基于四旋翼無人機下的自動巡檢系統(tǒng)

馬向進 占禮彬 匡仁 熊啟金 譚文群

摘 要：針對傳統(tǒng)保安看守模式的不足，提出一種基于四旋翼無人機下的自動巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)以四旋翼無人飛行器為載體，采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)與智能傳感器相結(jié)合的方法，以RF433無線射頻識別和GPRS信息傳輸作為技術(shù)手段，設(shè)計智能協(xié)同預(yù)警的實時監(jiān)測平臺。通過實驗驗證，該系統(tǒng)靈敏度高，具有對可疑人員自動識別、定位、追蹤等功能，為新一代安保模式提供了新的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);自動巡檢;智能協(xié)防;智能安防;四旋翼無人機;GPRS

中圖分類號：TP272文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）07-0-02

0 引 言

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，人們對安防產(chǎn)品的要求也越來越高。現(xiàn)在大多數(shù)企業(yè)、學(xué)校、小區(qū)的安保都采用傳統(tǒng)的保安看守模式。然而，由于傳統(tǒng)的保安看守模式存在諸多問題，如人力成本投入過大，保安專業(yè)素質(zhì)偏低，工作效率不高，存在人為的不確定性，從而導(dǎo)致不法分子頻繁盜取企業(yè)物資，任意出入校園作案，進入企業(yè)內(nèi)部竊取企業(yè)珍貴資料等事件頻頻發(fā)生?，F(xiàn)如今傳統(tǒng)的保安看守模式已經(jīng)難以滿足人們生活的需要。

從以上傳統(tǒng)保安看守模式存在的缺點著手，依托物聯(lián)網(wǎng)、人工智能應(yīng)用[1-3]推廣的大環(huán)境，本文提出一種基于四旋翼無人機下的自動巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要特點包括：依托四旋翼無人機為載體;采用STM32作為系統(tǒng)的主核芯片[4-5]，很大程度地降低系統(tǒng)的功耗;采用智能無線射頻網(wǎng)絡(luò)和智能傳感器的技術(shù)作為系統(tǒng)核心;通過多智能傳感器感知，提高系統(tǒng)預(yù)警的準確性;運用無線射頻標識識別，進行信息的有效傳輸;搭載高清攝像系統(tǒng)對特定區(qū)域進行有效監(jiān)控;無線射頻采用LoRa擴頻技術(shù)[6]，其傳輸能力強，在減少傳輸過程中信息丟失的同時有效地解決了高功耗的問題;提出并建立了實時監(jiān)測平臺，有效地解決了傳統(tǒng)安保模式的缺點。此外，本文充分結(jié)合當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)獨有的手機APP，成功實現(xiàn)了預(yù)警信息的實時顯示。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與工作原理

整個系統(tǒng)可劃分為無人機巡航平臺、實時監(jiān)測平臺、數(shù)據(jù)分析平臺。該系統(tǒng)結(jié)合人工智能、物聯(lián)網(wǎng)與云計算技術(shù)，以載體無人機、紅外人體感應(yīng)傳感器、高清攝像頭、RF433無線射頻模塊作為媒介的信息采集端，以GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊作為信息的發(fā)送端，以紅外報警器、手機APP、商用云平臺、后臺數(shù)據(jù)庫作為預(yù)警決策終端，采用協(xié)同監(jiān)控策略，利用智能算法、大數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)對可疑人員的識別與持續(xù)追蹤。系統(tǒng)的整體構(gòu)架如圖1所示。

1.1 無人機巡航平臺

無人機巡航平臺主要包括采用智能算法的自動巡跡無人機、紅外傳感器、智能報警器、GPS定位信息采集和發(fā)送采集信息的無線射頻端。通過多種智能傳感器的協(xié)同作用，可實現(xiàn)對可疑人員的識別、定位、追蹤。系統(tǒng)巡航路線規(guī)劃模擬圖如圖2所示。

1.2 實時監(jiān)測平臺

實時監(jiān)測平臺由高清夜間抓拍攝像頭、接收采集信息的無線射頻端、GPRS通信中轉(zhuǎn)端組成。無線射頻接收端在接收無線射頻發(fā)射端發(fā)送過來的信息后，通過微控制器MCU中轉(zhuǎn)經(jīng)過GPRS模塊發(fā)送給數(shù)據(jù)分析平臺，同時啟用高清攝像頭抓拍系統(tǒng)，抓拍可疑人員的外貌特征，并將抓拍到的外貌信息發(fā)送給數(shù)據(jù)分析平臺，進一步降低虛警率。

系統(tǒng)采用RF433無線射頻識別技術(shù)，便于對單位內(nèi)部人員的識別。通過GPRS通信技術(shù)可有效地將攝像頭抓拍的信息傳送給數(shù)據(jù)分析平臺，此外借助數(shù)據(jù)分析平臺，將處理后得到的預(yù)警信息顯示在手機APP上。

當(dāng)有人員靠近時，系統(tǒng)首先啟動無線射頻識別系統(tǒng)，檢測該人員身上是否攜帶身份識別卡，若未檢測到身份識別卡，則立即打開高清攝像頭抓拍系統(tǒng)，對該人員進行抓拍，并將采集的信息通過GPRS通信中轉(zhuǎn)平臺發(fā)送到數(shù)據(jù)分析平臺，進行人員外貌信息比對。如果判斷為可疑人員，則將信息指令發(fā)送給無人機巡航平臺，實現(xiàn)多無人機自動跟蹤，并響應(yīng)報警系統(tǒng)，直到安保人員進一步核查該人員的身份。

1.3 數(shù)據(jù)分析平臺

數(shù)據(jù)分析平臺主要有單位內(nèi)部人員人臉信息數(shù)據(jù)庫和APP。數(shù)據(jù)庫主要用于對高清攝像頭抓拍的照片進行比對，便于做進一步預(yù)警決策;APP主要用于建立安保人員與系統(tǒng)的橋梁，實時監(jiān)測和顯示預(yù)警信息用來提醒安保人員。

該系統(tǒng)提出一套完整的預(yù)警解決方案，充分利用無人機的優(yōu)秀特性和各種信息傳輸手段（GPS、無線射頻、GPRS等），實現(xiàn)信息的有效傳輸與處理，解決了傳統(tǒng)安保模式存在的問題，可以保證24 h實時監(jiān)控，對可疑人員持續(xù)追蹤。

2 系統(tǒng)功能驗證

為了驗證本系統(tǒng)的功能特性情況，從系統(tǒng)實際工作環(huán)境著手，在白天和夜間兩種不同的光線強度下進行多次測試以及對各個傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性及準確性、高清攝像頭抓拍圖片的識別情況、無線射頻識別的準確性、數(shù)據(jù)分析平臺下APP的實時數(shù)據(jù)更新速度和預(yù)警信息時效性等方面進行多次測試并進行數(shù)據(jù)分析。

2.1 系統(tǒng)各個模塊功能測試

（1）智能紅外傳感器測試。測試思路：利用串口調(diào)試助手作為輔助工具，如果一旦紅外傳感器被觸發(fā)、MCU便通過串口向調(diào)試助手發(fā)送“不正?！毙畔ⅲ艏t外傳感器未被觸發(fā)則MCU通過串口向調(diào)試助手發(fā)送“正?！敝噶睢y試結(jié)果如圖3所示。

（2）GPS定位模塊測試。測試過程：通過MCU發(fā)送讀GPS定位信息指令即可通過GPS模塊返回GPS所采集到的位置信息，與此同時，MCU與PC機進行串口通信，并將返回的位置信息顯示在串口調(diào)試助手窗口上，其位置信息包括目前的經(jīng)緯度信息、時間信息，并把第一次采集的定位信息作為基準信息。數(shù)據(jù)測試結(jié)果如圖4所示。

（3）RF無線射頻標識識別測試思路如圖5所示。

首先，配置RF433各通道參數(shù)一致，利用串口CH340模塊分別與PC機連接，進而PC機可以分別與RF433發(fā)送端（圖5中簡記為RF1）和RF433接收端（圖5中簡記為RF2）之間進行串口通信;然后，借助兩個串口調(diào)試助手分別記為串口調(diào)試助手窗口1和串口調(diào)試助手窗口2，其中串口調(diào)試助手窗口1用來顯示RF2發(fā)送的信息，串口調(diào)試助手窗口2用來顯示RF1發(fā)送的信息;最后，可達到測試無線射頻標識識別模塊的目的。如果窗口調(diào)試助手窗口1能夠接收到來自RF2發(fā)送的信息且串口調(diào)試助手窗口2能夠接收到來自RF1發(fā)送的信息，則可認為無線射頻標識模塊測試成功。測試結(jié)果如圖6所示。