鄉(xiāng)村無人機(jī)物流監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張玉恒 武燕 徐延勇/河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院

無人機(jī)快遞是提升鄉(xiāng)村物流效率的有效途徑，本文針對(duì)鄉(xiāng)村環(huán)境下的無人機(jī)物流問題，探討了無人機(jī)物流監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建問題，給出了物流中心服務(wù)器、客戶端及實(shí)時(shí)通信等的設(shè)計(jì)方案，為下一步的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

無人機(jī)由于其本身速度快、飛行直達(dá)、無擁堵等特點(diǎn)，可以有效提高鄉(xiāng)村物流配送的效率，降低配送成本。因此，推動(dòng)物流無人機(jī)廣泛應(yīng)用于農(nóng)村電商物流市場，對(duì)中國物流行業(yè)、農(nóng)村電商行業(yè)和民用無人機(jī)行業(yè)具有重要意義。

無人機(jī)物流監(jiān)控是無人機(jī)物流運(yùn)輸中十分重要的環(huán)節(jié)，影響著無人機(jī)飛行的安全和貨物投遞的時(shí)效性。然而，目前無人機(jī)的監(jiān)控，大多是利用無線數(shù)傳設(shè)備對(duì)單架無人機(jī)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，無法滿足對(duì)多架無人機(jī)同時(shí)進(jìn)行監(jiān)控。隨著4G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和普遍應(yīng)用，可以滿足低空（300m以下）無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，能夠作為無人機(jī)物流監(jiān)控的通信手段，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的組網(wǎng)和遠(yuǎn)距離飛行，這就為鄉(xiāng)村無人機(jī)物流系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。鄉(xiāng)村無人機(jī)物流系統(tǒng)一般由上級(jí)物流中心、無人機(jī)物流中心、鄉(xiāng)村投遞點(diǎn)、無人機(jī)、通信基站及導(dǎo)航衛(wèi)星等幾部分組成，各部分通過無線或有線的方式接入互聯(lián)網(wǎng)。

監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

借助于互聯(lián)網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)物流的實(shí)時(shí)有效監(jiān)控?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的無人機(jī)物流監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，為三層架構(gòu)，分別是表示層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層。其中表示層包括中心客戶端、投遞點(diǎn)客戶端；業(yè)務(wù)層包含Web服務(wù)器、GIS服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫為postgreSQL云數(shù)據(jù)庫。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

業(yè)務(wù)層設(shè)計(jì)

業(yè)務(wù)層主要是實(shí)現(xiàn)客戶端請(qǐng)求的服務(wù)接口，由Web服務(wù)器、GIS服務(wù)器組成。

（1）Web服務(wù)器

Web服務(wù)器是指駐留于因特網(wǎng)上某種類型計(jì)算機(jī)的程序，可以向?yàn)g覽器等Web客戶端提供文檔，Web服務(wù)器具有高度通用性、語言獨(dú)立性、平臺(tái)獨(dú)立性和高度可集成性等特點(diǎn)。而Ubuntu是一個(gè)以桌面應(yīng)用為主的開源GNU/Linux操作系統(tǒng)，它為用戶提供一個(gè)穩(wěn)定、主要由自由軟件構(gòu)建而成的操作系統(tǒng)。在Ubuntu上搭建web的服務(wù)器，可以結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，快速開發(fā)出一個(gè)穩(wěn)定通用的服務(wù)器。

基于Ubuntu的Web服務(wù)器架構(gòu)如圖3所示，主要所需要的組件包括：nginx、uwsgi、django開發(fā)包、python運(yùn)行環(huán)境、postgreSQL數(shù)據(jù)庫。

web服務(wù)器在Nginx服務(wù)器通過8000端口進(jìn)行監(jiān)聽，當(dāng)有數(shù)據(jù)請(qǐng)求到達(dá)端口時(shí)，會(huì)解包分析是靜態(tài)請(qǐng)求還是動(dòng)態(tài)請(qǐng)求，如果是請(qǐng)求CSS文件、JS文件等靜態(tài)請(qǐng)求，則直接尋找到時(shí)文件并返回至客戶端；如果是動(dòng)態(tài)請(qǐng)求，則將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到uwsgi服務(wù)器。Uwsgi服務(wù)器再將請(qǐng)求進(jìn)行解析，并將解析結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)至對(duì)應(yīng)的Django模塊。Django模塊再經(jīng)過Request中間件處理，之后使用URLConf正則匹配發(fā)送的url，進(jìn)一步解析出是訪問哪個(gè)功能模塊，之后在Views這一功能模塊中獲取發(fā)送的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并通過ORM組件訪問數(shù)據(jù)庫，最后將需要的數(shù)據(jù)封裝成JSON格式，并逐步返回至Response處理器和uwsgi服務(wù)器，然后uwsgi服務(wù)器再將數(shù)據(jù)返回至nginx，niginx服務(wù)器再將數(shù)據(jù)返回至客戶端。

（2）GIS服務(wù)器

GIS服務(wù)器是目前業(yè)內(nèi)功能最強(qiáng)的專業(yè)級(jí)GIS數(shù)據(jù)采集器，可以滿足復(fù)雜環(huán)境及多樣化的使用需求，因此可以利用GIS服務(wù)器對(duì)地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并對(duì)多架無人機(jī)的飛行航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理。GIS服務(wù)功能架構(gòu)如圖3所示，主要包括了如下組件：postgreSQL+postGIS、osm2pgsql、mapnik以及mod_tile等。

在此系統(tǒng)架構(gòu)中，首先將O S M文件利用osm2pgsql轉(zhuǎn)換工具導(dǎo)入到PostgreSQL中對(duì)并PostGIS進(jìn)行擴(kuò)展，然后使用Mapnik對(duì)地圖元數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染，并以瓦片的形式進(jìn)行展示，其地圖的樣式由Mapnike style sheet文件控制；最后將瓦片數(shù)據(jù)通過Apache服務(wù)器發(fā)送給客戶端。

客戶端將GIS發(fā)送來的瓦片數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染，然后監(jiān)聽用戶的響應(yīng)，并實(shí)時(shí)處理地圖數(shù)據(jù)。

基于Android 的客戶端開發(fā)

目前Android設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛，得益于Android系統(tǒng)開放性、開源、免費(fèi)、可定制、束縛少、開發(fā)自由度高等優(yōu)點(diǎn)，基于Android的客戶端是一種可靠、便捷的開發(fā)途徑。Android軟件由前臺(tái)顯示界面與后臺(tái)服務(wù)兩部分組成。前臺(tái)界面主要用于顯示接收到的消息以，并生產(chǎn)向服務(wù)器提交的消息，后臺(tái)服務(wù)主要完成持續(xù)定位、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、異常捕獲以及與服務(wù)器之間通信的功能，另外還將數(shù)據(jù)通過廣播的方式向前臺(tái)界面發(fā)送?；贏ndroid的客戶端架構(gòu)如圖4所示。

圖2 Web服務(wù)器架構(gòu)

圖3 GIS服務(wù)器架構(gòu)

圖4 Android客戶端框架圖

（1）地圖顯示

地圖顯示是無人機(jī)飛行監(jiān)控的一個(gè)重要功能，目前與osm相關(guān)的地圖顯示項(xiàng)目比較多，其中OSMdroid是基于OSM地圖服務(wù)器而實(shí)現(xiàn)的功能完善的MapView替代品，它還具備一個(gè)模塊化的瓦片內(nèi)容提供系統(tǒng)以及在線和離線瓦片來源，另外還包括多圖層支持的繪圖圖標(biāo)，也支持用戶自己繪制形狀。選用OSMdroid進(jìn)行地圖開發(fā)是一個(gè)很好的選擇。

1）實(shí)時(shí)定位

定位功能允許用戶使用在途追蹤功能時(shí)查看無人機(jī)的定位信息，客戶端在OSM地圖上顯示出無人機(jī)所在的實(shí)時(shí)位置，和實(shí)時(shí)定位的時(shí)間，并定時(shí)進(jìn)行位置信息的更新。

2）飛行軌跡

飛行軌跡功能允許用戶使用在途追蹤功能時(shí)查看無人機(jī)從出發(fā)地至目的地的所有定位信息，在散點(diǎn)軌跡界面還有消息提示欄，顯示無人機(jī)的序號(hào)和托運(yùn)單的起始地點(diǎn)。

（2）調(diào)度管理模塊

調(diào)度管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的調(diào)度管理，主要完成以下一些功能：

1）無人機(jī)調(diào)度登記

無人機(jī)調(diào)度登記需要填寫出發(fā)地、目的地、計(jì)劃出發(fā)時(shí)間以及計(jì)劃送達(dá)時(shí)間等信息基于使用的無人機(jī)編號(hào)。填好信息后，將信息上傳到服務(wù)器，服務(wù)器再將此登記傳送給鄉(xiāng)村投遞點(diǎn)。

2）調(diào)度查詢

調(diào)度查詢需要針對(duì)兩端進(jìn)行。對(duì)于物流中心端，可以對(duì)每一個(gè)托運(yùn)單的詳細(xì)的調(diào)度信息進(jìn)行查詢，也可以查看每架無人機(jī)上掛載了多少貨物。對(duì)于投遞端，可以對(duì)投送到這一投遞點(diǎn)的托運(yùn)單詳細(xì)信息進(jìn)行查詢，并對(duì)目的地是此投遞點(diǎn)的無人機(jī)上掛載的貨物進(jìn)行查看。

3）投遞點(diǎn)貨物接收確認(rèn)

當(dāng)無人機(jī)將貨物送達(dá)投遞點(diǎn)時(shí)，投遞點(diǎn)及時(shí)將貨物信息進(jìn)行確認(rèn)，并將信息上傳到服務(wù)器，服務(wù)器再將此登記傳送給無人機(jī)調(diào)度中心。然后無人機(jī)進(jìn)行返航、充電或電池更換等操作。

4）無人機(jī)的輔助控制

無人機(jī)一般按預(yù)定航路進(jìn)行自主飛行，但針對(duì)貨物配送錯(cuò)誤或無人機(jī)在飛行過程出現(xiàn)的非關(guān)鍵部位故障，需要中心適時(shí)發(fā)出控制指令，控制使無人機(jī)返航或就近降落。

實(shí)時(shí)通信技術(shù)

（1）數(shù)據(jù)交換格式

數(shù)據(jù)交換格式是計(jì)算機(jī)不同程序之間或者不同編程語言之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換所定義的標(biāo)準(zhǔn)化的格式。JSON是一種輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換格式具有簡單、靈活的特點(diǎn)。JSON由鍵值對(duì)構(gòu)成，可以滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性和可靠性要求，因此選取JSON作為數(shù)據(jù)交互的方式。

（2）HTTP通信協(xié)議與請(qǐng)求框架

HTTP協(xié)議是一種簡單協(xié)議，它主要是為了包裝數(shù)據(jù)而制定的一個(gè)規(guī)范，具有易于開發(fā)、SDK與測試工具豐富等特點(diǎn)，另外HTTP所占用的80端口通常不會(huì)被防火墻阻擋，因此服務(wù)器提供給客戶端的所有接口都是基于該協(xié)議。。在本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸層使用TCP/IP協(xié)議，，因?yàn)門CP/IP協(xié)議是面向連接的、可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，可以保障數(shù)據(jù)的可靠性，它使用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址和一個(gè)端口號(hào)來唯一的標(biāo)識(shí)設(shè)備。

在本系統(tǒng)中使用Fast Android Networking LibraryH框架，該框架與JSON集成良好，并且在發(fā)起請(qǐng)求時(shí)一方面可以輕松的取消以降低系統(tǒng)開銷，一方面還可以監(jiān)控請(qǐng)求的詳細(xì)數(shù)據(jù)分析，另外該框架還與RxJava集成性良好，適合向響應(yīng)性編程過度。

（3）實(shí)時(shí)通信功能

WebSocket是一個(gè)持久化的協(xié)議,它基于TCP的協(xié)議，普通的WebSocket連接使用80端口，基于安全傳輸協(xié)議（TLS）的連接使用443端口。相比于使用輪詢實(shí)現(xiàn)的即時(shí)通訊，WebSocket協(xié)議只需要瀏覽器和服務(wù)器之間進(jìn)行一次握手，服務(wù)器與客戶端的連接是全雙工、雙向的，使用單套接字，服務(wù)器可以主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)給客戶端，客戶端也可以隨時(shí)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，此外服務(wù)器與客戶端之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)頭信息很小?；赪ebSocket的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)時(shí)通信采用WebSocket實(shí)現(xiàn)。WebSocket客戶端與服務(wù)器之間建立連接需要三個(gè)步驟：客戶端發(fā)送握手請(qǐng)求、服務(wù)器響應(yīng)握手請(qǐng)求、客戶端處理服務(wù)器端響應(yīng)。

結(jié)束語

無人機(jī)將在鄉(xiāng)村物流領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，而無人機(jī)物流監(jiān)控系統(tǒng)是保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，無人機(jī)物流監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含中心服務(wù)器、客戶端的構(gòu)建及實(shí)時(shí)通信功能設(shè)計(jì)等，下一步將依照本文設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)?！?/p>

（參考文獻(xiàn)：略。如有需要，請(qǐng)聯(lián)系編輯部。）