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CN107404347B - 一种基于NB-IoT的无人机远程监控系统及方法 - Google Patents

一种基于NB-IoT的无人机远程监控系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于NB‑IoT的无人机远程监控系统及方法，该系统包括地面控制中心、无人机和远程设备；无人机包括无人机本体和第一NB‑IoT终端模块，无人机本体与第一NB‑IoT终端模块通过串口连接进行数据传输；远程设备包括用于与第一NB‑IoT终端模块通信的第二NB‑IoT终端模块、传感器和执行器。本发明通过无人机和NB‑IoT技术的有机结合，实现对无人机状态的远程监控和对远程设备的监控。

Description

一种基于NB-IoT的无人机远程监控系统及方法
技术领域
本发明涉无人机技术、传感器技术以及智能通讯技术领域，具体涉及一种基于NB-IoT的无人机远程监控系统及方法。
背景技术
随着技术的发展，无人机在各行各业的应用得到了巨大的推广。随着无人机可执行的任务变得丰富多样，相应的飞机成本不断提高，机载的精密传感器昂贵且繁多。与此同时，无人机超视距任务飞行成为大势所趋。如此高成本的飞行器在执行超视距飞行任务时面临三大难题：一、超长距离的无人机远程任务控制命令的发布与飞行状态等信息的获取；二、续航能力与带载能力的相互协调；三、事故后，无人机的财产定位与回收。
现如今，无人机与地面控制系统的通信主要通过遥控器射频、数据传输模块、图像传输模块和wifi模块。然而，这些通信方式在视距范围内较常用，一旦无人机飞行距离超过2公里，以上通信方式都将出现中断。因此，现有常规的通信方式，覆盖范围较小，极大程度限制了无人机的工作范围与应用。采用GPRS的通信方式，虽然可以实现超长距离的通信，但其存在三点不足之处：一、GPRS的成本较高，需支付给运营商的费用较高，不利于大范围推广；二、GPRS的功耗较大，对于超视距飞行的无人机而言，电量的合理利用至关重要。然而GPRS进行持续通信时，功耗较高。一旦无人机发生故障丢失，搜寻时间较长时，无法保证剩余电量能支持GPRS持续正常工作；三、GPRS的工作模式单一，这也注定了GPRS通信系统在无人机上的应用变得困难重重。
蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）作为时下新兴的物联通讯方式，具有低功耗、广覆盖、低成本、大容量四个基础特点。NB-IoT的终端模块待机时间长达10年之久。在同等的频段下，NB-IoT相较现有网络具有20dB的增益，提高覆盖范围能力约为100倍。且单个连接模块的企业成本预期不超过5美元，与此同时NB-IoT一个扇区便可以支持10万个连接。NB-IoT只需消耗约180KHz的带宽，便可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。
发明内容
本发明的目的是通过无人机和NB-IoT技术的有机结合，实现对超视距飞行无人机状态的远程监控和对远程设备的监控。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于NB-IoT的无人机远程监控系统，包括地面控制中心、无人机和远程设备；
所述无人机包括无人机本体和第一NB-IoT终端模块，所述无人机本体与第一NB-IoT终端模块通过串口连接进行数据传输；
所述远程设备包括用于与所述第一NB-IoT终端模块通信的第二NB-IoT终端模块、传感器和执行器；
所述无人机本体用于将无人机位置信息和状态数据发送给第一NB-IoT终端模块，由第一NB-IoT终端模块通过NB-IoT运营商服务网络发送给地面控制中心；地面控制中心用于向无人机发送无人机控制指令和远程设备控制指令；无人机的第一NB-IoT终端模块通过NB-IoT运营商服务网络接收无人机控制指令执行相应的飞行任务，并将远程设备控制指令发送给远程设备的第二NB-IoT终端模块，第二NB-IoT终端模块用于接收远程设备控制指令控制执行器动作并将传感器采集的数据发送给第一NB-IoT终端模块，第一NB-IoT终端模块将传感器采集的数据传回地面控制中心。
进一步地，所述第一、第二NB-IoT终端模块包括三种工作模式，分别为Connect、Idle和PSM模式；Connect模式下，第一、第二NB-IoT终端模块入网开始数据收发，当多次收发数据失效后回到配置参数环节，重新进入Connect模式；dle模式下，第一、第二NB-IoT终端模块数据收发时断开基站连接，然后进入PSM模式；PSM模式下，第一、第二NB-IoT终端模块处于超低功耗休眠状态，被唤醒后第一、第二NB-IoT终端模块恢复数据收发。
进一步地，所述第一NB-IoT终端模块包括独立的GPS模块。
进一步地，所述第一NB-IoT终端模块由锂电池供电。
一种基于NB-IoT的无人机远程监控方法，包括如下步骤：
步骤S1：无人机飞行前，启动第一NB-IoT终端模块，参数配置完毕后，第一NB-IoT终端模块进入Connect模式，然后开始数据收发；
步骤S2：无人机飞行时，无人机本体通过串口通信将无人机位置信息和状态数据发送给第一NB-IoT终端模块，由第一NB-IoT终端模块通过NB-IoT运营商服务网络发送给地面控制中心；
步骤S3：地面控制中心根据无人机位置信息和状态数据发送无人机控制指令和远程设备控制指令；
步骤S4：在NB-IoT信号覆盖地区，无人机的第一NB-IoT终端模块通过NB-IoT运营商服务网络接收无人机控制指令和远程设备控制指令，根据无人机控制指令执行相应的飞行任务；
步骤S5：当无人机飞至远程设备所在无NB-IoT信号覆盖的偏远地区，无人机的第一NB-IoT终端模块通过NB-IoT的通信方式将远程设备控制指令传输给远程设备的第二NB-IoT终端模块；
步骤S6：第二NB-IoT终端模块接收远程设备控制指令控制执行器动作，并将传感器采集的数据发送给第一NB-IoT终端模块；
步骤S7：当无人机飞至NB-IoT信号覆盖地区时，无人机的第一NB-IoT终端模块将远程设备传感器采集的数据通过NB-IoT运营商服务网络传回地面控制中心。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：将无人机与NB-IoT技术相结合，实现无人机位置报送、机体状态数据反馈和飞行任务指令的远程下达，进而达到对无人机的远程监控和财产追踪。同时，机载的NB-IoT终端模块可与远程设备的NB-IoT终端模块通信，实现对远程设备的数据采集和设备监控。
附图说明
图1是本发明基于NB-IoT的无人机远程监控系统结构示意图；
图2是本发明NB-IoT终端模块工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的一种基于NB-IoT的无人机远程监控系统，包括地面控制中心、无人机和远程设备；无人机包括无人机本体和第一NB-IoT终端模块，无人机本体与第一NB-IoT终端模块通过串口连接进行数据传输；远程设备包括用于与所述第一NB-IoT终端模块通信的第二NB-IoT终端模块、传感器和执行器；无人机本体用于将无人机位置信息和状态数据发送给第一NB-IoT终端模块，由第一NB-IoT终端模块通过NB-IoT运营商服务网络发送给地面控制中心；地面控制中心用于向无人机发送无人机控制指令和远程设备控制指令；无人机的第一NB-IoT终端模块通过NB-IoT运营商服务网络接收无人机控制指令执行相应的飞行任务，并将远程设备控制指令发送给远程设备的第二NB-IoT终端模块，第二NB-IoT终端模块用于接收远程设备控制指令控制执行器动作并将传感器采集的数据发送给第一NB-IoT终端模块，第一NB-IoT终端模块将传感器采集的数据传回地面控制中心。
如图2所示，第一、第二NB-IoT终端模块包括三种工作模式，分别为Connect、Idle和PSM模式；Connect模式下，第一、第二NB-IoT终端模块入网开始数据收发，当多次收发数据失效后回到配置参数环节，重新进入Connect模式；dle模式下，第一、第二NB-IoT终端模块数据收发时断开基站连接，然后进入PSM模式；PSM模式下，第一、第二NB-IoT终端模块处于超低功耗休眠状态，被唤醒后第一、第二NB-IoT终端模块恢复数据收发。
在本实施例中，无人机的第一NB-IoT终端模块包括独立的GPS模块，第一NB-IoT终端模块由锂电池供电。当无人机发生事故时，无人机的第一NB-IoT终端模块还能正常工作，将无人机的地理位置发送回来，以便对无人机进行事故回收和鉴定。
无人机飞行前，启动第一NB-IoT终端模块，参数配置完毕后，第一NB-IoT终端模块进入Connect模式，然后开始数据收发；无人机飞行时，无人机本体通过串口通信将无人机位置信息和状态数据发送给第一NB-IoT终端模块，由第一NB-IoT终端模块通过NB-IoT运营商服务网络发送给用户的手机；用户可根据无人机位置信息和状态数据发送无人机控制指令和远程设备控制指令；在NB-IoT信号覆盖地区，无人机的第一NB-IoT终端模块通过NB-IoT运营商服务网络接收无人机控制指令和远程设备控制指令，根据无人机控制指令执行相应的飞行任务；当无人机飞至远程设备所在无NB-IoT信号覆盖的偏远地区，无人机的第一NB-IoT终端模块通过NB-IoT的通信方式将远程设备控制指令传输给远程设备的第二NB-IoT终端模块；第二NB-IoT终端模块接收远程设备控制指令控制执行器动作，并将传感器采集的数据发送给第一NB-IoT终端模块；当无人机飞至NB-IoT信号覆盖地区时，无人机的第一NB-IoT终端模块将远程设备传感器采集的数据通过NB-IoT运营商服务网络传回用户的手机。如此便能解决NB-IoT网络信号无法完全覆盖地区的数据传输问题。通过上述方法，构建以无人机为核心的物联网，实现无人机的远程数据采集和设备状态监控。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于NB-IoT的无人机远程监控系统，其特征在于，包括地面控制中心、无人机和远程设备；
所述无人机包括无人机本体和第一NB-IoT终端模块，所述无人机本体与第一NB-IoT终端模块通过串口连接进行数据传输；
所述远程设备包括传感器、执行器以及用于与所述第一NB-IoT终端模块通信的第二NB-IoT终端模块
所述无人机本体用于将无人机位置信息和状态数据发送给第一NB-IoT终端模块，由第一NB-IoT终端模块通过NB-IoT运营商服务网络发送给地面控制中心；地面控制中心用于向无人机发送无人机控制指令和远程设备控制指令；无人机的第一NB-IoT终端模块通过NB-IoT运营商服务网络接收无人机控制指令执行相应的飞行任务，并将远程设备控制指令发送给远程设备的第二NB-IoT终端模块，第二NB-IoT终端模块用于接收远程设备控制指令控制执行器动作并将传感器采集的数据发送给第一NB-IoT终端模块，第一NB-IoT终端模块将传感器采集的数据传回地面控制中心。
2.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT的无人机远程监控系统，其特征在于，所述第一、第二NB-IoT终端模块包括三种工作模式，分别为Connect、Idle和PSM模式；Connect模式下，第一、第二NB-IoT终端模块入网开始数据收发，当多次收发数据失效后回到配置参数环节，重新进入Connect模式；dle模式下，第一、第二NB-IoT终端模块数据收发时断开进展连接，然后进入PSM模式；PSM模式下，第一、第二NB-IoT终端模块处于超低功耗休眠状态，被唤醒后第一、第二NB-IoT终端模块恢复数据收发。
3.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT的无人机远程监控系统，其特征在于，所述第一NB-IoT终端模块包括独立的GPS模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT的无人机远程监控系统，其特征在于，所述第一NB-IoT终端模块由锂电池供电。
5.一种基于NB-IoT的无人机远程监控方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：无人机飞行前，启动第一NB-IoT终端模块，参数配置完毕后，第一NB-IoT终端模块进入Connect模式，然后开始数据收发；
步骤S2：无人机飞行时，无人机本体通过串口通信将无人机位置信息和状态数据发送给第一NB-IoT终端模块，由第一NB-IoT终端模块通过NB-IoT运营商服务网络发送给地面控制中心；
步骤S3：地面控制中心根据无人机位置信息和状态数据发送无人机控制指令和远程设备控制指令；
步骤S4：在NB-IoT信号覆盖地区，无人机的第一NB-IoT终端模块通过NB-IoT运营商服务网络接收无人机控制指令和远程设备控制指令，根据无人机控制指令执行相应的飞行任务；
步骤S5：当无人机飞至远程设备所在无NB-IoT信号覆盖的偏远地区，无人机的第一NB-IoT终端模块通过NB-IoT的通信方式将远程设备控制指令传输给远程设备的第二NB-IoT终端模块；
步骤S6：第二NB-IoT终端模块接收远程设备控制指令控制执行器动作，并将传感器采集的数据发送给第一NB-IoT终端模块；
步骤S7：当无人机飞至NB-IoT信号覆盖地区时，无人机的第一NB-IoT终端模块将远程设备传感器采集的数据通过NB-IoT运营商服务网络传回地面控制中心。
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