阅读说明：本技术 一种基于北斗的振动感知无人岛礁监测系统 (Vibration perception unmanned island reef monitoring system based on Beidou ) 是由 周求湛 贺琦 胡继康 陈禹竺 鲍雪 于 2020-06-05 设计创作，主要内容包括：本发明的一种基于北斗的振动感知无人岛礁监测系统,属于智能监测技术领域。前置感知系统、前置中继北斗通信系统均设有多个,且多个前置感知系统和多个前置中继北斗通信系统一一对应构成多个前置系统,每个前置系统均与无人岛礁监测终端系统和无人岛礁监测协同交互系统信息互通,无人岛礁监测终端系统与入侵态势实时显示系统连接,无人岛礁监测协同交互系统与无人机系统信息互通。本发明实现了同时对广域范围内多个无人岛礁全时段无间断的智能监测,提供了无人状态下保持系统高续航性和高实时性兼具的解决方案,解决了无人岛礁与大陆超远距离的无线通信及入侵定位问题,增强了无人岛礁生态环境保护和监测的能力。(The invention discloses a vibration sensing unmanned island monitoring system based on Beidou, and belongs to the technical field of intelligent monitoring. The front sensing system and the front relay Beidou communication system are provided with a plurality of systems, the front sensing systems and the front relay Beidou communication systems form a plurality of front systems in a one-to-one correspondence mode, each front system is communicated with the unmanned island reef monitoring terminal system and the unmanned island reef monitoring cooperative interaction system in an information mode, the unmanned island reef monitoring terminal system is connected with the intrusion situation real-time display system, and the unmanned island reef monitoring cooperative interaction system is communicated with the unmanned aerial vehicle system in an information mode. The invention realizes the full-time uninterrupted intelligent monitoring of a plurality of unmanned island reefs in a wide area, provides a solution for keeping the high cruising ability and the high real-time property of the system under the unmanned state, solves the problems of the ultra-long distance wireless communication and the invasion positioning of the unmanned island reefs and the continent, and enhances the capability of protecting and monitoring the ecological environment of the unmanned island reefs.)

一种基于北斗的振动感知无人岛礁监测系统

技术领域

本发明涉及基于一种基于北斗的振动感知无人岛礁监测系统，属于智能监测技术领域。

背景技术

海岛礁是人类探索和利用海洋的非常重要的支点,研究和认识岛礁生态系统的变化特征与规律是发展海洋经济、有效开发海域资源、保护海洋环境的关键要素之一，较为封闭的岛礁的生态系统需要在生态保护的过程中被特殊对待，要严禁对岛礁生态系统的人为破坏。现阶段，基于北斗系统的互联终端广泛应用于车载、船载导航、公安、电力、金融、城市管理、测绘等重要民用及军事领域，北斗三号系统更是提供了全球化的高效导航、精准定位和卫星通信服务。我国拥有1.1万个岛礁，具备数量多、分布广、无人岛礁比例大的特点，现有的岛礁监测技术主要利用遥感技术手段对某一处岛礁的大气环境、地理环境、海洋环境进行监测，主要目的是对岛礁的环境数据进行监测、采集分析，但是针对于违法破坏岛礁自然生态环境的人为行为却无法做到实时有效的监测，并采取保护措施。

基于北斗的振动感知无人岛礁监测系统具有监控范围广，受地形和天气气候条件影响小，隐蔽性好，抗干扰和破坏能力强，获取信息准确、及时、不间断，布设方便灵活等特点，它所具备的广域适用性、应用性、稳定性、隐蔽性、精准性、持续性和良好的通信性能够满足无人岛礁的监测需求，为我国海岛礁自然生态系统不受人为损害提供有效的监测预警。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于北斗的振动感知无人岛礁监测系统，可以在复杂环境下同时对广域范围内多个无人岛礁实施陆海空协同监测，提供了无人岛礁监测的高续航性与高实时性兼具的解决方案，解决了无人岛礁与大陆超远距离的无线通信及定位问题，实现了各无人岛礁的全时段无间断的智能监测，增强了无人岛礁生态系统的保护监测能力，并节省了大量的人力、物力、财力。

实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于北斗的振动感知无人岛礁监测系统，所述监测系统包括前置感知系统、前置中继北斗通信系统、无人岛礁监测终端系统、无人岛礁监测协同交互系统、无人机系统及入侵态势实时显示系统，所述前置感知系统、前置中继北斗通信系统均设有多个，且多个所述前置感知系统和多个所述前置中继北斗通信系统一一对应构成多个前置系统，每个前置系统均与所述无人岛礁监测终端系统和所述无人岛礁监测协同交互系统信息互通，所述无人岛礁监测终端系统与所述入侵态势实时显示系统连接，所述无人岛礁监测协同交互系统与所述无人机系统信息互通。

本发明的主要优点是：本发明的一种基于北斗的振动感知无人岛礁监测系统，提供了无人状态下保持系统高续航性和高实时性兼具的解决方案，解决了无人岛礁与大陆超远距离的无线通信及入侵定位问题，通过与船载/岸载无人机相结合，节省了岛礁监测大量的人力、物力、财力，增强了无人岛礁生态环境保护和监测的能力。

附图说明

图1为本发明的一种基于北斗的振动感知无人岛礁监测系统的整体框架图；

图2为本发明的一种基于北斗的振动感知无人岛礁监测系统中前置感知系统和前置中继北斗通信系统的结构框架图；

图3为本发明的无人岛礁监测协同交互系统的部署示意图；

图4为本发明的一种基于北斗的振动感知无人岛礁监测系统的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

参照图1所示，本发明提出了一种基于北斗的振动感知无人岛礁监测系统，所述监测系统包括前置感知系统、前置中继北斗通信系统、无人岛礁监测终端系统、无人岛礁监测协同交互系统、无人机系统及入侵态势实时显示系统，所述前置感知系统、前置中继北斗通信系统均设有多个，且多个所述前置感知系统和多个所述前置中继北斗通信系统一一对应构成多个前置系统，每个前置系统均与所述无人岛礁监测终端系统和所述无人岛礁监测协同交互系统信息互通，所述无人岛礁监测终端系统与所述入侵态势实时显示系统连接，所述无人岛礁监测协同交互系统与所述无人机系统信息互通。

具体的，本发明前置系统(包括前置感知系统和前置中继北斗通信系统)通过LORA自组网形成星状拓扑结构的高灵敏度振动感知网络，单节点针对人员徒步入侵的感知范围理想状态下为半径50M以节点为中心的圆形区域，部署时根据岛礁面积决定前置系统部署数量，每套前置系统部署区域理想状态下为半径10KM以前置中继北斗通信系统为中心的圆形区域，不同感知节点与不同前置系统部署时采用交叉部署方式，交叉区域根据实际情况下单节点感知范围和自组网通信范围来确定。前置感知节点电路采用低功耗和系统值守设计，前置中继北斗通信系统采用太阳能供电电源和系统值守设计，能有效降低前置系统(前置感知系统和前置中继系统)的功耗，在保证系统实效性的基础上极大的提高了系统的续航性。本发明通过无人岛礁监测协同交互系统利用北斗定位和通信实现了前置系统、无人机系统和无人岛礁监测终端系统之间的超距互联，解决了入侵告警信号的远程传输及定位问题，实现了同时对广域范围内多个无人岛礁全时段无间断的智能监测。无人岛礁监测终端系统通过无人岛礁监测协同交互系统与前置系统和无人机系统实现信息交互，当前置系统发送告警信息时，入侵预判定信息传递给无人岛礁监测终端系统，经无人岛礁监测终端系统对入侵预判定信息进行分析，通过无人岛礁监测协同交互系统将分析结果传送给无人机操控系统，由无人机对入侵目标进行最终确认，并将确认结果用高清照片和实时视频同步的方式反馈给无人岛礁监测终端系统，同步投影到入侵态势显示系统上，利用无人机或附近巡航力量进一步采取控制、驱离、扣押等手段防止不法人员对岛礁生态系统的破坏行为。

参照图2所示，在本部分优选实施例中，所述前置感知系统，用于采集振动感知的信号及判定是否遭到入侵，并将带有北斗定位信息的入侵告警信息上传至所述前置中继北斗通信系统；

所述前置中继北斗通信系统，用于接收由所述前置感知系统生成的带有北斗定位信息的入侵告警信息，并将所述入侵告警信息发送至所述无人岛礁监测协同交互系统；

所述无人岛礁监测协同交互系统，用于所述前置系统、无人岛礁监测终端系统和无人机系统的信息交互；

所述无人岛礁监测终端系统，用于入侵态势及整个监测系统的状态监测、系统信息交互及决策辅助；

所述无人机系统，用于通过拍摄高清照片和视频对入侵情况进行确认并同步反馈给所述无人岛礁监测协同交互系统；

所述入侵态势实时显示系统，用于投影所述无人岛礁监测终端系统的高清海图和无人机实时同步视频。

在本部分优选实施例中，所述前置感知系统，包括多个前置感知节点，每个前置感知节点包括：供电模块、北斗定位模块、信号处理模块、值守模块、无线通信模块和振动传感器，所述北斗定位模块、信号处理模块、值守模块和无线通信模块依次连接，所述振动传感器与信号处理模块连接，所述供电模块为所述北斗定位模块、信号处理模块、值守模块和无线通信模块供电。

在本部分优选实施例中，所述北斗定位模块，用于提供所述北斗定位模块所在的前置感知节点的定位信息；

所述振动传感器，用于生成振动信号，并传递给所述信号处理模块；

所述信号处理模块，用于从所述振动信号中提取有效振动入侵信号，并对所述有效振动入侵信号进行判定，生成带有北斗定位信息的入侵告警信息；

所述值守模块，用于受所述信号处理模块控制唤醒所述第一无线通信模块和北斗定位模块；

所述第一无线通信模块，用于将所述入侵告警信息上传至所述前置中继北斗通信系统。

具体的，所述的前置感知系统是振动感知的信号采集及入侵预判定装备，由多组感知节点组成，通过前置中继北斗通信系统组成星状拓扑结构自组网，网络中每个感知节点都具备精准北斗定位功能，每个感知节点包括高灵敏度振动传感器、供电模块、信号处理模块、值守模块、无线通信模块、北斗定位模块等，多个感知节点形成无线自组网络，实现多感知节点的协同工作，用于无人岛礁现场环境的信息采集及入侵预判定，供电模块分别为信号处理模块、值守模块、无线通信模块和北斗定位提供电源供应，振动传感器、信号处理模块、值守模块、无线通信模块、北斗定位模块通过串口进行信息交互，平常状态下无线通信模块和北斗定位模块待机，值守模块可唤醒无线通信模块和北斗定位模块。感知子节点均采用低噪声设计，利用低噪声滤波器结合预处理算法，从复杂环境噪声中提取有效入侵振动信号。当入侵发生时，振动传感器将振动信号传递给信号处理模块，经信号处理模块提取有效振动入侵信号并对入侵信号进行判定，确认为入侵信号后，通过值守模块唤醒无线通信模块和北斗定位模块，无线通信模块将带有北斗定位信息的入侵告警信息上传至前置中继通信系统。无入侵状态下，感知节点值守模块每120小时唤醒无线通信模块和北斗定位模块一次，发送一次系统状态信息。

在本部分优选实施例中，所述前置中继北斗通信系统，包括太阳能供电模块、北斗通用用户机、北斗控制模块、北斗值守模块和第二无线通信模块，所述第二无线通信模块与北斗值守模块连接，所述北斗值守模块与北斗控制模块信息互通，所述北斗控制模块和北斗通用用户及信息互通，所述太阳能供电模块用于为所述北斗通用用户机、北斗控制模块、北斗值守模块和第二无线通信模块供电。

在本部分优选实施例中，所述北斗通用用户机，用于向无人岛礁协同交互系统的北斗指挥机转发所述多个前置感知节点的带有北斗定位信息的入侵告警信息；

所述北斗控制模块，用于控制所述太阳能供电模块为所述北斗通用用户机、北斗控制模块、北斗值守模块和第二无线通信模块供电，并控制所述北斗通用用户机转发所述入侵告警信息；

所述第二无线通信模块，用于接收所述第一无线通信模块的入侵告警信息；

所述北斗值守模块，用于在所述第二无线通信模块收到入侵告警信息后，激活所述北斗控制模块工作。

具体的，所述的前置中继北斗通信系统是前置感知系统入侵预判定结果的北斗通信中继设备，包括太阳能供电模块、北斗通用用户机、北斗控制模块、北斗值守模块、无线通信模块，利用无线自组网络与前置感知系统实现互联同时通过北斗通信实现前置系统和无人岛礁监测终端系统的数据传输，太阳能供电模块分别为北斗通用用户机、北斗控制模块、北斗值守模块、无线通信模块供电。当无线通信模块接收到前置感知系统的告警信息时，通过北斗值守模块激活北斗控制模块，北斗控制模块控制太阳能供电模块为北斗通用用户机供电，并通过北斗通用用户机向无人岛礁系统交互系统的北斗指挥机发送带有前置感知节点北斗定位信息的入侵告警信息。当得到多组感知节点信息时，按照信息先后顺序依次进行发送。

参照图3所示，前置感知系统和前置中继北斗通信系统组成前置系统，部署在无人岛礁上。前置系统各感知节点以前置中继北斗通信系统为中心组成星状拓扑结构自组网，网络中每个感知节点都具备精准北斗定位功能，感知节点的感知范围理想状态下为半径50m以节点为中心的圆形区域，每套前置系统部署区域理想状态下为半径10km以前置中继北斗通信系统为中心的圆形区域，可根据岛礁面积部署多套前置系统，提升监测范围和入侵定位准确性。不同感知节点与不同前置系统部署时采用交叉部署方式，交叉区域根据实际情况下的单节点感知范围和自组网通信范围来确定。

在本部分优选实施例中，所述无人岛礁监测终端系统包括无人岛礁前置系统部署据库模块、数据分析模块、自检模块、数据存储模块、系统参数管理模块、信息交互模块、数据同步模块和高清卫星海图模块，其中，

所述无人岛礁前置系统部署据库模块，用于存储所有安装在无人岛礁上的所述前置感知系统的各前置感知节点的部署和定位数据；

所述数据分析模块，用于实现根据所述信号处理模块提供的带有定位信息的入侵判定结果分析入侵人数、方位并实现入侵路径预判，同时进行数据整理归类、入侵态势分析；

所述自检模块，用于实现无入侵状态下，所述值守模块每120小时唤醒第一无线通信模块一次，发送一次状态正常确认信息，所述自检模块通过各前置感知节点带有定位信息的状态确认信息判断各前置感知节点的故障情况；

所述数据存储模块，用于实现实时数据记录、历史数据的更新和查询功能；

所述系统参数管理模块，用于实现用户信息、北斗指挥机参数信息、指挥机下属各北斗通用用户机信息、无人机系统数据传输参数的设置；

所述信息交互模块，用于实现北斗系统信息交互和所述无人机系统信息交互功能；

所述数据同步模块，用于实现无人机视频数据和入侵态势数据的同步功能；

所述高清卫星海图模块，用于实现所述前置感知节点、无人机和入侵处置人员在高清海图上的精准定位可视化功能。

具体的，所述的无人岛礁监测终端系统分为船载系统和岸基系统两种。控制终端搭载无人岛礁监测系统程序，该程序使用C++语言开发，适用于常用计算机操作系统，通过WPF搭建良好的智能人机交互界面，包括无人岛礁前置系统部署据库模块、数据分析模块、自检模块、数据存储模块、系统参数管理模块、信息交互模块、数据同步模块、高清卫星海图模块，无人岛礁监测终端负责入侵态势及系统状态监测、系统信息交互、决策辅助。无人岛礁监测控制终端可对应多套前置系统，船载系统安装在常态化岛礁巡航船只上，岸基系统安装在岸基监控中心。

在本部分优选实施例中，所述无人岛礁监测协同交互系统，包括数据交换模块和北斗指挥机，数据交换模块用于将前置中继北斗通信系统的发送的数据和无人机反馈的数据按照标准的北斗通信协议的标准化，北斗指挥机作为监测系统北斗通信信道的控制设备，能够对前置中继北斗通信系统和无人机北斗通信模块进行设置和控制，是北斗通信的核心设备，用于前置中继北斗通信系统和无人机信息的接收和发送。

具体的，所述无人岛礁监测协同交互系统包括数据交换模块和北斗指挥机，负责前置系统、无人岛礁监测终端船载/岸基系统和无人机系统的信息交互。无人岛礁监测协同交互系统将前置系统的告警信息(包括感知节点定位、入侵态势等信息)转换成为统一标准的数据上传给无人岛礁监测终端船载/岸基系统和无人机系统，同时将无人机对入侵情况进行确认的高清照片和同步视频反馈给无人岛礁监测终端船载/岸基系统。

在本部分优选实施例中，所述无人机系统包括无人机、无人机操作分系统和无人机维护分系统，所述无人机挂载有高清云台摄像机、北斗通信模块、北斗定位模块和无人机控制模块，其中，

所述高清云台摄像机，用于拍摄高清照片和视频从而对入侵情况进行确认；

所述北斗定位模块，用于提供无人机定位信息；

所述北斗通信模块，用于提供数据传输；

所述无人机控制模块，用于对所述无人机的飞行姿态和摄像机进行控制。

具体的，所述无人机系统工业级定制无人机，根据部署位置分为船载无人机系统和岸基无人机系统，所述船载无人机系统和岸基无人机系统均包括：无人机、无人机操作分系统和无人机维护分系统。无人机挂载高清云台摄像机、北斗通信模块、北斗定位模块、无人机控制模块，高清云台摄像机拍摄高清照片和视频对入侵情况进行确认，北斗定位模块提供无人机定位信息，北斗通信模块提供数据传输。无人机系统通过拍摄高清照片和视频对入侵情况进行确认并同步反馈给相应的控制终端。

所述入侵态势实时显示系统，负责投影无人岛礁监测终端船载/岸基系统的高清海图和无人机实时同步视频，高清海图上实时显示前置感知节点定位及告警信息、无人机定位信息和入侵态势数据分析结果等内容。

参照图4所示，本发明所述系统的运行流程为：

S1、前置感知系统一个或多个感知节点检测到震动入侵信号；

S2、各前置感知节点值守模块唤醒无线通信模块，向前置中继北斗通信系统上传带有本节点北斗定位信息的告警预判定信息；

S3、前置中继北斗通信系统的无线通信模块接收到告警预判定信息后，通过北斗值守模块唤醒北斗控制模块，北斗控制模块利用北斗通用用户机根据告警信息接收时间依次向无人岛礁协同交互系统的北斗指挥机转发带有各感知节点北斗定位信息的告警预判定信息；

S4、无人岛礁协同交互系统的北斗指挥机接收到告警信息后通过数据交换模块将其转发给无人岛礁监测终端船载/岸基系统，无人岛礁监测终端系统根据多组感知节点北斗定位信息对入侵情况进行分析，根据分析结果通过协同交互系统将入侵情况转发给距离被入侵岛屿最近的船载/岸基无人机系统；

S5、无人机系统控制无人机到目标岛礁确认入侵情况，无人机北斗定位信息、拍摄的高清照片和实时视频通过机载北斗和交互系统同步给无人岛礁监测终端系统；

S6、无人岛礁监测终端系统根据无人机的反馈结果做出辅助决策，并将无人机定位信息、入侵分析、辅助决策在高清海图上的可视化结果和实时同步视频投影到入侵态势显示系统，供生态环境监控中心决策使用；

S7、生态环境监控中心根据入侵情况就近调配防护船只和人员对岛礁入侵目标实施控制、驱离和处理；

S8、此次入侵事件处理完毕后，各系统恢复值守状态。