一种广域复杂环境多维度火灾数据的获取与传输方法及系统

摘要

本发明公开了一种广域复杂环境多维度火灾数据的获取与传输方法及系统，广域复杂环境特点是所涵盖区域面积广阔，地形地物与建筑设施组成复杂，分布不规律，包括但不限于森林防火区域、化工园区、爆炸现场类型，包括以下步骤组成，步骤一、从域外机场利用飞行器以空投方式快速部署多个一体化测量单元，实现动态组建覆盖广域复杂环境的传感器节点网络；步骤二、利用多批次部署一体化测量单元实现多维度火灾数据获取；步骤三、利用卫星通讯与传感器节点网络实现自适应数据上传。本发明综合了自主空投快速部署、多维度火灾数据获取、自适应数据上传等技术，实现对广域复杂环境的多维度火灾数据获取与传输。

权利要求

1.一种广域复杂环境多维度火灾数据的获取与传输方法，其特征在于，包括以下内容：步骤1：利用飞行器，一体化测量单元以空投方式实现快速部署，所述一体化测量单元是指实现自主空投快速部署、多维度火灾数据获取与自适应传输的装置；多个一体化测量单元共同组建覆盖广域复杂环境的传感器节点网络；

步骤1.1：通过快速部署子系统，实现自主空投快速部署；所述快速部署子系统包括投放装置、降落伞装置和缓冲着陆装置；投放装置实现自释放空投；

飞行器吊装一体化测量单元，从空中进入广域复杂环境，一体化测量单元中的控制器实时测量当前位置与高度，当满足投放条件时控制器发出空投指令，投放装置动作，实现一体化测量单元与飞行器分离，一体化测量单元从空中自由落下；

步骤1.2：降落伞装置包括引导伞，主降落伞；降落伞装置实现伞降减速；当空投后降落伞装置开始工作，由吊装软绳拉出引导伞，在下降过程中引导伞展开，并拉出主降落伞，主降落伞展开后保障一体化测量单元以不大于最大预定着陆速度匀速降落地面；

步骤1.3：控制器内设有剪伞计时器，在投放后剪伞计时器开始工作，当满足剪伞条件时，控制器发出剪伞指令，实现主降落伞与一体化测量单元分离；

步骤1.4：接触地面时，缓冲着陆装置开始工作，使一体化测量单元着地；

步骤1.5：当一体化测量单元正确部署后，多个一体化测量单元共同组建覆盖广域复杂环境的传感器节点网络；

步骤2：所述传感器节点网络获取多维度火灾数据；

步骤3：利用所述传感器节点网络与卫星通讯实现多维度火灾数据自适应传输，所述自适性传输是指一体化测量单元在传感器节点网络与卫星通讯之间动态选择；

所述广域复杂环境是指涵盖面积广阔，地形地物与建筑设施组成复杂且分布不规律的人造或自然区域；所述人造或自然区域包括森林防火区域、化工园区和爆炸现场；

所述一体化测量单元包括：快速部署子系统、复合探测器子系统、通讯子系统、控制器和电源模块；快速部署子系统实现自主空投快速部署；复合探测器子系统由多个探测器构成，所述多个探测器包括：时间位置探测器、温度探测器、干湿度探测器、可燃气体浓度探测器和火焰辐射探测器，用于多维度火灾数据获取；通讯子系统用于多维度火灾数据自适应传输；快速部署子系统、复合探测器子系统、通讯子系统和电源模块均由控制器控制；电源模块为复合探测器子系统、控制器和通讯子系统供电；

所述步骤1.1中，所述投放条件包括高度条件和位置条件，高度条件保障后续降落伞装置的正常工作，位置条件保障一体化测量单元部署地点精度，并基于飞行器部署地点与飞行器航行速度与航行精度的影响；

所述投放条件为：

投放条件

其中，P当前位置指控制器实时测量一体化测量单元当前位置，P部署地点指在部署前由工作人员设定的部署位置，S最大航行速度指在部署前由工作人员设定的飞行器最大航行速度，T控制周期指控制器在自主空投快速部署阶段的控制处理时长，E航行精度，指在部署前由工作人员设定的飞行器最大航线偏离量，H当前高度指控制器实时测量的当前高度，H投放高度指在部署前由工作人员设定的投放最小高度；

所述步骤1.3中，所述剪伞条件为：剪伞条件为：

其中，T剪伞计时器指控制器实时测量的剪伞计时器的累计时间，T延迟时间指预设的延迟剪伞时间，V降落速度指预设的一体化测量单元降落速度，H投放高度指空投时相对地面高度。

2.根据权利要求1所述的一种广域复杂环境多维度火灾数据的获取与传输方法，其特征在于：所述步骤2和步骤3中，传感器节点网络还获取一体化测量单元的状态数据，利用传感器节点网络与卫星通讯还实现一体化测量单元的状态数据的自适应通讯；所述状态数据包括各个探测器工作状态和电源模块的能量状态和通讯子系统的状态。

3.根据权利要求1所述的一种广域复杂环境多维度火灾数据的获取与传输方法，其特征在于：所述步骤2中，所述传感器节点网络获取多维度火灾数据的过程为：通过复合探测器子系统实现一体化测量单元部署地点周围的火灾与环境数据探测；通过多批次部署一体化测量单元，实现动态组建传感器节点网络，获取覆盖广域复杂环境多维度火灾数据；所述多维度火灾数据指由时间维度、空间维度、火灾数据维度组成的用于描述广域复杂环境火灾特征的数据；所述火灾数据维度包括温度数据，干湿度数据，可燃气体浓度数据，火焰辐射数据；所述时间维度是指连续测量的时间点，空间维度是指覆盖广域复杂环境的分布不均匀的位置坐标。

4.根据权利要求1所述的一种广域复杂环境多维度火灾数据的获取与传输方法，其特征在于：所述步骤1.3中，利用传感器节点网络与卫星通讯实现多维度火灾数据自适应传输如下：

由通讯子系统实现，所述通讯子系统包括卫星通讯模块与无线通讯模块；无线通讯模块实现一体化测量单元间的数据通讯；卫星通讯模块实现卫星与一体化测量单元间的多维火灾数据通讯；

当控制器发出通讯指令时，通讯子系统进入工作模式，卫星通讯模块尝试建立卫星通讯链路，如果卫星通讯链路不可用，则通过传感器节点网络向邻近一体化测量单元广播本一体化测量单元获取的数据；如果卫星通讯链路可用，则上传本一体化测量单元以及通过传感器节点网络接收到的数据；当控制器发出待机指令时，通讯子系统进入待机状态，等待下次通讯指令。

5.根据权利要求1所述的广域复杂环境多维度火灾数据的获取与传输方法，其特征在于：所述一体化测量单元中，通过控制器实现自主空投快速部署、多维度火灾数据获取与自适应传输的任务控制；

任务控制包括两个阶段，分别为自主空投快速部署阶段和多维度火灾数据获取与自适应传输阶段；在自主空投快速部署阶段控制快速部署子系统中的投放装置工作以实现空投部署，在多维度火灾数据获取与自适应传输阶段，定时控制多维度火灾数据探测和通讯，管理并监控复合探测子系统中各个探测器工作状态、电源模块电量和邻近一体化测量单元的状态信息。

6.根据权利要求1所述的广域复杂环境多维度火灾数据的获取与传输方法，其特征在于：所述电源模块由可并联安装电池的框架和多块电池组成，根据广域复杂环境的环境温度、湿度特点以及一体化测量单元工作时间与工作强度要求，在部署时通过安装多块电池的方式动态扩充电源容量。

7.根据权利要求1所述的一种广域复杂环境多维度火灾数据的获取与传输方法，其特征在于：所述缓冲着陆装置包括：设备安装板、电子设备安装保护盒、三根支架、三根支架弹簧、三根缓冲弹簧和三个碗形触足；

三根支架顶端通过铰链连接到设备安装板上，通过三个支架支撑一体化测量单元；支架间安装支架弹簧以吸收支架的剪切向冲击能量；支架底端连接减震弹簧以吸收径向冲击能量；减震弹簧底部连接碗形触足，通过碗形触足和支架倾斜来适应一定坡度和起伏的地形，保障一体化测量单元不会发生翻滚；实现一体化测量单元着地；电子设备安装保护盒罩住电源模块、控制器、通讯子系统和复合探测器子系统，保障罩住的设备不会发生损坏。

8.一种实现权利要求1-7任意之一所述的广域复杂环境多维度火灾数据的获取与传输方法的系统，其特征在于：由多个一体化测量单元共同构成覆盖广域复杂环境的传感器节点网络，实现自主空投快速部署、多维度火灾数据获取与自适应传输；所述广域复杂环境是指涵盖面积广阔，地形地物与建筑设施组成复杂且分布不规律的人造或自然区域；所述人造或自然区域包括森林防火区域、化工园区和爆炸现场；所述自适性传输是指一体化测量单元在传感器节点网络与卫星通讯之间动态选择；

所述一体化测量单元包括：快速部署子系统、复合探测器子系统、通讯子系统、控制器和电源模块；快速部署子系统实现自主空投快速部署；复合探测器子系统由多个探测器构成，所述多个探测器包括：时间位置探测器、温度探测器、干湿度探测器、可燃气体浓度探测器和火焰辐射探测器，用于多维度火灾数据获取；通讯子系统用于多维度火灾数据自适应传输；快速部署子系统、复合探测器子系统、通讯子系统和电源模块均由控制器控制；电源模块为复合探测器子系统、控制器和通讯子系统供电。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述快速部署子系统包括投放装置、降落伞装置和缓冲着陆装置；

所述投放装置实现自释放空投，飞行器吊装一体化测量单元，从空中进入广域复杂环境，控制器实时测量当前位置与高度，当满足投放条件时控制器发出空投指令，投放装置动作，实现一体化测量单元与飞行器分离，一体化测量单元从空中自由落下；

所述降落伞装置实现伞降减速；所述降落伞装置包括引导伞和主降落伞；当空投后降落伞装置开始工作，由吊装软绳拉出引导伞，在下降过程中引导伞展开，并拉出主降落伞，主降落伞展开后保障一体化测量单元以不大于最大预定着陆速度匀速降落地面；控制器内设有剪伞计时器，在投放后剪伞计时器开始工作，当满足剪伞条件时，控制器发出剪伞指令，实现主降落伞与一体化测量单元分离；

缓冲着陆装置，接触地面时，缓冲着陆装置开始工作，使一体化测量单元着地。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于：所述缓冲着陆装置包括：设备安装板、电子设备安装保护盒、三根支架、三根支架弹簧、三根缓冲弹簧和三个碗形触足；三根支架顶端通过铰链连接到设备安装板上，通过三个支架支撑一体化测量单元；支架间安装支架弹簧以吸收支架的剪切向冲击能量；支架底端连接减震弹簧以吸收径向冲击能量；减震弹簧底部连接碗形触足，通过碗形触足和支架倾斜来适应一定坡度和起伏的地形，保障一体化测量单元不会发生翻滚；实现一体化测量单元着地；电子设备安装保护盒罩住电源模块、控制器、通讯子系统和复合探测器子系统，保障罩住的设备不会发生损坏。

11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于：所述投放条件包括高度条件和位置条件，高度条件保障后续降落伞装置的正常工作，位置条件保障一体化测量单元部署地点精度，并基于飞行器部署地点与飞行器航行速度与航行精度的影响；

所述投放条件为：

投放条件

其中，P当前位置指控制器实时测量一体化测量单元当前位置，P部署地点指在部署前由工作人员设定的部署位置，S最大航行速度指在部署前由工作人员设定的飞行器最大航行速度，T控制周期指控制器在自主空投快速部署阶段的控制处理时长，E航行精度，指在部署前由工作人员设定的飞行器最大航线偏离量，H当前高度指控制器实时测量的当前高度，H投放高度指在部署前由工作人员设定的投放最小高度。

12.根据权利要求9所述的系统，其特征在于：所述剪伞条件为：剪伞条件为：

其中，T剪伞计时器指控制器实时测量的剪伞计时器的累计时间，T延迟时间指预设的延迟剪伞时间，V降落速度指预设的一体化测量单元降落速度，H投放高度指空投时相对地面高度。

13.根据权利要求9所述的系统，其特征在于：通过多批次部署一体化测量单元，实现动态组建传感器节点网络，获取覆盖广域复杂环境多维度火灾数据；所述多维度火灾数据指由时间维度、空间维度、火灾数据维度组成的用于描述广域复杂环境火灾特征的数据；所述火灾数据维度包括温度数据，干湿度数据，可燃气体浓度数据，火焰辐射数据；所述时间维度是指连续测量的时间数据，空间维度是指覆盖广域复杂环境的分布不均匀的位置。

14.根据权利要求9所述的系统，其特征在于：所述通讯子系统包括卫星通讯模块与无线通讯模块；无线通讯模块实现一体化测量单元间的数据通讯；卫星通讯模块实现卫星与一体化测量单元间的多维火灾数据通讯；

当控制器发出通讯指令时，通讯子系统进入工作模式，卫星通讯模块尝试建立卫星通讯链路，如果卫星通讯链路不可用，则通过传感器节点网络向邻近一体化测量单元广播本一体化测量单元获取的数据；如果卫星通讯链路可用，则上传本一体化测量单元以及通过传感器节点网络接收到的数据；当通讯子系统收到待机指令时，进入待机状态，等待下次通讯指令。

15.根据权利要求9所述的系统，其特征在于：所述控制器的控制，分为两个阶段的任务，即自主空投快速部署阶段和多维度火灾数据获取与自适应传输阶段；在自主空投快速部署阶段控制快速部署子系统中的投放装置工作以实现空投部署，在多维度火灾数据获取与自适应传输，定时控制多维度火灾数据探测和通讯，管理并监控复合探测子系统中各个探测器工作状态、电源模块电量和邻近一体化测量单元的状态信息。

说明书

一种广域复杂环境多维度火灾数据的获取与传输方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及火灾数据测量的技术领域，具体涉及一种广域复杂环境多维度火灾数据的获取与传输方法及系统。

背景技术

[0002] 广域复杂环境具有所涵盖区域面积广阔，地形地物与建筑设施组成复杂，分布不规律的特征，获取与传输其火灾数据需要大量部署火灾数据测量装置，如果通过人工部署，
则需要通过大量人力与时间携带火灾数据测量装置进入目标区域实地安装部署，这会导致
部署工作非常耗时耗力，管理与维护难度极高还容易发生人身安全事故，同时也难以在火
灾发生时及时响应火灾数据获取要求；如果通过飞机、卫星等空基、天基平台对目标区域进
行遥感监测，需要平台能够频繁经过目标区域上空，由于这些平台工作机制的限制，这会导
致火灾数据采集的成本过高，时效性较差，且由于探测距离较远的因素，部分火灾数据无法
测量，部分火灾数据可以测量但精度相对较低。为了更好地解决传统广域复杂环境下的火
灾数据获取时效性、综合性与精度问题，需要火灾数据测量装置在目标区域现场工作，火灾
数据测量装置需要携带多种探测器获取多维度火灾数据，同时需要一种新的部署手段以替
换人工地面部署。

[0003] 在广域复杂环境下保障火灾数据传输是一个难点。现存方案一，通过有线通讯网络实现数据传输，该方案优势是时效性高，带宽大，劣势是铺设成本过高而且环境适应能力
较差；方案二，利用地面已存无线通讯基础设施通过基站以3G/4G/5G等制式实现数据传输，
该方案优势是时效性较高，带宽较大，劣势是存在信号覆盖问题，以及适应性较差的问题，
如在火灾发生时网络服务失效的非常情况下无法正常传输数据；方案三，利用飞行器过顶
火灾数据测量装置，火灾数据测量装置将采集的火灾数据上传到飞行器以实现传输，该方
案优势是环境适应能力强，劣势是时效性差；方案四，利用卫星通讯链路不依赖地面通讯服
务基础设施，该方案优势是可以在没有地面无线信号覆盖的区域正常工作，劣势是带宽小，
易受地形地物遮挡与干扰；方案五，无线传感器节点网络实现火灾数据测量装置间数据传
输，该方案优势是根据环境复杂度通讯距离可达2-5公里，对复杂环境的抗干扰能力较强，
劣势是依赖邻近节点传输数据，对广域复杂环境实现传输需要部署大量中继节点。为了更
好保障火灾数据传输，降低部署在广域复杂环境中的火灾数据测量装置数量，需要综合利
用卫星通讯链路与无线传感器节点网络两种通讯手段。

发明内容

[0004] 本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种广域复杂环境多维度火灾数据的快速获取和测量系统及方法，以实现广域复杂环境下的多维火灾数据获取与传输。

[0005] 本发明技术解决方案：

[0006] 一种广域复杂环境多维度火灾数据的获取与传输方法，包括以下内容：

[0007] 步骤1：利用飞行器，一体化测量单元以空投方式实现快速部署，所述一体化测量单元是指实现自主空投快速部署、多维度火灾数据获取与自适应传输的装置；多个一体化
测量单元共同组建覆盖广域复杂环境的传感器节点网络；

[0008] 步骤2：所述传感器节点网络获取多维度火灾数据；

[0009] 步骤3：利用所述传感器节点网络与卫星通讯实现多维度火灾数据自适应传输，所述自适性传输是指一体化测量单元在传感器节点网络与卫星通讯之间动态选择；

[0010] 所述广域复杂环境是指涵盖面积广阔，地形地物与建筑设施组成复杂且分布不规律的人造或自然区域；所述人造或自然区域包括森林防火区域、化工园区和爆炸现场；

[0011] 所述一体化测量单元包括：快速部署子系统、复合探测器子系统、通讯子系统、控制器和电源模块；快速部署子系统实现自主空投快速部署；复合探测器子系统由多个探测
器构成，所述多个探测器包括：时间位置探测器、温度探测器、干湿度探测器、可燃气体浓度
探测器和火焰辐射探测器，用于多维度火灾数据获取；通讯子系统用于多维度火灾数据自
适应传输；快速部署子系统、复合探测器子系统、通讯子系统和电源模块均由控制器控制；
电源模块为复合探测器子系统、控制器和通讯子系统供电。

[0012] 所述步骤2和步骤3中，传感器节点网络还获取一体化测量单元的状态数据，利用传感器节点网络与卫星通讯还实现一体化测量单元的状态数据的自适应通讯；所述状态数
据包括各个工作状态和电源模块的能量状态和通讯子系统的状态。

[0013] 所述步骤1中，利用飞行器，一体化测量单元以空投方式实现快速部署的过程为：

[0014] (1)通过快速部署子系统，实现自主空投快速部署；所述快速部署子系统包括投放装置、降落伞装置和缓冲着陆装置；投放装置实现自释放空投；

[0015] 飞行器吊装一体化测量单元，从空中进入广域复杂环境，一体化测量单元中的控制器实时测量当前位置与高度，当满足投放条件时控制器发出空投指令，投放装置动作，实
现一体化测量单元与飞行器分离，一体化测量单元从空中自由落下；

[0016] (2)降落伞装置包括引导伞，主降落伞；降落伞装置实现伞降减速；当空投后降落伞装置开始工作，由吊装软绳拉出引导伞，在下降过程中引导伞展开，并拉出主降落伞，主
降落伞展开后保障一体化测量单元以不大于最大预定着陆速度匀速降落地面；

[0017] (3)控制器内设有剪伞计时器，在投放后剪伞计时器开始工作，当满足剪伞条件时，控制器发出剪伞指令，实现主降落伞与一体化测量单元分离；

[0018] (4)接触地面时，缓冲着陆装置开始工作，使一体化测量单元着地；

[0019] (5)当一体化测量单元正确部署后，多个一体化测量单元共同组建覆盖广域复杂环境的传感器节点网络。

[0020] 所述通过快速部署子系统，实现自主空投快速部署中，投放条件包括高度条件和位置条件，高度条件保障后续降落伞装置的正常工作，位置条件保障一体化测量单元部署
地点精度，并基于飞行器部署地点与飞行器航行速度与航行精度的影响；

[0021] 所述投放条件为：

[0022]

[0023] 上述公式中，P当前位置指控制器实时测量一体化测量单元当前位置，P部署地点指在部署前由工作人员设定的部署位置，S最大航行速度指在部署前由工作人员设定的飞行器最大航行速
度，T控制周期指控制器在自主空投快速部署阶段的控制处理时长，E航行精度，指在部署前由工作人
员设定的飞行器最大航线偏离量，H当前高度指控制器实时测量的当前高度，H投放高度指在部署前
由工作人员设定的投放最小高度。

[0024] 所述控制器内设有剪伞计时器，在投放后剪伞计时器开始工作，当满足剪伞条件时，控制器发出剪伞指令，实现主降落伞与一体化测量单元分离中，剪伞条件为：

[0025] 剪伞条件为：

[0026] 上述公式中，T剪伞计时器指控制器实时测量的剪伞计时器的累计时间，T延迟时间指预设的延迟剪伞时间，V降落速度指预设的一体化测量单元降落速度，H投放高度指空投时相对地面高度。

[0027] 所述利用传感器节点网络获取多维度火灾数据的过程为：

[0028] 通过复合探测器子系统实现一体化测量单元部署地点周围的火灾与环境数据探测；通过多批次部署一体化测量单元，实现动态组建传感器节点网络，获取覆盖广域复杂环
境多维度火灾数据；所述多维度火灾数据指由时间维度、空间维度、火灾数据维度组成的用
于描述广域复杂环境火灾特征的数据；所述火灾数据维度包括温度数据，干湿度数据，可燃
气体浓度数据，火焰辐射数据；所述时间维度是指连续测量的时间数据，空间维度是指覆盖
广域复杂环境的分布不均匀的位置。

[0029] 所述利用传感器节点网络与卫星通讯实现多维度火灾数据自适应传输如下：

[0030] 由通讯子系统实现，所述通讯子系统包括卫星通讯模块与无线通讯模块；无线通讯模块实现一体化测量单元间的数据通讯；卫星通讯模块实现卫星与一体化测量单元间的
多维火灾数据通讯；

[0031] 当控制器发出通讯指令时，通讯子系统进入工作模式，卫星通讯模块尝试建立卫星通讯链路，如果卫星通讯链路不可用，则通过传感器节点网络向邻近一体化测量单元广
播本一体化测量单元获取的数据；如果卫星通讯链路可用，则上传本一体化测量单元以及
通过传感器节点网络接收到的数据；当通讯子系统收到待机指令时，进入待机状态，等待下
次通讯指令。

[0032] 所述一体化测量单元中，通过控制器实现自主空投快速部署、多维度火灾数据获取与自适应传输的任务控制；

[0033] 任务控制包括两个阶段，分别为自主空投快速部署阶段和多维度火灾数据获取与自适应传输阶段；在自主空投快速部署阶段控制快速部署子系统中的投放装置工作以实现
空投部署，在多维度火灾数据获取与自适应传输，定时控制多维度火灾数据探测和通讯，管
理并监控复合探测子系统中各个探测器工作状态、电源模块电量和邻近一体化测量单元的
状态信息。

[0034] 所述电源模块由可并联安装电池的框架和多块电池组成，根据广域复杂环境的环境温度、湿度特点以及一体化测量单元工作时间与工作强度要求，在部署时通过安装多块
电池的方式动态扩充电源容量。

[0035] 所述缓冲着陆装置包括：设备安装板、电子设备安装保护盒、三根支架、三根支架弹簧、三根缓冲弹簧和三个碗形触足；

[0036] 三根支架顶端通过铰链连接到设备安装板上，通过三个支架支撑一体化测量单元；支架间安装支架弹簧以吸收支架的剪切向冲击能量；支架底端连接减震弹簧以吸收径
向冲击能量；减震弹簧底部连接碗形触足，通过碗形触足和支架倾斜来适应一定坡度和起
伏的地形，保障一体化测量单元不会发生翻滚；实现一体化测量单元着地；电子设备安装保
护盒罩住电源模块、控制器、通讯子系统和复合探测器子系统，保障罩住的设备不会发生损
坏。

[0037] 本发明提出一种广域复杂环境多维度火灾数据的获取与传输系统，由多个一体化测量单元共同构成覆盖广域复杂环境的传感器节点网络，实现自主空投快速部署、多维度
火灾数据获取与自适应传输；所述广域复杂环境是指涵盖面积广阔，地形地物与建筑设施
组成复杂且分布不规律的人造或自然区域；所述人造或自然区域包括森林防火区域、化工
园区和爆炸现场；所述自适性传输是指一体化测量单元在传感器节点网络与卫星通讯之间
动态选择；

[0038] 所述一体化测量单元包括：快速部署子系统、复合探测器子系统、通讯子系统、控制器和电源模块；快速部署子系统实现自主空投快速部署；复合探测器子系统由多个探测
器构成，所述多个探测器包括：时间位置探测器、温度探测器、干湿度探测器、可燃气体浓度
探测器和火焰辐射探测器，用于多维度火灾数据获取；通讯子系统用于多维度火灾数据自
适应传输；快速部署子系统、复合探测器子系统、通讯子系统和电源模块均由控制器控制；
电源模块为复合探测器子系统、控制器和通讯子系统供电。

[0039] 本发明与现有技术相比的优点在于：

[0040] (1)本发明利用飞行器以自主空投方式快速部署一体化测量单元实现动态组建覆盖目标区域的传感器节点网络，飞行器从空中进入部署地点，不依赖广域复杂环境的地形
地貌，自主空投部署节省了传感器节点地面安装环节，简化飞行器空投要求；利用投放装
置、降落伞装置和缓冲着陆装置等多种手段提高一体化测量单元自主空投部署的整体安全
性，能够一定程度适应复杂地形地物对传感器节点部署带来的不确定性；能够节省传统地
面部署方法所带来的大量的人力物力消耗，又能快速响应火灾数据获取与传输任务要求，
提高系统工作的时效性；

[0041] (2)本发明建立多维度火灾数据获取技术，集成多类火灾数据探测器，实现对多类火灾数据的精确测量；通过多批次自主空投部署一体化测量单元，由多个一体化测量单元
动态组建的传感器节点网络，实现获取广域复杂环境的由时间维度，空间维度，火灾数据维
度构成的多维度火灾数据；

[0042] (3)本发明利用卫星通讯链路与传感器节点网络组成多维度火灾数据传输技术，建立了一体化测量单元间、一体化测量单元与卫星两层通讯网络，一体化测量单元在传感
器节点网络与卫星通讯之间动态选择实现广域复杂环境的多维度火灾数据自适应传输。

附图说明

[0043] 图1为本发明的一种广域复杂环境多维度火灾数据的获取与传输方法及系统示意图；

[0044] 图2为本发明一体化测量单元组成示意图；

[0045] 图3为本发明一体化测量单元结构示意图；

[0046] 图4为本发明的空投方式快速部署工作示意图；

[0047] 图5为本发明多批次部署一体化测量单元动态组建传感器节点网络示意图；

[0048] 图6为本发明一体化测量单元电子设备组成示意图；

[0049] 图7为本发明的多个探测器工作模式示意图；

[0050] 图8为本发明的通讯子系统示意图；

[0051] 图9为本发明的控制器工作原理图。

具体实施方式

[0052] 下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

[0053] 如图1所示，本发明一种广域复杂环境多维度火灾数据的获取与传输方法，包括以下步骤：步骤一、从域外机场利用飞行器以空投方式快速部署多个一体化测量单元，实现动
态组建覆盖广域复杂环境的传感器节点网络；步骤二、利用所述传感器节点网络获取多维
度火灾数据，各个一体化测量单元利用复合探测器子系统获取其周围环境的时间位置数
据，温度数据，干湿度数据，可燃气体浓度数据与火焰辐射数据；步骤三、利用所述传感器节
点网络与卫星通讯实现多维度火灾数据自适应传输，所述自适性传输是指一体化测量单元
在传感器节点网络与卫星通讯之间动态选择，实现在广域复杂环境外的多维度火灾数据接
收；广域复杂环境是指涵盖面积广阔，地形地物与建筑设施组成复杂且分布不规律的人造
或自然区域；所述人造或自然区域包括森林防火区域、化工园区和爆炸现场。

[0054] 如图2所示，一体化测量单元包括：快速部署子系统、复合探测器子系统、通讯子系统、控制器和电源模块；快速部署子系统实现自主空投快速部署；复合探测器子系统由多个
探测器构成，所述多个探测器包括：时间位置探测器、温度探测器、干湿度探测器、可燃气体
浓度探测器和火焰辐射探测器，用于多维度火灾数据获取；通讯子系统用于多维度火灾数
据自适应传输；快速部署子系统、复合探测器子系统、通讯子系统和电源模块均由控制器控
制；电源模块为复合探测器子系统、控制器和通讯子系统供电。

[0055] 复合探测器子系统是指能够获取传感器节点周围火灾与环境数据的多个探测器；所述多个探测器包括时间位置探测器、温度探测器、干湿度探测器、可燃气体浓度探测器、
火焰辐射探测器；即图2中的时间位置装置、温度装置、干湿度装置、可燃气体浓度装置和火
焰辐射装置；

[0056] 通过复合探测器子系统实现一体化测量单元部署地点周围的火灾与环境数据探测；通过多批次部署一体化测量单元，实现动态组建传感器节点网络，获取覆盖广域复杂环
境多维度火灾数据；所述多维度火灾数据指由时间维度、空间维度、火灾数据维度组成的用
于描述广域复杂环境火灾特征的数据；所述火灾数据维度包括温度数据，干湿度数据，可燃
气体浓度数据，火焰辐射数据；所述时间维度是指连续测量的时间数据，空间维度是指覆盖
广域复杂环境的分布不均匀的位置。

[0057] 如图3所示，一体化测量单元结构由缓冲着陆装置、投放装置、降落伞装置、电子设备安装保护盒组成；其中缓冲着陆装置由一块设备安装板6，三根支架7和三根支架弹簧8组
成；支架7顶端由铰链连接到设备安装板6上，三根支架7间安装支架弹簧8以吸收支架7的剪
切向冲击能量，形成类正四面体型且重心较低的稳定结构，保障传感器节点稳定；支架7底
端由减震弹簧9和碗形足底10组成，碗形足底10适应一定坡度和不平整度的复杂地形；减震
弹簧9吸收径向冲击能量；

[0058] 投放装置由舵机5，插销4，吊装软绳1组成的完成飞行器空投，控制器发出投放指令，舵机5旋转拉出插销4，吊装软绳1从一端脱离，实现传感器节点自动从飞行器上释放；

[0059] 降落伞装置由引导伞2与主降落伞3组成的完成空中匀速下降：由吊装软绳1脱离拉出引导伞2，引导伞2展开拉出主降落伞3，主降落伞3展开保障传感器节点匀速下降；

[0060] 缓冲着陆装置完成着陆工作后，控制器发出剪伞指令，通过主降落伞3底部舵机11旋转，断开主降落伞3与设备安装板6的连接；

[0061] 电子设备安装保护盒13位于安装板6下方，通过三根支柱12连接设备安装板6，电子设备安装保护盒13为长方形结构，具有防水、防挤压碰撞等功能，其中安装有电源模块、
控制器、通讯子系统和复合探测器子系统。

[0062] 如图4所示，利用自主空投实现快速部署实现一体化测量单元着地过程如下：(1)设定部署参数，在域外机场部署时，给传感器节点设置部署地点、飞行器最大速度、航行精
度、部署高度等部署初始化参数，此时控制器上电开始工作；(2)接近部署地点，一体化测量
单元经由吊装软绳挂载在飞行器上，从空中进入广域复杂环境，接近部署地点；(3)投放装
置工作，接近部署地点的过程中，控制器循环判断是否满足部署条件，部署条件满足时控制
器发出投放指令，实现投放装置的吊装软绳释放，一体化测量单元自由下落，开始实施着
陆；(4)降落伞装置工作，由吊装软绳拉开引导伞，引导伞展开从而拉开主降落伞，一体化测
量单元下降并接触地面；(5)缓冲着陆装置工作，通过支架弹簧和减震弹簧吸收冲击能量，
碗形足底适配不平整或带有一定坡度的地形实现一体化测量单元着地。

[0063] 如图5所示，利用自主空投方式快速部署，可以根据广域复杂环境火灾预防与扑灭任务的具体需求多批次部署一体化测量单元，部署的一体化测量单元与已存一体化测量单
元动态组建传感器节点网络，实现广域复杂环境的多维度火灾数据获取与传输；如图5左部
分所示通过第一批次部署，形成覆盖广域复杂环境的空间粗分辨率传感器节点网络，获取
其多维度火灾数据，如任务需要进一步获取左上角区域空间高分辨率火灾数据，如图5右部
分所示通过第二批次部署，行成广域复杂环境左上角更密集的传感器节点网络。

[0064] 如图6所示，一体化测量单元的电子设备组成包括控制器、复合探测器子系统、通讯子系统和电源模块，电子设备协同工作实现多维度火灾数据获取；控制器为单片机，连接
复合探测器子系统、通讯子系统与电源模块，控制器利用通用数据与控制接口如GPIO、
UART、USB、I2C、CAN进行数据传输与控制；复合探测器子系统由时间位置探测器、温度探测
器、干湿度探测器、可燃气体浓度探测器和火焰辐射探测器组成；电源模块由可并联安装电
池的框架和多块锂电池组成；通讯子系统由无线通讯模块和卫星通讯模块组成；无线通讯
模块选用符合IEEE 802.15.4g标准的低功耗物联网通讯芯片，工作频率433MHz，传输速率
可达几十-几百Kbps，其传输距离在复杂环境下可达2-5公里，在较空旷环境下可达15公里，
一个网关支持的最大容量可达上万节点数；卫星通讯模块选用卫星物联网通讯方案，传输
速率200bps，工作频率401-403MHz，传输时功耗200mW，系统容量57600，单用户服务频率1
次/小时。

[0065] 如图7所示，一体化测量单元的各个探测器的工作模式有两种，分别是工作状态和待机状态，控制器发出工作指令和待机指令控制火灾数据测量装置在这两种工作模式间切
换；当进入工作状态时，控制器通过轮询方式，分别控制各个探测器执行数据采集并向控制
器上报数据；当进入待机状态时，各个探测器停止数据测量与上报。

[0066] 如图8所示，通讯子系统包含两个通讯手段，传感器节点网络和卫星通讯，通过在传感器节点网络与卫星通讯之间动态选择实现多维度火灾数据自适应传输；一体化测量单
元无法建立卫星通讯链路的时候，选择通过传感器节点网络向一体化测量单元广播火灾数
据；一体化测量单元可以建立卫星通讯链路的时候，通过卫星通讯传输自己的和接收到的
火灾数据。

[0067] 如图9所示，控制器的工作原理可分为两个组成部分，分别是自主空投快速部署阶段和多维度火灾数据获取与自适应传输阶段。

[0068] 在自主空投快速部署阶段，控制器开始上电工作，由飞行器携带传感器节点接近部署地点，控制器循环测量位置与高度数据，当满足投放条件时，控制器发出投放指令，实
施空投部署；控制器启动剪伞计时器计时，当时间超过着陆时间后，发出剪伞指令，实施主
降落伞与传感器节点分离；在多维度火灾数据获取与自适应传输阶段，控制器启动数据测
量定时器，定时开始火灾数据测量，向各个探测器发出工作指令，接收各个探测器上报测量
的数据；完成数据测量后发出待机指令，各个探测器进入待机状态；定时发出通讯指令，卫
星通讯芯片进入工作状态，尝试建立卫星通讯链路，如果无法建立卫星通讯链路，则通过传
感器节点网络广播采集的火灾数据和节点状态数据，如果能够建立卫星通讯链路，则通过
卫星通讯链路上传火灾数据和节点状态数据，在通讯结束后发出停止通讯指令，使卫星通
讯模块进入待机状态。