一種超高頻射頻識別技術(shù)在無人機(jī)飛行軌跡反饋中的應(yīng)用研究*

司飆

(滇西科技師范學(xué)院智能與信息工程學(xué)院,云南臨滄 677000)

1 需求分析

1.1 系統(tǒng)需求

本系統(tǒng)的主要功能是在無人機(jī)高空作業(yè)時(shí),架設(shè)多個(gè)軌跡反饋采樣點(diǎn),無人機(jī)通過軌跡點(diǎn)的同時(shí)能實(shí)時(shí)記錄飛行軌跡和用時(shí),并反饋給控制中心,使飛手實(shí)時(shí)接收無人機(jī)飛行軌跡,達(dá)到精準(zhǔn)化計(jì)時(shí)、透明化跟蹤、智能化高空作業(yè)的目的。

1.2 工作人員需求

在飛手進(jìn)行高空作業(yè)控制時(shí),能實(shí)時(shí)獲取到無人機(jī)的飛行軌跡和準(zhǔn)確的到達(dá)軌跡采集點(diǎn)時(shí)間,從而進(jìn)行優(yōu)化飛行作業(yè)。

2 系統(tǒng)總體功能架構(gòu)

本系統(tǒng)有三個(gè)模塊組成:軌跡采集子系統(tǒng)、控制中心、Web服務(wù)平臺。

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)邏輯圖,如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)邏輯圖Fig.1 System logic diagram

3.1 軌跡采集子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軌跡采集子系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程,見圖2。

3.2 控制中心設(shè)計(jì)

3.2.1 控制中心功能

控制中心的主要架構(gòu)有兩個(gè),一是采用TCP服務(wù)器技術(shù)與軌跡采集子系統(tǒng)連接,二是采用HTTP協(xié)議與云端web服務(wù)器連接。主要功能如下:(1)實(shí)時(shí)監(jiān)聽和控制軌跡采集子系統(tǒng)(包括向軌跡采集子系統(tǒng)發(fā)送啟動計(jì)時(shí)命令、實(shí)時(shí)接收軌跡點(diǎn)回傳數(shù)據(jù)、向數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上傳飛行數(shù)據(jù)等);(2)信息的統(tǒng)計(jì),無人機(jī)高空作業(yè)軌跡和用時(shí)以軌跡地圖和界面形式顯示。向數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上傳回傳的飛行數(shù)據(jù)。

3.2.2 控制中心業(yè)務(wù)流程(見圖3)

3.3 關(guān)鍵算法

3.3.1 ISO18000-6協(xié)議格式分析

目前奶牛養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)不斷向前發(fā)展，奶牛乳腺炎的發(fā)病率呈現(xiàn)升高趨勢，由于該種疾病診斷難度較大，當(dāng)奶牛出現(xiàn)泌乳量下降后，很多養(yǎng)殖戶并沒有引起重視，最終造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。導(dǎo)致奶牛出現(xiàn)隱性乳腺炎的主要原因是乳房受到物理、化學(xué)、微生物等刺激出現(xiàn)的一系列炎癥變化。奶牛出現(xiàn)以上乳腺炎后，乳汁中T細(xì)胞數(shù)量會顯著升高，特別是白細(xì)胞增多，乳腺組織出現(xiàn)病理學(xué)變化。在日常養(yǎng)殖中由于擠奶方式不科學(xué)，存在粗暴對待現(xiàn)象，擠奶機(jī)負(fù)壓過大，負(fù)壓不穩(wěn)定等，導(dǎo)致奶牛隱性乳腺癌的發(fā)病率呈現(xiàn)升高趨勢。人工擠奶時(shí)由于操作者技術(shù)不熟練，乳汁擠不徹底，擠乳方式不合理均衡等，易誘發(fā)隱性乳腺炎的發(fā)生。

ISO18000-6 協(xié)議適用于860MHz-960MHz 頻段的工業(yè),基于“一問一答”實(shí)現(xiàn)讀寫器到射頻卡端的通信。

3.3.2 RSSi接收的信號強(qiáng)度

RSSi是依據(jù)接收信號能量強(qiáng)度,用來測定信號點(diǎn)與接收點(diǎn)的距離,進(jìn)而根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位計(jì)算的一種定位技術(shù)。上面的例子中RSSI為210,單位是dBm(分貝毫瓦,為一個(gè)指代功率的絕對值)。

4 安裝及使用

4.1 系統(tǒng)需求

運(yùn)行需求:win7及以上操作系統(tǒng),.NETFramework4。

4.2 搭建web服務(wù)器

本系統(tǒng)的web服務(wù)使用華為云平臺來實(shí)現(xiàn)。服務(wù)器框架采用的ApacheXXX 服務(wù)器,數(shù)據(jù)庫采用mySql。

華為云安裝了一個(gè)CentOS,在CentOS使用SSH連接工具連接Centos安裝服務(wù)器運(yùn)維管理面板【寶塔】。安裝腳本yum install -y wget &&wget -O install.sh http://download.bt.cn/install/install_6.0.sh &&sh install.sh ed099927在運(yùn)維管理面板【寶塔】中添加站點(diǎn),綁定在【西部數(shù)碼】解析的域名,可提供服務(wù)的端口有:[80][888][39000-40000][20][22][21][8989]。

4.3 配置數(shù)據(jù)采集端

(1)安裝 USB 串口驅(qū)動;(2)安裝超高頻天線。

4.4 配置監(jiān)測控制端

綁定主機(jī)ID和端口號,啟動監(jiān)聽。

4.5 系統(tǒng)使用操作

數(shù)據(jù)采集端，如圖4 所示。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)是使用C#語言開發(fā),利用射頻識別技術(shù)、串口操作的相關(guān)知識設(shè)計(jì)出的基于RFID的無人機(jī)飛行軌跡反饋系統(tǒng),本系統(tǒng)賦予無人機(jī)“開口說話”的能力,實(shí)時(shí)反饋飛行軌跡。主要工作流程是管理員進(jìn)入控制中心,向軌跡采集端下發(fā)命令,獲取無人機(jī)信息,并上傳到服務(wù)器共享,操作人員可隨時(shí)掌握無人機(jī)的準(zhǔn)確位置及其周邊環(huán)境,并且有效起到了監(jiān)督和輔助GPS定位的作用,大大提升了工作效率。

與傳統(tǒng)無人機(jī)飛行系統(tǒng)相比,本系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于可靠性強(qiáng),能實(shí)時(shí)的采集和反饋;系統(tǒng)的實(shí)施不依賴于無人機(jī)本體,獨(dú)立性強(qiáng);RFID標(biāo)簽質(zhì)量輕,便于粘貼到機(jī)身表面而不給無人機(jī)增加負(fù)擔(dān);系統(tǒng)部署實(shí)施靈活等。

6 應(yīng)用前景

現(xiàn)在無人機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛,但是許多問題也相繼浮現(xiàn)出來。高空作業(yè)的環(huán)境通常都很惡劣且地形比較復(fù)雜,還會存在一些不可控的干擾因素如風(fēng)速、溫度等影響無人機(jī)作業(yè),其中最為嚴(yán)重的就是GPS信號受磁場干擾,影響GPS精確定位;以及到了一定的距離,無人機(jī)接受信號的能力就會變?nèi)?導(dǎo)致無人機(jī)沒有按時(shí)達(dá)到預(yù)定地點(diǎn)或者圖傳失效,甚至?xí)Э鼗蛘哒C(jī),從而造成不可挽回的損失。而我們的RFID系統(tǒng)則起監(jiān)督和輔助的作用,確保無人機(jī)在受到其他磁場干擾時(shí)仍然能夠做到精確定位。

6.1 信號干擾

對無人機(jī)的控制多使用無線電通信技術(shù),通過向目標(biāo)無人機(jī)發(fā)射大功率干擾信號,對控制信號進(jìn)行壓制,就可以迫使無人機(jī)自行降落或返航。

6.2 GPS欺騙

GPS 欺騙的主要原理就是向無人機(jī)的控制系統(tǒng)發(fā)送虛假的地理位置坐標(biāo),從而控制導(dǎo)航系統(tǒng),誘導(dǎo)無人機(jī)飛向錯(cuò)誤的地點(diǎn)。GPS信號可以由發(fā)生器來產(chǎn)生,也可以是事先錄制然后重放。由于無人機(jī)接收GPS信號總是以信號最強(qiáng)的信號源為準(zhǔn),因此在地面人造的GPS信號只要強(qiáng)度足夠大,就可以覆蓋真正的從太空中傳來的GPS信號,從而欺騙無人機(jī)的GPS 接收模塊。

6.3 信號接收機(jī)自身存在問題

接收系統(tǒng)指發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號經(jīng)過接收天線,濾波,放大,混頻成中頻信號,然后進(jìn)入調(diào)制解調(diào)器解讀出來。這個(gè)系統(tǒng)里除了濾波器是個(gè)頻率選擇性器件,其他的都張開懷抱迎接八方來賓,最少迎接附近的來賓,或者倍頻處的來賓,而且是不受限制的進(jìn)來。濾波器作為一個(gè)頻率選擇性器件,對附近的電磁波進(jìn)行過濾,但由于濾波器自身的特性,也不能把頻帶外的電磁波完完全全的消除掉,所以還是有部分很弱的干擾信號進(jìn)來的。

另外,接收機(jī)不能達(dá)到理想狀態(tài),對接收頻帶外的信號也會發(fā)生響應(yīng)。

6.4 無線電劫持

現(xiàn)在,無人機(jī)使用的控制信號大多在1.2GHz、2.4GHz、5.8GHz等常規(guī)民用頻段,隨著Arduino和樹莓派等開源硬件的快速發(fā)展和軟件無線電(SDR)技術(shù)的流行,普通愛好者也可以利用從網(wǎng)絡(luò)買到的硬件和從論壇獲得的軟件源碼模擬遙控器向無人機(jī)發(fā)送控制信號,并覆蓋真正遙控器的信號,從而獲得無人機(jī)的控制權(quán)。

7 總結(jié)

本系統(tǒng)使用RFID 通訊技術(shù),可通過無線電信號識別特定目標(biāo),無線電的信號是通過調(diào)成無線電頻率的電磁場,把數(shù)據(jù)從附著在無人機(jī)上的超高頻標(biāo)簽上傳送出去,以自動辨識與追蹤無人機(jī),糾正航線。