森林火灾早期探测系统的操作方法与流程

背景技术：

0、现有技术

1、森林火灾早期探测系统是已知技术。为此，使用传感器对需要监测的区域进行监测。这些传感器例如是可旋转的摄像机，但其缺点是夜间效果较差。利用安装在卫星上的红外摄像机从高轨道进行监测的缺点是，卫星不是对地静止的，亦即，卫星公转一周需要一定时间，在此期间无法监测到该区域，或者对地静止卫星只能提供分辨率很低的图像，因此只有当森林火灾达到一定规模时才能被发现，即通常为时已晚。再者，卫星的购置和维护成本高，尤其是发射费用很高。在低轨道上使用小卫星进行监测通常需要多颗卫星，这些卫星的发射费用也很高。此外，用卫星进行监测，意味着在发射过程中会排放大量二氧化碳。

2、更有意义的做法是使用大量廉价的传感器对该区域进行监测，这些传感器可以批量制造并布置在终端设备中。这些终端设备造价低廉，往往耗能较少，这可能是因为它们不是长期运行的，也可能是因为传感机构本身的设计就非常节能。终端设备是网络的一部分，例如lorawan。终端设备和网关分布式地布置在需要监测的区域中，并通过无线电连接向基站提供数据。

3、lorawan采用星形网络架构，所有终端设备都通过最合适的网关进行通信。这些网关负责路由，如果一个终端设备的有效范围内有多个网关，并且本地网络过载，这些网关也可以将通信重新路由到另一个网关。

4、而其他一些iot协议(例如zigbee或z-wave)则使用所谓的网状网络架构来增加终端设备与网关之间的最大距离。网状网络的终端设备相互转发消息，直到它们到达网关，由网关将消息传输到互联网。网状网络会自我编程，并动态适应环境条件，不需要主控制器或层次结构。然而，为了能够转发消息，网状网络的终端设备必须随时或定期接收消息，而且不能长时间处于休止状态。因此，终端设备与网关之间的消息转发需要消耗更多能量，从而会缩短电池寿命。

5、反之，lorawan的星形网络架构则允许终端设备长时间进入省电的休止状态，从而确保终端设备的电池负荷尽可能地低，因此可以运行数年而无需更换电池。其中，网关充当针对电池寿命经优化的简单协议(lora/lorawan)与互联网协议(ip)之间的桥梁，前者更适合资源有限的终端设备，后者则用于提供iot服务和应用。网关通过lora/lorawan从终端设备接收到数据包后，会通过互联网协议(ip)将其发送到网络服务器，而网络服务器又具有通向iot平台和应用软件的接口。

6、目前，这些终端设备和网关都是逐个地进行人工布置，例如布置在树上，并记录它们的位置，以便对正在发生的森林火灾进行定位。然而，这种方法效果不佳，尤其是在难以进入的地区。最重要的是，这种传感器网络的安装方式非常耗时，因此成本高昂。

7、因此，本发明的目的是提供一种安装森林火灾早期探测和/或森林火险监测系统的改进方法，这种方法能够低成本地、快速而可靠地安装和建立森林火灾早期探测和/或森林火险监测系统。本发明的目的还在于提供一种改进的终端设备和/或网关，利用这种终端设备和/或网关可以低成本地、快速而可靠地安装和建立森林火灾早期探测和/或森林火险监测系统。本发明的另一目的是提供一种确定森林火灾早期探测和/或森林火险监测系统的终端设备和/或网关的位置的方法，利用该方法可以低成本地、快速而可靠地安装和建立森林火灾早期探测和/或森林火险监测系统。

8、发明说明

9、这个目的通过根据权利要求1所述的森林火灾早期探测系统的操作方法而达成。本发明的有利实施方案见从属权利要求。

10、根据本发明的森林火灾早期探测系统的操作方法具有两个方法步骤：在第一方法步骤中，用终端设备检测温度。具体而言，环境空气的温度以及森林火灾所产生的气体的类型和浓度都是森林火灾的指标。森林火灾所产生的气体的类型、组成和温度也恰好表明发生了森林火灾。这样就有可能探测到正在发生的森林火灾，并在早期阶段对其进行控制。

11、在第二方法步骤中，将终端设备的id数据发送到服务器。布置在森林火灾早期探测系统中的每个终端设备都具有单独的、即唯一的id，通过该id可以明确识别相关的终端设备。如果探测到森林火灾，终端设备就会向服务器发送id数据。id数据包含相关终端设备的id。亦即，服务器仅收到关于森林火灾早期探测系统内哪个终端设备探测到森林火灾的信息。

12、根据本发明，终端设备的确切位置是未知的。对于森林火灾早期探测系统的运行而言，是否确切知道终端设备在监测区域中的最终位置并不重要。通过以覆盖整个区域的方式输出终端设备，可以实现终端设备在监测区域中的分散分布，即平均分布率为至少2个终端设备/公顷，优选为至少5个终端设备/公顷，特别优选为至少10个终端设备/公顷。事实证明，终端设备在监测区域中的这种分布足以在森林火灾发展的早期阶段(例如阴燃火)就探测到森林火灾。亦即，探测到森林火灾并向服务器发送其id数据的终端设备并不精确定位，而只是在特定区域内，但这个区域是已知的。

13、在本发明有利的改进设计中，将检测到的温度与阈值温度进行比较。阈值温度是指一旦被超过就会发生森林火灾的温度。阈值温度是可以选择性地为每个终端设备单独设置的，并取决于监测区域所处的气候条件。如果终端设备检测到的温度超过阈值温度，终端设备就会探测到森林火灾。在本发明的另一个设计中，当检测到的温度超过阈值温度时，发送id数据。id数据包含相关终端设备的id。服务器收到关于森林火灾早期探测系统内哪个终端设备探测到森林火灾的信息。在本发明的另一个方面中，终端设备的确切位置仍然未知。亦即，探测到森林火灾并向服务器发送其id数据的终端设备并不精确定位，而只是在特定区域内，但这个区域是已知的。

14、在本发明的另一实施方案中，终端设备与服务器的通信路径由卫星导引。除了使用网络(例如lorawan)来实现终端设备与服务器的通信外，还可以通过卫星进行通信。

15、在本发明的另一个方面中，终端设备分散地分布在监测区域中。在本发明的改进设计中，终端设备分散在监测区域中。借此实现终端设备在监测区域内的全区域布置，其中平均密度为至少2个终端设备/公顷，优选为至少5个终端设备/公顷，特别优选地为至少10个终端设备/公顷。

16、在本发明的改进设计中，终端设备的确切位置不能由森林火灾早期探测系统的元件来确定。然而，对于森林火灾早期探测系统的运行而言，是否确切知道终端设备在监测区域中的最终位置并不重要。通过以覆盖整个区域的方式输出终端设备，可以实现终端设备的分散分布，即平均分布率为至少2个终端设备/公顷，优选为至少5个终端设备/公顷，特别优选为至少10个终端设备/公顷。事实证明，终端设备在监测区域中的这种分布足以在森林火灾发展的早期阶段(例如阴燃火)就探测到森林火灾。

17、在本发明的另一实施方案中，id数据是用于监测终端设备功能的状态信息的一部分和/或报警信息的一部分。报警信息是终端设备的关于终端设备探测到森林火灾的信息，而状态信息仅用于报告终端设备的功能。这两种信息都是从终端设备发送到服务器。报警信息和状态信息都包含发送信息的终端设备的id数据。状态信息可以选择性地包含附加数据，例如关于终端设备能量储备的数据。报警信息可进一步选择地包含附加数据，例如关于环境空气温度的数据、关于检测到的气体的类型和温度的数据和/或其他测量数据。

18、在本发明的改进设计中，终端设备定期向服务器发送状态信息。状态信息用于报告终端设备的功能。为了连续监测终端设备和森林火灾早期探测系统的功能，每个终端设备都会定期发送状态信息，例如每24小时发送一次。在本发明的另一技术方案中，状态信息仅包括用于识别终端设备的数据，特别是id数据。id数据足以用来确认终端设备的功能。

19、在本发明的一个有利设计中，发送id状态信息最多消耗储存在终端设备中的一半能量。借此确保终端设备的储能器仍有足够的能量储备，以便在发生森林火灾时向服务器发送报警信息。

20、在本发明的另一实施方案中，在发送报警信息前不久产生发送该报警信息所需要的能量。为此，在终端装置中设有双金属薄片和压电元件。这种设计有利地将能量发生器和温度传感器结合在一个设备中，这意味着可以将终端设备设计得成本低廉、重量轻便且坚固耐用。

21、一个双金属薄片具有两个由不同金属制成的叠置层。两个层以材料结合的方式或者通过形状配合的材料连接在一起。由于所用金属的热膨胀系数不同，其中一层的膨胀程度大于另一层，从而导致双金属薄片在温度变化时发生弯曲。当双金属薄片弯曲时，压电材料会发生变形或振动，从而通过压电材料将热效应所引发的双金属薄片变形转化为电能。压电元件在被施加压力或振动时会产生电压，即对环境中存在的动能加以利用。输出功率主要取决于弯曲结构的机械变形度。偏转度越大，所产生的电荷和功率就越大。双金属薄片具有转变温度，在该转变温度下，双金属片从第一动作状态(rastzustand)转变为第二动作状态。双金属薄片的转变温度有利地是终端设备探测到森林火灾时所处的阈值温度。双金属薄片在转变过程中产生电能，在发送报警信息前不久产生电能，以供通信单元通过卫星将报警信息发送至服务器。

22、前述目的还通过根据本发明的森林火灾早期探测和/或森林火险监测系统的终端设备而达成。本发明的有利实施方案见从属权利要求。

23、根据本发明的终端设备具有自给自足的电源、通信装置以及被设置为用于并适于减慢终端设备和/或网关的降落速度的飞行控制装置。

24、自给自足的电源使得终端设备可以在没有供电网络的情况下自主运行。因此，终端设备特别是可以分布在传统无线电网络无法到达的偏远地区并进行联网。在最简单的情况下，电源是电池，该电池也可以设计为可充电的。使用太阳能电池更为复杂，成本也更高，但使用寿命很长。

25、终端设备与网关之间借助通信装置交换消息，例如测量数据。

26、飞行控制装置有助于降低终端设备降落和/或飞行时的受损风险，尤其是当终端设备在其撞击位置上例如撞击地面或植物时。在本发明的改进设计中，飞行控制装置是制动装置。

27、在本发明的另一个设计中，终端设备的cw值在两个不同方向上是不同的。cw值是被介质包围的物体的流阻的无量纲度量。不同方向上的不同cw值会对终端设备产生角动量，从而改变终端设备的飞行方向和/或降落方向，因此，被弹出的终端设备会分布在更大的区域内。

28、在另一个技术方案中，飞行控制装置被设置为用于并适于改变终端设备的空气阻力。特别是，飞行控制装置能增大终端设备的空气阻力。借此降低终端设备在降落和/或飞行过程中的受损风险，尤其是当终端设备在其撞击位置上例如撞击地面或植物时。

29、在本发明的另一个设计中，飞行控制装置具有被设置为用于并适于改变终端设备相对于终端设备的飞行方向的定向的机构。定向的改变同样会使终端设备的飞行方向和/或降落方向发生变化，被弹出的终端设备会分布在更大的区域内。同样，被弹出终端设备的降落速度也会减慢，从而降低终端设备受损的风险。

30、在本发明的改进设计中，飞行控制装置具有被设置为用于并适于改变终端设备的飞行方向的机构，被弹出的终端设备将分布在更大的区域内。

31、在本发明的一个有利实施方案中，飞行控制装置具有被设置为用于并适于在终端设备的飞行和/或降落过程中减慢终端设备的降落速度和/或飞行速度的机构，借此降低终端设备在其撞击位置上例如撞击地面或植物中时的受损风险。

32、在本发明的另一技术方案中，飞行控制装置具有被设置为用于并适于缠在植物上的机构。布置在终端设备上的飞行控制装置能降低终端设备受损的风险，与此同时，飞行控制装置将终端设备定位成，使得布置在终端设备中的传感器单元与需要监测的物体(植物)保持最佳距离。

33、在本发明的另一个设计中，飞行控制装置具有降落伞、翼部、绳索装置和/或网状物。在终端设备的飞行和/或降落过程中，飞行控制装置能降低终端设备的降落速度和/或飞行速度，从而降低终端设备在其撞击位置上例如撞击地面或植物中时的受损风险。降落伞、绳索装置和网状物同样适于充当截留装置，以便将终端设备缠在植物上。

34、飞行控制装置还可具有所谓的气球伞，一种类似于降落伞的制动伞系统，同样用于产生空气阻力，但应用于低空气密度和超音速范围时特别具有优势。气球伞具有被环形软管包围的气球状中心体。该环形体可确保气流的明确分离，从而保证稳定的飞行姿态。通常通过用气筒或小型烟火推进剂进行主动充气来支持初始展开。随后，相应安装的进气口通过冲压空气确保内部轻微超压，以防止周围的外部气流造成坍塌。

35、在本发明的另一实施方案中，飞行控制装置是用于改变终端设备的外形的装置。用于改变终端设备的外形的装置能改变(特别是增大)终端设备的空气阻力。借此降低终端设备在降落和/或飞行过程中的受损风险，尤其是当终端设备在其撞击位置上例如撞击地面或植物时。

36、此外，用于改变终端设备的外形的装置还能改变终端设备在飞行和/或降落过程中的定向。借此改变终端设备的飞行方向和/或降落方向，被弹出的终端设备将分布在更大的区域。

37、在本发明的改进设计中，用于改变外形的装置被设置为用于并适于改变终端设备的空气阻力。特别是，制动装置能增大终端设备的空气阻力，从而提高其飞行速度和/或下降速度。借此降低终端设备在降落和/或飞行过程中的受损风险，尤其是当终端设备在其撞击位置上例如撞击地面或植物时。

38、在本发明的一个有利实施方案中，用于改变外形的装置被设置为用于并适于降低终端设备在自由落体状态下的降落速度，从而降低终端设备在其撞击位置上例如撞击地面或植物时的受损风险。

39、在本发明的另一个设计中，用于改变外形的装置被设置为用于并适于改变终端设备在自由落体状态下的定向。借此改变终端设备的飞行方向和/或降落方向，被弹出的终端设备将分布在更大的区域。

40、在本发明的进一步设计中，用于改变外形的装置具有折叠和/或展开机构。折叠和/或展开机构能不可逆地打开或展开用于改变外形的装置。折叠和/或展开机构例如由定时器、信号(例如电磁信号)或机械事件(例如作用在终端设备上的气流)触发。

41、在本发明的一个有利设计中，折叠和/或展开机构具有降落伞、翼部、网状物或绳索装置。在终端设备的飞行和/或降落过程中，降落伞、翼部、网状物或绳索装置能降低终端设备的降落速度和/或飞行速度，从而降低终端设备在其撞击位置上例如撞击地面或植物时的受损风险。降落伞、绳索装置和网状物同样适于充当截留装置，以便将终端设备缠在植物上。

42、在本发明的另一实施方案中，飞行控制装置是用于改变终端设备在自由落体状态下的定向的装置。用于改变终端设备在自由落体状态下的定向的装置能改变终端设备在自由落体状态下的定向。借此改变终端设备的飞行方向和/或降落方向，被弹出的终端设备将分布在更大的区域。

43、前述目的还通过一种森林火灾早期探测系统终端设备的安装方法而达成。本发明的有利实施方案见从属权利要求。

44、根据本发明，安装森林火灾早期探测系统终端设备的方法具有两个方法步骤：在第一方法步骤中，在输出装置上装载多个终端设备。输出装置优选是飞行器如直升机、飞机、飞艇、热气球的一部分。也可以使用弹道导弹，例如火箭。然而，输出装置也可以是水运工具或地面车辆(也可采用越野设计)的一部分，或者是气垫船的一部分。输出装置可以是有人驾驶或无人驾驶、自动控制和/或自主控制和/或可远程控制的运输工具或车辆的一部分。

45、在第二方法步骤中，通过输出装置输出终端设备。输出装置于某个时间点在森林火灾早期探测系统将要工作的区域内或上方逐个、分批和/或全部输出终端设备。为此，输出装置或运载输出装置的运输工具具有用于确定输出装置的位置的合适构件，例如陀螺仪导航和/或gps系统。在被输出装置输出后，终端设备以某种方式布置在森林火灾早期探测系统中，使得森林火灾早期探测系统能够借助终端设备来监测一个区域。

46、在本发明的进一步设计中，朝终端设备的预设最终位置方向输出终端设备。终端设备通常不具有自有驱动装置。输出过程中施加在终端设备上的脉冲用于使终端设备向其预设最终位置运动。举例而言，作用在终端设备上的脉冲可以通过输出装置自身的运动施加到终端设备上。

47、在本发明的一个有利设计中，分多次输出，特别是反复输出。重复输出过程的次数以达到在森林火灾早期探测系统将要工作的区域或该区域的部分范围内布置有预设数量的终端设备为宜。

48、在本发明的另一技术方案中，输出装置在第一次输出与第二次输出之间发生移动。借此可确保布置在输出装置中的终端设备分布在较大面积的范围内。

49、在本发明的另一实施方案中，第一次输出的位置与第二次输出的位置之间的距离与第二次输出的位置与第三次输出的位置之间的距离相等。这同样能确保被输出的终端设备尽可能均匀地分布在需要监测的区域内。

50、在本发明的进一步设计中，输出装置是飞行器，或在输出过程中定位于飞行器中。借助于飞行器可将大量终端设备快速、均匀地分布到需要监测的区域内。同时，飞行器也能快速到达偏远地区。飞行器本身可以是直升机、飞机、飞艇或热气球。也可以使用弹道导弹，例如火箭。飞行器可以是有人驾驶或无人驾驶、自动控制和/或自主控制和/或可远程控制。

51、在本发明的另一个设计中，输出是分批进行的。也就是在一个时间点和/或一个输出位置上投放多个终端设备。由于不能排除终端设备在输出过程中，特别是在撞击过程中受损的可能性，因此，通过分批输出可以实现冗余。亦即，可由多个终端设备对需要监测的区域的某个范围进行监测。

52、在本发明的进一步设计中，这些批次的终端设备多于两个，优选超过五个，特别优选地超过十个。因此，在一个时间点和/或一个输出位置上输出多个终端设备。亦即，可由多个终端设备对需要监测的区域的某个范围进行监测。

53、在本发明的另一实施方案中，终端设备在输出后具有输出轨迹，其中在输出终端设备后，终端设备会经历受控脉冲，该受控脉冲会改变输出轨迹。作用在终端设备上的脉冲例如由输出装置在输出过程中的自身运动施加到终端设备上。举例而言，可以通过终端设备的自有驱动装置来控制脉冲。优选通过改变单个终端设备的空气动力特性来控制终端设备的脉冲，例如通过在终端设备上设置降落伞。

54、在本发明的进一步设计中，同一批终端设备具有不同的输出轨迹。因此，被输出的同一批终端设备也具有彼此不同的最终位置。借此确保被输出的终端设备分布在较大面积的范围内。

55、在本发明的另一个设计中，在多个输出位置上以覆盖整个区域的方式进行输出。所选择的输出位置应能在森林火灾早期探测系统内实现被输出的终端设备的全区域布置。

56、在本发明的另一实施方案中，在多个输出位置上按路线进行输出。为了覆盖一个区域，输出位置的线路也可以以蜿蜒的形式相邻排列，从而使被输出的终端设备均匀覆盖需要监测的区域。

57、在本发明的另一技术方案中，输出方向包括垂直于输出装置的运动方向的方向分量。为了在需要监测的区域内实现被弹出终端设备的全区域布置，输出方向具有至少一个垂直于输出装置的运动方向的方向分量。输出装置优选向垂直于输出装置的运动方向的侧面输出终端设备。

58、在本发明的另一个设计中，在终端设备飞行过程中触发能减慢终端设备的降落速度的机构。借此降低终端设备在降落和/或飞行过程中的受损风险，尤其是当终端设备在其撞击位置上例如撞击地面或植物时。

59、在本发明的一个有利设计中，在终端设备飞行过程中触发一个机构，该机构会启用被设置为用于并适于缠在植物上的截留装置。布置在终端设备上的截留装置能降低终端设备受损的风险，与此同时，截留装置还会以某种方式定位终端设备，使得布置在终端设备中的传感器单元与需要监测的物体(植物)保持最佳距离。

60、在本发明的进一步设计中，在终端设备飞行过程中触发能改变终端设备飞行方向上的空气动力条件的机构。空气动力条件的改变会使终端设备的飞行方向和/或降落方向发生变化，因此被弹出的终端设备将分布在更大的区域。此外，被弹出终端设备的降落速度也会减慢，从而降低终端设备受损的风险。

61、在本发明的另一实施方案中，在终端设备飞行过程中触发能改变终端设备相对于飞行方向的定向的机构。定向的改变同样会使终端设备的飞行方向和/或降落方向发生变化，被弹出的终端设备会分布在更大的区域内。同样，被弹出终端设备的降落速度也会减慢，从而降低终端设备受损的风险。

62、此外，前述目的还通过一种森林火灾早期探测系统的安装方法而达成。本发明的有利实施方案见从属权利要求。

63、根据本发明，安装森林火灾早期探测系统的方法具有两个方法步骤：在第一方法步骤中，在输出装置上装载多个终端设备。投放装置优选是运输工具如飞行器的一部分，例如直升机、飞机、飞艇、热气球。也可以将弹道导弹如火箭用作运输工具。然而，运输工具也可以是水运工具或地面车辆(也可采用越野设计)或气垫船。运输工具可以是无人驾驶(即自主控制)和/或可远程控制的。

64、在第二方法步骤中，通过输出装置输出终端设备，其中被输出的每个单一终端设备均可单独追踪。输出装置于某个时间点在森林火灾早期探测系统将要工作的区域内或上方逐个、分批和/或全部输出终端设备。为此，输出装置具有用于确定输出装置的位置的合适构件，例如陀螺仪导航和/或gps系统。此外，每个终端设备在输出前后都是可追踪的。本文中的“可单独追踪”是指每个终端设备的位置都是已知的。每个终端设备的位置优选在终端设备被输出时和/或在森林火灾早期探测系统内的最终位置上都是明确已知的。这个位置可以是终端设备的实际位置，或者可以是计算得出的位置。无论其他终端设备的位置如何，该位置都是已知的。此外，每个终端设备都可以被明确识别，例如根据分配给每个终端设备的id标识。在被输出装置输出后，终端设备以某种方式布置在森林火灾早期探测系统中，使得森林火灾早期探测系统能够借助终端设备来监测一个区域。

65、在进一步设计中，为每个终端设备分配一个单独的id。为了明确识别每个终端设备，每个终端设备都会获得单独的、可区分的id。例如，可以通过布置在终端设备上的条形码、rfid芯片和/或借助nfc读取这个id。

66、在本发明的另一实施方案中，将id存储在中央服务器上。在本发明的另一个设计中，测定和/或存储被输出的每个单一终端设备的输出位置。输出位置是输出装置输出终端设备的地理位置。在本发明的另一个方面中，输出位置不同于被输出的终端设备的最终位置。输出位置通常(但不一定)不同于终端设备的最终位置，其中终端设备的最终位置是指终端设备在森林火灾早期探测系统内的位置。通过检测每个终端设备的输出位置和标识，可以精确地确定每个终端设备的输出位置并将其存储在中央服务器上。

67、在本发明的另一个设计中，计算终端设备的最终位置。优选借助终端设备弹出时的弹道数据来确定终端设备在森林火灾早期探测系统内的最终位置。弹道数据例如包含运动方向、投放位置和投放高度、输出装置和终端设备在终端设备被输出之时的速度，以及气压、湿度、气温、风向和风力等其他参数。

68、在本发明的另一技术方案中，将终端设备的最终位置存储在中央服务器上。当一个或多个终端设备探测到森林火灾时，每个终端设备都向中央服务器发送相应的信号。森林火灾的位置由相应终端设备的位置确定。

69、在本发明的一个有利实施方案中，在到达终端设备的最终位置后，终端设备向中央服务器发送id信号。在本发明的进一步设计中，id信号仅包含终端设备的id。特别是，id信号不包含终端设备的位置，该位置不是由终端设备本身确定的，而是优选地基于终端设备输出过程中的弹道数据计算出来的。因此，(通常作为数据包发送的)id信号的比特数量很少，发送操作的能耗也较低。此外，还可以借助其他终端设备的三角测量数据来测定和验证最终位置。

70、前述目的还通过一种确定森林火灾早期探测系统终端设备的位置的方法而达成。

71、根据本发明，确定森林火灾早期探测系统终端设备的位置的方法具有四个方法步骤：在第一方法步骤中识别终端设备。为了明确识别每个终端设备，每个终端设备都具有单独的并且可区分的id。例如，可以通过布置在终端设备上的条形码、qr码、rfid芯片和/或借助nfc读取这个id。

72、在第二方法步骤中检测终端设备的输出位置。输出位置是输出装置输出终端设备的地理位置。输出位置通常不同于终端设备的最终位置，其中终端设备的最终位置是指终端设备在森林火灾早期探测系统内的(真实)位置。

73、在第三方法步骤中将输出位置对应于已识别的终端设备。通过检测每个终端设备的输出位置和标识，可以精确地确定每个终端设备的输出位置。

74、在第四方法步骤中存储来自终端设备的输出位置和标识的数据。此外，还将每个终端设备的输出位置对应于相关的终端设备。因此，通过根据本发明的方法，每个终端设备的输出位置都是已知的。

75、在本发明的进一步设计中，通过读取条形码、qr码、rfid芯片或借助nfc进行识别，其中条形码和/或相应的芯片布置在终端设备上或终端设备中。在输出终端设备之前不久进行读取。

76、在本发明的另一实施方案中，借助gps测定输出位置。使用gps能以小于10m的误差确定终端设备的输出位置。除gps外，还可使用其他免费提供的卫星导航系统(gnss＝全球导航卫星系统)来确定输出位置，例如俄罗斯的glonass和/或欧盟的伽利略gnss。

77、在本发明的另一个有利设计中，测定终端设备的输出弹道数据。在本发明的改进设计中，弹道数据包括用于输出终端设备的输出装置在输出终端设备之时的速度和/或运动方向。此外，弹道数据例如还包含输出位置和输出高度以及其他参数，如气压、湿度、气温、风向和风力。弹道数据在输出装置的运动过程中至少部分地是已知的和/或在输出装置的运动过程中被测定。

78、在本发明的另一个设计中，根据弹道数据和输出位置测定终端设备的撞击位置。撞击位置是终端设备被输出后首次接触地面和/或缠在植物上时所处的位置。与终端设备的输出位置一样，终端设备的撞击位置也不同于终端设备的最终位置。利用弹道数据和终端设备的输出位置所测定的终端设备撞击位置与终端设备的最终位置存在偏差。

79、对于森林火灾早期探测系统的运行而言，是否确切知道终端设备在监测区域中的最终位置并不重要。通过以覆盖整个区域的方式输出终端设备，可以实现终端设备的分散分布，即平均分布率为至少2个终端设备/公顷，优选为至少5个终端设备/公顷，特别优选为至少10个终端设备/公顷。事实证明，终端设备在监测区域中的这种分布足以在森林火灾发展的早期阶段(例如阴燃火)就探测到森林火灾。

80、在本发明的另一个有利技术方案中，借助其他终端设备的三角测量数据对根据弹道数据和输出位置所测定的撞击位置进行验证。此外，还可以借助其他终端设备的三角测量数据来验证撞击位置，例如通过测量电磁无线电信号的传播时间。

81、在本发明的另一实施方案中，借助输出装置弹出和/或投放终端设备。输出装置优选是运输工具如飞行器的一部分，例如直升机、飞机、飞艇、热气球。也可以使用弹道导弹，例如火箭。然而，输出装置也可以是水运工具或地面车辆(也可采用越野设计)或气垫船的一部分。输出装置的运输工具可以是有人驾驶或无人驾驶、自动控制和/或自主控制和/或可远程控制。

82、在本发明的另一个设计中，在森林火灾早期探测系统运行期间，终端设备除了与森林火灾早期探测系统的其他组件进行通信外，还执行传感器功能和/或网关功能。

83、在本发明的替代性实施方式中，终端设备是用于探测森林火灾的传感器，并具有传感器单元，该传感器单元例如通过光学和/或电子方法探测森林火灾。除了浓烟，森林火灾还会产生大量气体，尤其是二氧化碳和一氧化碳。这些气体的类型和浓度是森林火灾的特征，可以使用合适的传感器加以检测和分析。对传感器单元所检测到的信号进行气体成分浓度方面的分析。传感器单元还可用于检测环境空气的温度。就森林火灾所产生的气体而言，除了类型和浓度外，其温度也是森林火灾的一个指标。结合所分析的气体成分浓度和/或根据所分析的温度，得出发生和/或存在森林火灾的结论。森林火灾所产生的气体的类型、组成和温度也表明发生了森林火灾。

84、lorawan采用星形网络架构，所有终端设备都通过最合适的网关进行通信。这些网关负责路由，如果一个终端设备的有效范围内有多个网关，并且本地网络过载，这些网关也可以将通信重新路由到另一个网关。

85、反之，lorawan的星形网络架构则允许终端设备长时间进入省电的休止状态，从而确保终端设备的电池负荷尽可能地低，因此可以运行数年而无需更换电池。其中，网关充当针对电池寿命经优化的简单协议(lora/lorawan)与互联网协议(ip)之间的桥梁，简单协议更适合资源有限的终端设备，互联网协议则用于提供iot服务和应用。网关通过lora/lorawan从终端设备接收到数据包(例如测量数据)后，会通过互联网协议(ip)将其发送到网络服务器，而网络服务器又具有通向iot平台和应用软件的接口。

86、终端设备也可被设计成除传感器功能外还执行网关功能。这样，除网络服务器外，森林火灾早期探测系统只需一个组件即可运行。

87、在本发明的另一技术方案中，输出位置包括输出位置本身、对应于终端设备标识的输出位置和/或根据输出位置所测定的数据。除实际输出位置外，输出位置还对应于每一单个终端设备的标识。此外，输出位置还可包括输出位置的弹道数据。所有这些数据都被存储下来。

88、实施例说明

89、附图以简化示意图的形式对根据本发明的终端设备和根据本发明的森林火灾早期探测系统的实施例进行了图示，并且将在以下说明中做出更详细的解释。

90、其中：

91、图1：根据本发明的森林火灾早期探测系统，通过卫星建立连接

92、图2a：根据本发明的森林火灾早期探测系统，三条输出线路

93、图2b：终端设备在森林火灾早期探测系统中的分布，撞击位置与最终位置的偏差

94、图3：根据本发明的终端设备

95、图4a：制动装置侧视图

96、图4b：制动装置俯视图

97、图4c：制动装置侧视图

98、图5a：制动装置的一种替代性实施方式的侧视图

99、图5b：制动装置的一种替代性实施方式的俯视图

100、图5c：制动装置的一种替代性实施方式的侧视图

101、图6a：用于改变终端设备和/或网关的定向的装置

102、图6b：用于改变终端设备和/或网关的定向的装置的替代性实施方式

103、图6c：用于改变终端设备和/或网关的外形的装置的替代性实施方式

104、图7a：截留装置侧视图

105、图7b：截留装置俯视图

106、图7c：截留装置俯视图

107、图8a：截留装置的另一实施方式的侧视图

108、图8b：截留装置的另一实施方式的俯视图

109、图9a：截留装置的另一实施方式合拢后的侧视图

110、图9b：截留装置的另一实施方式合拢后的俯视图

111、图9c：截留装置的另一实施方式展开后的侧视图

112、图9d：截留装置的另一实施方式展开后的侧视图

113、图1示出根据本发明的森林火灾早期探测系统100的一个实施例。在本实施例中，每个终端设备ed都布置在监测区域w(在本实施例和所有其他实施例中均是森林)的地面上的最终位置ep上，然而，也可以通过用截留装置60(见图7、图8、图9)将终端设备ed布置在植物上，来使其最终位置ep远离地面。终端设备ed直接与卫星sat连接，并检测环境空气的温度。如果检测到的温度超过临界温度，相关的终端设备ed就会通过卫星sat向服务器ns发送id数据，从而探测到森林火灾。

114、图2示出根据本发明的位于监测区域w中的森林火灾早期探测系统100以及布置在其中的终端设备ed的一个实施例。为了安装森林火灾早期探测系统100，需要为输出装置装载多个终端设备ed。用输出装置输出终端设备ed。终端设备ed的投放以分批方式进行(图2a)，使得输出装置在一批的各次投放之间覆盖相同的距离。由于一批中各个终端设备ed的输出轨迹不同，因此一批的终端设备ed具有不同的撞击位置atf。此外，还可以逐个投放在多个输出位置ap上，使得沿着每条投放线路l1、l2、l3(图2a)均有多个输出位置ap。亦即，投放线路l1具有一批的终端设备ed的多个输出位置ap，投放线路l2和l3同样如此。由此实现终端设备ed的大面积分布。

115、在一个投放位置ap上的多次投放中，每次投放一批九个终端设备ed。这些批次的终端设备ed多于两个，优选超过五个，特别优选地超过十个，从而使投放覆盖整个区域，也就是说，安装完毕后的森林火灾早期探测系统100具有以尽可能规则的空间间隔彼此布置的终端设备ed(图2b)。

116、为了使森林火灾早期探测系统100正确运行，重要的是知道终端设备ed在森林火灾早期探测系统100内的最终位置ep。在最简单的情况下，终端设备ed自身具有gnss系统，并将其在森林火灾早期探测系统100中的最终位置ep传输到互联网网络服务器ns。然而，gps系统需要电力，而且可能会出现故障，尤其是在终端设备ed弹出和撞击地面期间。

117、因此，确定和计算终端设备ed在森林火灾早期探测系统100内的撞击位置atf。撞击位置atf不同于终端设备ed(真实)的最终位置ep，与终端设备ed的撞击位置atf不同的是，最终位置不是通过根据本发明确定终端设备ed位置的方法测定的。最终位置ep与终端设备ed的撞击位置atf存在偏差。

118、对于森林火灾早期探测系统100的运行而言，是否确切知道终端设备ed在监测区域w中的最终位置ep并不重要。通过用输出装置10以覆盖整个区域的方式输出终端设备ed，可以实现终端设备ed的分散分布，即平均分布率为至少2个终端设备ed/公顷，优选为至少5个终端设备ed/公顷，特别优选为至少10个终端设备ed/公顷。在本实施例中，终端设备ed的平均分布率为9个/公顷。事实证明，终端设备ed在监测区域w中的这种分布足以在森林火灾发展的早期阶段(例如阴燃火)就探测到森林火灾。

119、存放在储存器中的每个终端设备ed都具有唯一标识(id)。每个终端设备ed的id都存储在网络服务器ns上。为了在到达终端设备ed的最终位置后确定该终端设备ed的位置，首先需要明确识别终端设备ed。具体方法是读取布置在终端设备ed上的条形码或qr码。终端设备ed也可以具有rfid芯片，借助基于近场通信(nfc)的阅读器读取其标识。

120、投放终端设备ed时确定输出位置ap。运输工具1的位置通常会被持续检测，以便控制运输工具1的运动。在弹出终端设备ed之时，借助布置在运输工具1中的gnss系统测定其输出位置ap，并将该输出位置对应于相关的终端设备ed。存储终端设备ed的输出位置ap和相关标识。

121、借助输出终端设备ed之时的弹道数据来确定和计算终端设备ed的撞击位置atf。弹道数据例如包含运动方向、投放位置和投放高度、输出装置10和终端设备ed在终端设备ed被输出之时的速度，以及气压、湿度、气温、风向和风力等其他参数。弹道数据在运输工具1的运动过程中至少部分地是已知的，并从数据库中被读入和/或在运输工具1的运动过程中例如由运输工具1的位置确定系统测定。

122、在到达终端设备ed的最终位置后，终端设备ed向中央服务器ns发送id信号，并将最终位置连同相关终端设备ed的id一起存储在中央服务器上。

123、在森林火灾早期探测系统100运行期间，终端设备ed以有规律的时间间隔向服务器ns发送状态信息，其中状态信息仅包括用于识别终端设备ed的数据(id数据)。发送id状态信息最多只需要储存在终端设备ed的储能器e中的一半能量(见图3)。借此确保终端设备ed的储能器e仍有足够的能量储备，以便在发生森林火灾时向服务器ns发送报警信息。

124、森林火灾早期探测系统100可具有布置在森林w中的、采用lorawan网络技术的网状网关网络来代替卫星通信(见图1)。在此情况下，森林火灾早期探测系统100具有多个通过单跳连接fsk与网关连接的终端设备ed。网关相互连接，并且部分与边界网关连接。边界网关通过有线连接wn或使用互联网协议ip的无线连接与互联网网络服务器ns连接。lorawan网络具有星形架构，在该星形架构中，具有用于探测森林火灾的传感器的终端设备ed与中央互联网网络服务器ns之间通过网关交换消息包。终端设备ed也可以像网关一样执行其功能。

125、图3示出布置在森林火灾早期探测系统100中的终端设备ed的结构示意图。终端设备ed具有通信装置k、电源e和传感器s。布置在森林火灾早期探测系统100中的每个终端设备ed都具有单独的、即唯一的id，通过该id可以明确识别相关的终端设备ed。

126、终端设备ed是用于探测森林火灾的传感器。为了也能在远离电力供应的荒凉地区，特别是在农村地区安装和运行终端设备ed，ed终端设备配备了自给自足的电源e。在本实施例中，电源e和用于检测环境空气温度的传感器s组合在一个设备中。为此，在终端设备ed中设有双金属薄片和压电元件。一个双金属薄片具有两个由不同金属制成的叠置层。两个层以材料结合的方式或者通过形状配合的材料连接在一起。由于所用金属的热膨胀系数不同，其中一层的膨胀程度大于另一层，从而导致双金属薄片在温度变化时发生弯曲。

127、能量转换装置是压电元件和/或基于驻极体的电容式转换器。当双金属薄片弯曲时，压电材料会发生变形或振动，通过压电材料将热效应所引发的双金属薄片变形转化为电能。压电元件在被施加压力或振动时会产生电压，即对环境中存在的动能加以利用。输出功率主要取决于弯曲结构的机械变形度。偏转度越大，所产生的电荷和功率就越大。双金属薄片具有转变温度，在该转变温度下，双金属片从第一动作状态转变为第二动作状态。双金属薄片的转变温度(在此为80℃)有利地是终端设备ed探测到森林火灾时所处的阈值温度。双金属薄片在转变过程中产生电能，举例而言，在发送报警信息之前不久产生电能，以供通信装置k通过卫星sat将报警信息发送至服务器ns。报警信息包括终端设备ed的id数据。亦即，服务器ns仅收到关于森林火灾早期探测系统100内哪个终端设备ed超过阈值温度的信息。

128、可以选择将在转变温度下产生的电能储存在超级电容器中。除终端设备ed的id数据外，储存的电能还可用于向服务器ns发送其他数据，例如温度和终端设备ed中可能存在的其他传感器s所采集的数据。

129、将太阳能电池用作电源e更为复杂，成本也更高，但能使终端设备ed的使用寿命很长。除了太阳能电池的能量转换外，终端设备ed中还设有存储器和功率电子器件。电源e也可以是超级电容器，但在最简单的情况下也可以使用电池，该电池也可以设计为可充电的。这样，终端设备ed就有了连续供电的电源e，使得终端设备ed能够以有规律的时间间隔(在此为每24小时一次)向服务器ns发送用于显示终端设备ed的功能的状态信息。状态信息仅包含终端设备ed的id数据，而不包含其在森林火灾早期探测系统100内的最终位置ep。如前所述，终端设备ed的最终位置ep不是确切已知的。

130、此外，终端设备ed还可具有其他传感器s。传感器单元s也可采用两级设计并具有多个用于探测森林火灾的传感器。除了浓烟，森林火灾还会产生大量气体，尤其是二氧化碳和一氧化碳。这些气体的类型和浓度是森林火灾的特征，可以使用合适的传感器加以检测和分析。对传感器单元s所检测到的信号进行气体成分浓度方面的分析。一旦气体浓度超标，即表示探测到森林火灾。

131、传感器单元s还可用于分析气体温度。就森林火灾所产生的气体而言，除了类型和浓度外，其温度也是森林火灾的一个指标。结合所分析的气体成分浓度和/或根据所分析的温度，得出发生和/或存在森林火灾的结论。森林火灾所产生的气体的类型、组成和温度也表明发生了森林火灾。这样就有可能探测到正在发生的森林火灾，并在早期阶段对其进行控制。

132、通过通信装置k，将终端设备ed的消息(特别是测量数据和id信号)作为数据包无线发送到一个卫星sat或多个卫星sat，或者在使用lorawan的情况下借助单跳连接通过lora(啁啾频率扩展调制)或频率调制发送到网关g。通信装置k仅具有发送装置，因此终端设备ed无法通过通信装置k接收数据。因此，终端设备ed被设计得更轻、更简单且成本更低，耗电量也有所减少。终端设备ed的质量小于500g，优选小于250g，特别优选地小于200g。在本实施例中，终端设备ed的质量为50g。

133、图4示出布置在终端设备ed上的制动装置30的一个实施例。终端设备ed具有翼片形式的翼部t1(图4c)，这使得带有制动装置30的终端设备ed的质心不在其几何中心(图4a、图4b)。因此，装有制动装置30的终端设备ed在不同的空间方向上具有不同的cw值。

134、输出装有制动装置30的终端设备ed之后，重力作用使其以越来越快的速度向地面移动。在飞行过程中，装有制动装置30的终端设备ed呈平躺状态，并转变为围绕穿过终端设备ed的轴线进行旋转。自动旋转时，终端设备ed位于内侧，单侧翼部t1位于外侧。自动旋转允许终端设备ed以最佳方式将翼面暴露在气流中，从而降低降落速度。通过翼部t1与翼面围绕垂直轴线的自动旋转，形成螺旋圆面。空气自下向上流经这个螺旋圆面。

135、亦即，制动装置30不仅能降低终端设备ed的降落速度，从而降低终端设备ed的受损风险，还能改变终端设备ed相对于运输工具1的运动方向的飞行方向，例如利用主导空气方向(风向)。借此确保森林火灾早期探测系统100内分批弹出的多个终端设备ed能够分布在更大的区域内。

136、图5示出前一个实施例(见图4)的一个变体。终端设备ed具有包含两个翼片t1、t2的制动装置30，其中两个翼片t1、t2的面积互不相同。翼片t1、t2布置在终端设备ed的相对两侧(图5a、图5b)，其横截面互成角度(图5c)。投放装有制动装置30的终端设备ed后，终端设备ed同样会发生旋转，从而降低终端设备ed的降落速度，进而降低其受损风险。

137、图6示出布置在终端设备ed上的用于改变外形的装置40和布置在终端设备ed上的用于改变定向的装置50的实施例。在终端设备ed被投放后的飞行和/或降落过程中改变定向的一种简单而有效的方法是使质心sp不位于球形终端设备ed的几何中心，而是远离几何中心(图6a)。因此，在飞行和/或降落过程中，终端设备ed的空气阻力会发生变化。这使得终端设备ed在飞行和/或降落过程中发生翻滚，从而相对于运输工具1的运动方向改变其方向，从而使森林火灾早期探测系统100内分批弹出的多个终端设备ed能够分布在更大的区域内。

138、在终端设备ed被投放后的飞行和/或降落过程中改变定向的另一种方法是将终端设备ed的外形塑造成非球状外形(图6b)。这也会使终端设备ed在飞行和/或降落过程中发生翻滚，从而相对于运输工具1的运动方向改变其方向。

139、通过在终端设备ed(图6c)上设置作为制动装置30的降落伞，并同时设置用于改变外形的装置40，可以达到多种效果。降落伞30、40通常缠绕在终端设备ed上，并在终端设备ed投放后立即打开。降落伞30、40在终端设备ed的飞行和/或降落过程中增大终端设备ed的空气阻力，从而降低终端设备ed的降落速度，进而降低终端设备ed撞击地面时的受损风险。

140、与此同时，终端设备ed飞行和/或降落过程中的空气阻力增大到使得终端设备ed受主导空气方向(风向)影响的程度。这样就能将森林火灾早期探测系统100内分批弹出的多个终端设备ed分布在更大的区域内。

141、此外，降落伞30、40还可用作截留装置60。降落伞30、40适于缠在植物上，例如缠在树冠上。在此情况下，终端设备ed在森林火灾早期探测系统100内的布置方式是：终端设备ed与地面保持一定距离。这样可以降低终端设备ed后续受损的风险，例如受到动物和/或人为破坏的风险。

142、图7示出截留装置60的另一个实施例。终端设备ed呈球形，截留装置60固定在球面上(图7a)。截留装置60具有三个臂，每个臂的一端都设有实心球体(图7b、图7c)。截留装置60适于通过让球体例如被树枝勾住而缠在植物上。

143、图8示出截留装置60的另一个实施例，该截留装置被设计成网状物。终端设备ed同样呈球形，截留装置60固定在球面上(图8a)。网状物60的外形呈六边形(图8b)，其中网状物60的网目适于缠在植物上。网状物60在投放前缠绕在终端设备ed周围，并在终端设备ed投放后立即张开。此外，终端设备ed飞行和/或降落过程中的空气阻力增大，从而降低了终端设备ed的飞行速度或降落速度。

144、图9示出截留装置60的另一个实施例。截留装置60具有展开和/或折叠机构。终端设备ed同样被设计成球体。在投放终端设备ed之前，当终端设备ed存放在运输工具1的储存器中时，截留装置60合拢(图9a、图9b)，不起作用。投放终端设备ed后，展开和/或折叠机构将截留装置60展开(图9c)，以使截留装置60的钩状端部能够缠在植物上。在本实施例中，截留装置60同样被设计成使得展开后的截留装置60(图9d)会增大终端设备ed飞行和/或降落过程中的空气阻力，从而降低终端设备ed的飞行速度或降落速度。

145、附图标记说明

146、1 运输工具/车辆

147、10 输出装置

148、21,22,23,24,25,26,27 弹射装置

149、ap 输出位置

150、atf 撞击位置

151、ep 最终位置

152、ed 终端设备

153、g 网关

154、k 通信装置

155、e 电源

156、s 传感器单元

157、30 制动装置

158、40 用于改变外形的装置

159、50 用于改变定向的装置

160、60 截留装置

161、70 森林火灾早期探测系统安装装置

162、t1,t2 翼片

163、sp 质心

164、l1,l2,l3,l4,l5 投放线路

165、sat 卫星

166、fsk 频率调制

167、ip 互联网协议

168、mhf 多枢纽无线电网络

169、ns 互联网网络服务器

170、w 监测区域

171、wn 有线连接

172、bgd 边界网关

173、100 森林火灾早期探测和/或森林火险监测系统

技术实现思路