基于NB-IoT的无人机森林防火气象实时监测系统

余淑婷 沈学海 谢秀齐 何晓昀

本文结合5G信息处理高效率高，NB-IoT技术的数据传输低延时和无人机体积小、飞行便捷的特点，开发出一套能实时反应林火信息并进行火势变化分析的系统。

森林防火是林业中的重中之重，森林分布分散，气候及其地理环境复杂多变，传统的巡查方法效率较低，遇到较大火势时无法实现实时监控。搭载5G物联网的无人机天气检测系统，可通过物联网将数据进行实时远距离传输信息，运用无人机的体型小，飞行便捷、高性能且对降落点无要求的特点，实现对森林防火的实时检测。

系统组成

该系统采用NB-IoT通信技术将数据通过5G基站传送至窄带物联网平台，对气象数据、地面情况等数据进行分析，通过MQTT通信协议与后端云服务平台建立实时通信。NB-IoT是IoT领域基于蜂窝的窄带物联网的新兴技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，和对网络连接要求较高设备的高效连接。其具备覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗少和架构优等特点。使用NB-IoT可以极大地降低数据传输延时。

无人机是采用高清摄像头的探测器，可将获得的视频通过与5G基站建立的蜂窩网络将数据实时发回地面站，通过图像识别技术在返还的影像中主动监测烟火，并显示相关监测数据、林火范围以及火势集中点。其搭载的红外热像仪在夜晚没有光源的时候也可以形成鲜明图像，实时远程监控森林火灾隐情。

主要功能

系统总体可分为四大模块：气象检测模块、无人机调度模块、火情预测与火情检测。无人机起飞后救援人员通过地面控制系统操纵无人机起飞降落和检测，将气象数据、火势、火势集中点和火势蔓延度等数据发送给地面的5G基站。

1.气象监测

在无人机外挂空气检测装置，空气检测数据通过物联网传输到地面站，运用改进算法，分析数据检测的内容，实时检测监控点高度的空气质量和环境污染传播规模。救灾人员可收到火灾地区空中的气体组成比例、风力和风向等参数。

2.无人机调度管理

无人机调度管理将无人机飞行平台与系统无缝隙地连接成一个有机整体，解决无人机在应用中存在的技术难点及应用盲区。指挥中心可通过调度管理平台查询无人机的运行状态、飞行数据等实现对无人机资源的高效调配。

3.火情检测

无人机外挂板载智能处理器、感应离散光源和气雾识别来检测烟雾，一旦识别成功，立刻通过MTQQ协议将数据发送给服务器，板载设备会对环境进行周期性检测，定期将数据返回给与设备建立TCP连接的客户机，从而使救灾人员尽早得知火情，将火灾扑灭在萌芽状态。

4.火情预测

结合当前火情、气象信息，预测未来火势，生成一份预测报告供救灾人员参考，为救灾人员节省分析时间，及时找到火焰隔断点。

利用基于NB-IoT窄带物联网的无人机与气候监测系统结合，可简化气象检测数据通过物联网传输到地面站的繁琐过程。

基金项目：2020年国家级大学生创新创业训练计划项目（202013720001），2019年广东理工学院大学生创新创业扶持基金项目（01），广东理工学院在线开放课程应用（ZXKCYY2019012）