基于NB-IoT的無人機森林防火氣象實時監測系統

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技術的數據傳輸低延時和無人機體積小、飛行便捷的特點，開發出一套能實時反應林火信息并進行火勢變化分析的系統。

森林防火是林業中的重中之重，森林分布分散，氣候及其地理環境復雜多變，傳統的巡查方法效率較低，遇到較大火勢時無法實現實時監控。搭載5G物聯網的無人機天氣檢測系統，可通過物聯網將數據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，實現對森林防火的實時檢測。

系統組成

該系統采用NB-IoT通信技術將數據通過5G基站傳送至窄帶物聯網平臺，對氣象數據、地面情況等數據進行分析，通過MQTT通信協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網的新興技術，支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，和對網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、功耗少和架構優等特點。使用NB-IoT可以極大地降低數據傳輸延時。

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基站建立的蜂窩網絡將數據實時發回地面站，通過圖像識別技術在返還的影像中主動監測煙火，并顯示相關監測數據、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，實時遠程監控森林火災隱情。

主要功能

系統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操縱無人機起飛降落和檢測，將氣象數據、火勢、火勢集中點和火勢蔓延度等數據發送給地面的5G基站。

1.氣象監測

在無人機外掛空氣檢測裝置，空氣檢測數據通過物聯網傳輸到地面站，運用改進算法，分析數據檢測的內容，實時檢測監控點高度的空氣質量和環境污染傳播規模。救災人員可收到火災地區空中的氣體組成比例、風力和風向等參數。

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。指揮中心可通過調度管理平臺查詢無人機的運行狀態、飛行數據等實現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協議將數據發送給服務器，板載設備會對環境進行周期性檢測，定期將數據返回給與設備建立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。

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，為救災人員節省分析時間，及時找到火焰隔斷點。

利用基于NB-IoT窄帶物聯網的無人機與氣候監測系統結合，可簡化氣象檢測數據通過物聯網傳輸到地面站的繁瑣過程。

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