替代方案，还可将对获取和/或分析的数据的模式或其他显著特征的检测用作触发事件。
15.在本发明的另外的发展中，评估第二信号检测模式的检测到的第二信号。分析并检查借助第二信号获取模式获取的信号以确定是否已经检测到事件，即，火灾。
16.在本发明的另外的实施方案中，从终端装置向第一网关发送消息。该消息特别是在对第一信号检测和第二信号检测的评估已经检测到火灾时发送。该消息作为数据包无线地或有线地发送到第一网关(节点)。
17.在本发明的另外的实施方案中，当从检测到的第二信号分析的和/或来自这些的数据超过第二阈值时，在传感器单元中生成通知信号。阈值可以是例如存在于借助根据本发明的方法监视的区域中(例如，天然来源的或来自其他来源)的气体的浓度。如果借助第二信号获取检测到该气体，则生成消息并将其转发到第一网关。
18.在本发明的另外的实施方案中，第二信号获取模式包括气体分析。可使用合适的气体检测器(例如，催化气体检测器、半导体气体检测器或电化学气体检测器)来执行气体分析。此外，可执行定量分析。
19.在本发明的另一个实施方案中，第一信号获取模式是基于与第二信号获取模式不同的物理原理。第一信号获取模式通常设计为初步或粗略分析。为此目的，可应用简单、经过证明且低廉的原理，例如借助红外led的烟雾检测。第二信号检测模式用于提高准确性并在必要时进行定量分析。为此，通常使用其他原理，例如电学原理。
20.在本发明的另外的实施方案中，第一信号检测模式是基于光学烟雾检测。烟雾检测器的光学室包含红外发光二极管和光敏传感器(即，所谓的光电二极管)。红外led连续地发射人眼不可见并以不直接地照射到光敏光电二极管的方式定向的测试光束。如果烟雾颗
粒在空气中并穿透终端装置的光学室，则led的发射的红外光束被烟雾颗粒散射和反射。该散射红外光的一部分也落在光敏光电二极管上。
21.该任务进一步借助根据本发明的森林火灾早期检测系统来解决。
22.根据本发明的森林火灾早期检测系统包括具有传感器单元的终端装置。传感器单元包括可在第一信号检测模式和第二信号检测模式下操作的传感器。
23.两种信号获取模式可基于获取所花费的时间量而不同。例如，第一信号获取模式可具有比第二信号获取模式更短的获取时间，反之亦然。两种信号检测模式也可物理地区分：在第一信号检测模式下，例如，可检测烟雾，而在第二信号检测模式下，可借助红外检测来检测热。在本发明的意义上重要的是借助不同的信号检测模式对信号的检测的差异。这提高了根据本发明的方法的可靠性和准确性，因为两种独立的检测模式用于森林火灾的早期检测。
24.在本发明的另外的实施方案中，第一信号获取模式与第二信号获取模式不同。第一信号检测模式通常设计为初步或粗略分析。为此目的，可应用简单、经过证明且低廉的原理，例如借助红外led的烟雾检测。第二信号检测模式用于提高准确性并在必要时进行定量分析。为此，通常使用其他原理，例如电学原理。
25.在本发明的另外的实施方案中，终端装置包括评估单元，该评估单元适合并意图用于评估检测到的信号并用于控制信号检测。分析并检查借助第一信号获取模式和第二信号获取模式获取的信号以确定是否已经检测到事件，即，火灾。同时，评估单元控制两种信号获取模式的持续时间和时序。
26.在本发明的另一个实施方案中，第一信号检测模式和第二信号检测模式可被分开地控制。如果借助第一信号检测检测到事件(火灾)，则在第二信号检测模式下进行信号检测。以此方式检查第一信号检测的信号，该过程比仅在一种信号检测模式下的信号检测更可靠地工作。
27.在本发明的另外的实施方案中，第一信号获取模式是可周期性地重复的和/或第二信号获取模式是可激活的。分析并检查借助第一信号检测模式检测到的信号以确定是否已经检测到事件，即，火灾。如果是这样的话，则在第二信号获取模式下进行信号获取。以此方式检查第一信号获取的信号，该过程比仅在一种信号获取模式下的信号获取更可靠地工作。重复第一信号获取模式提高了获取的准确性。
28.在本发明的另一个实施方案中，传感器单元包括第一传感器元件。第一信号获取模式通常设计为初步或粗略分析。为此目的，可应用第一传感器元件的简单、经过证明且低廉的原理。
29.在本发明的另外的发展中，第一传感器是气体传感器。气体传感器检测限定的气体的存在，其中气体的浓度必须超过阈值才能被检测到。替代地，也可记录检测到的信号的模式或其他特性，而不是阈值。
30.在本发明的另外的实施方案中，第一传感器元件的测量原理是基于电信号检测或光信号检测。第一传感器元件通常设计为初步或粗略分析。为此，可应用简单、经过证明且低廉的原理，例如借助红外led的烟雾检测，就像在可商购的烟雾检测器中那样。也可使用光学方法，诸如相机。
31.在本发明的另外的实施方案中，传感器单元包括第二传感器元件。第二传感器元
件用于提高准确性并进行可能的定量分析。其他原理(例如，电学原理)通常适用于此目的。因此，检验第一传感器元件的信号，该方法比仅在一个传感器元件中的信号获取更可靠地工作。
32.在本发明的另一个实施方案中，终端装置意图用于离网使用并具有自给自足的能量供应源。为了能够甚至在不宜居住的地区并且特别是远离能量供应源的乡村地区安装和操作终端装置，终端装置配备有自给自足的能量供应源。在最简单的情况下，能量供应源是也可再充电的电池。然而，使用电容器也是可能的。
33.在本发明的另外的实施方案中，独立的能量供应源包括能量转换装置和/或能量存储装置。例如，太阳能电池的使用为终端装置提供了长的使用寿命。为此目的，太阳辐射转换成电能，该电能存储在电池或电容器中。
34.在本发明的有利实施方案中，终端装置包括适合于发送和接收lpwan消息的通信单元。终端装置集成到lpwan中。lpwan描述了用于将低能耗装置(诸如电池供电的传感器)连接到网络服务器的一类网络协议。该协议被设计成以低操作成本实现终端装置的长距离和低能量消耗。
35.根据本发明的用于森林火灾的早期检测的方法和根据本发明的森林火灾早期检测系统的实施方案的示例在附图中以简化形式示意性地示出并在以下描述中更详细地解释。
36.示出了：
37.图1：用于森林火灾的早期检测的过程的基本原理
38.图2：用于森林火灾的早期检测的方法的另外的发展
39.图3：用于森林火灾的早期检测的方法的另外的实施方案
40.图4a：具有一个传感器的终端装置
41.图4b：具有传感器和能量转换装置的终端装置
42.图4c：具有两个传感器的终端装置
43.图5：森林火灾早期检测系统网络
44.图6：森林火灾早期检测系统网络的详细视图
45.图1示出了根据本发明的方法的示例。在该方法的第一步骤中，由传感器ed的传感器单元s在两种不同的传感器模式sm1、sm2下执行对信号的第一获取和第二获取。在该实施方案示例中，在两种不同的信号模式sm1、sm2下对信号的获取同时地发生。另一种可能性是在互补时间段内的获取。在第一时间段内，在第一信号模式sm1下执行获取，而在第二信号模式sm2下不执行获取，反之亦然。在传感器模式sm1、sm2下的获取连续地或按时间间隔执行，使得不断地重复获取。这经由通过使用两个独立的传感器模式sm1、sm2进行获取实现的获取的冗余来提高准确性和可靠性。在终端装置ed的微处理器单元c中分析由传感器单元s获取的信号。如果基于数据的分析a检测到火灾，则生成并发送vm消息。然后，重新开始该过程。
46.图2中示出了根据本发明的方法的另一个示例。这里，传感器模式sm1、sm2不并行操作，传感器单元s最初在第一传感器模式sm1下操作。传感器单元s借助光电二极管来检测由烟雾散射的红外led的散射光并像常规的烟雾检测器一样在第一传感器模式sm1下操作。在第一传感器模式sm1下的检测是连续的并按特定时间间隔t重复。如果借助第一传感器模
式sm1检测到第一事件sw1，即，检测到烟雾或达到或超过阈值，则评估单元c以使得传感器单元s在第二传感器模式sm2下检测信号的方式控制传感器单元s。为此，传感器单元s具有测量原理不同的两个传感器元件s1、s2。第一传感器元件s1是光学烟雾检测器，而第二传感器元件s2是借助电和/或电化学方法检测气体的检测器，例如半导体气体检测器。因此，也提高了检测的准确性和可靠性。在终端装置ed a的微处理器单元c中分析由传感器单元s检测到的信号。如果基于对在第一传感器模式sm1和第二传感器模式sm2下检测到的数据两者的分析检测到火灾，则生成并发送vm消息。
47.图3示出了根据本发明的方法的另一个示例。这里，传感器模式sm1、sm2也不并行操作，传感器单元s最初在第一传感器模式sm1下操作。传感器单元s还借助光电二极管连续地检测由烟雾散射的红外led的散射光并在第一传感器模式sm1下记录传感器数据。如果借助第一传感器模式sm1检测到第一事件sw1，即，检测到烟雾，则评估单元c以使得传感器单元s在第二传感器模式sm2下检测信号的方式控制传感器单元s。为此，传感器单元s具有测量原理不同的两个传感器元件s1、s2。
48.在终端装置ed的微处理器单元c中分析由传感器单元s检测到的信号。如果基于对在传感器模式sm2下获取的数据的分析，检测到火灾，例如在超过阈值sw2的情况下，即，检测到第二事件，则生成并发送消息。然后，传感器单元s继续在第二传感器模式sm2下记录数据，直到没有检测到事件(火灾)。只要检测到事件，就也生成并发送消息。然而，如果基于对在传感器模式sm2下获取的数据的分析没有检测到火灾，则传感器单元s在第一传感器模式sm1下获取传感器数据。
49.图4中示出了用于检测森林火灾的终端装置ed的三种变体。终端装置ed是用于检测森林火灾的传感器。为了能够甚至在不宜居住的地区并且尤其是远离能量供应源的乡村地区安装和操作终端装置ed，传感器ed配备有自给自足的能量供应源e。在最简单的情况下，能量供应源e是也可再充电的电池(图4a)。然而，也有可能使用电容器(图4c)、尤其是超级电容器。太阳能电池的使用(图4b)稍微更复杂且更耗费成本，但是使传感器ed的使用寿命很长。除了由太阳能电池进行的能量转换ek之外，传感器ed中还布置了存储器es和电力电子器件。此外，传感器ed具有实际传感器单元s(图4a、图4b)，该实际传感器单元例如借助光学和/或电子过程来检测森林火灾。传感器单元s也可具有两个传感器元件s1、s2(图4c)。在这种情况下，两个传感器元件s1、s2在测量原理方面彼此不同：在该实施方案示例中，第一传感器元件s1是借助光电二极管来配准红外led的散射光的气体传感器。第二传感器元件是半导体气体检测器。
50.终端装置ed具有微处理器单元c，以用于分析由传感器单元s供应的数据并用于生成消息。传感器ed还具有通信端口k1。借助通信端口k1，来自终端装置ed的消息、特别是测量数据作为数据包经由lora(啁啾频率扩展调制)或频率调制借助单跳连接fsk经由天线a无线地发送到网关g1、fgd、mdg。所有以上提到的部件都布置在外壳中以免受天气的影响。
51.图5中示出了根据本发明的森林火灾早期检测系统10的实施方案。森林火灾早期检测系统10具有使用lorawan网络1的技术的网状网关网络1。lorawan网络1具有星形架构，其中消息包借助网关在传感器ed与中央互联网网络服务器ns之间进行交换。
52.森林火灾早期检测系统10具有经由单跳连接fsk连接到网关g的多个传感器ed。网关g1通常是前端网关fgd。前端网关fgd彼此连接并部分地连接到边界网关g2。边界网关g2
也可在一个装置中与前端网关fgd组合以形成网状网关装置mdg。边界网关g2经由有线连接wn或经由使用互联网协议ip的无线连接连接到互联网网络服务器ns。
53.前端网关fgd和边界网关g2经由网状多跳通信网络mhf彼此连接，使得前端网关fgd不需要直接连接到互联网网络服务器ns。这通过借助前端网关fgd互连多跳网络来实现lorawan网络的范围扩展，由此实现对lorawan规范的全兼容性。
54.图6中示出了根据本发明的森林火灾早期检测系统10的详细视图。森林火灾早期检测系统10具有多个传感器ed，其中八个传感器ed各自经由单跳连接fsk连接到网关g1。网关g1是前端网关fgd。前端网关fgd彼此连接并连接到边界网关g2。边界网关g2经由有线连接wn或经由使用互联网协议ip的无线连接连接到互联网网络服务器ns。
55.附图标记列表
[0056]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
网状网关网络
[0057]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
森林火灾早期检测系统
[0058]
ed、edn1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
终端装置/传感器
[0059]
g1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
网关
[0060]
g2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
边界网关
[0061]
ns
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
互联网网络服务器
[0062]
ip
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
互联网协议
[0063]
fgd、fgdn
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
前端网关
[0064]
mhf
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
多跳通信网络
[0065]
mdg、mdgn
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
网状网关
[0066]
fsk
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
fsk调制
[0067]
wn
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
有线连接
[0068]wꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
森林
[0069]sꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
传感器
[0070]
s1、s2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
传感器元件
[0071]eꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
能量供应源
[0072]
es
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
能量存储设备
[0073]
ek
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
能量转换
[0074]
k1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
通信端口
[0075]cꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
微处理器单元
[0076]
sm1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
传感器模式1
[0077]
sm2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
传感器模式2
[0078]
vm
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
派发消息
[0079]aꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
天线
[0080]
sw1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一阈值
[0081]
sw2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二阈值