基于四旋翼無人機(jī)下的自動巡檢系統(tǒng)

引 言

隨著經(jīng)濟(jì)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?，F(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(jìn)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(diǎn)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(jī)下的自動巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)包括 ：依托四旋翼無人機(jī)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(zhǔn)確性 ；運(yùn)用無線射頻標(biāo)識識別，進(jìn)行信息的有效傳輸 ；搭載高清攝像系統(tǒng)對特定區(qū)域進(jìn)行有效監(jiān)控 ；無線射頻采用 LoRa 擴(kuò)頻技術(shù) [6]，其傳輸能力強(qiáng)，在減少傳輸過程中信息丟失的同時(shí)有效地解決了高功耗的問題 ；提出并建立了實(shí)時(shí)監(jiān)測平臺，有效地解決了傳統(tǒng)安保模式的缺點(diǎn)。此外，本文充分結(jié)合當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)獨(dú)有的手機(jī) APP，成功實(shí)現(xiàn)了預(yù)警信息的實(shí)時(shí)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(jī)巡航平臺、實(shí)時(shí)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(jì)算技術(shù)， 以載體無人機(jī)、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(bào)警器、手機(jī) 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(shí)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(jī)巡航平臺

無人機(jī)巡航平臺主要包括采用智能算法的自動巡跡無人機(jī)、紅外傳感器、智能報(bào)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(shí)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。

圖 2 系統(tǒng)巡航路線規(guī)劃模擬圖

1.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測平臺

實(shí)時(shí)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(shí)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(jìn)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(jī) APP 上。

當(dāng)有人員靠近時(shí)，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(jìn)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(jìn)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(jī)巡航平臺，實(shí)現(xiàn)多無人機(jī)自動跟蹤，并響應(yīng)報(bào)警系統(tǒng)，直到安保人員進(jìn)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(jìn)行比對， 便于做進(jìn)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(shí)時(shí)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(jī)的優(yōu)秀特性和各種信息傳輸手段（GPS、無線射頻、GPRS 等），實(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)控，對可疑人員持續(xù)追蹤。

2 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的功能特性情況，從系統(tǒng)實(shí)際工作環(huán)境著手，在白天和夜間兩種不同的光線強(qiáng)度下進(jìn)行多次測試以及對各個傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性及準(zhǔn)確性、高清攝像頭抓拍圖片的識別情況、無線射頻識別的準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)分析平臺下 APP 的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新速度和預(yù)警信息時(shí)效性等方面進(jìn)行多次測試并進(jìn)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?。測試結(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(shí)，MCU與 PC機(jī)進(jìn)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(shí)間信息，并把第一次采集的定位信息作為基準(zhǔn)信息。數(shù)據(jù)測試結(jié)果如圖 4 所示。

圖3 紅外傳感器測試數(shù)據(jù)圖4 GPS定位測試數(shù)據(jù)分析

（3） RF無線射頻標(biāo)識識別測試思路如圖 5 所示。

圖 5 RF 無線射頻標(biāo)識識別測試思路

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(jī)連接，進(jìn)而 PC 機(jī)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(jìn)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(dá)到測試無線射頻標(biāo)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(rèn)為無線射頻標(biāo)識模塊測試成功。測試結(jié)果如圖 6 所示。

圖 6 無線射頻測試

2.2 總體功能測試

在系統(tǒng)實(shí)際使用時(shí)，對系統(tǒng)的總體功能進(jìn)行測試，實(shí)際使用環(huán)境分為白天和黑夜，進(jìn)一步驗(yàn)證本系統(tǒng)識別與信息傳輸是否有所影響。

（1）白天。系統(tǒng)整體測試時(shí)，GPRS模塊發(fā)送測試如圖7所示，系統(tǒng)一切準(zhǔn)備就緒后開始測試。當(dāng)周圍有人靠近時(shí)，本系統(tǒng)自動啟動無線射頻標(biāo)識識別系統(tǒng)，核查該人是否攜帶射頻接收標(biāo)識，若未攜帶，則啟動高清攝像頭抓拍系統(tǒng)并響應(yīng)報(bào)警器。經(jīng)過多次測試，系統(tǒng)測試正常。

（2）夜晚。系統(tǒng)安裝準(zhǔn)備同上，依次重復(fù)上面的測試步驟，系統(tǒng)測試基本正常，只是夜晚識別時(shí)間稍微長，但基本不影響使用體驗(yàn)。

3 結(jié) 語

本文從現(xiàn)有安保模式的缺點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能大環(huán)境，建立一整套完整的預(yù)警方案。該方案抓住傳統(tǒng)保安看守模式的不足以及無人機(jī)應(yīng)用于安防市場的空白等問題，設(shè)計(jì)一種智能化的四旋翼無人機(jī)下的自動巡檢系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對非單位內(nèi)部人員的識別、預(yù)警、智能追蹤功能，有效地解決了現(xiàn)有安保模式帶來的人為不確定性、效率較低、耗費(fèi)成本較大的問題。