基于移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)的無(wú)人機(jī)通信設(shè)計(jì)

陸斌

摘要：為了解決由于自然災(zāi)害所造成的通信故障問(wèn)題，文章建立一種應(yīng)急通信系統(tǒng)，對(duì)于受災(zāi)地區(qū)的救援工作可以起到重要作用。本文以移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)為主，建立一種無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)，利用無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)特殊地區(qū)的真實(shí)情況，完成視頻的傳輸功能。利用無(wú)人機(jī)在空間、地理位置上的優(yōu)勢(shì)，感應(yīng)并監(jiān)測(cè)特殊地區(qū)的損壞數(shù)據(jù)，利用層次化的自組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)信息的回傳、共享和下載等功能。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)的低時(shí)延功能，很好地滿足了應(yīng)急通信的應(yīng)用場(chǎng)景。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)自組網(wǎng)；無(wú)人機(jī)；通信系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U283.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A0引言我國(guó)為自然災(zāi)害多發(fā)的國(guó)家，自然災(zāi)害會(huì)給受災(zāi)群眾帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，自然災(zāi)害會(huì)嚴(yán)重破壞通信的正常運(yùn)行。傳統(tǒng)的應(yīng)急通信系統(tǒng)利用多種通信資源進(jìn)行應(yīng)急指揮，但是所使用的通信救援設(shè)備靈活性較差，覆蓋信號(hào)范圍有限，無(wú)法滿足當(dāng)下緊急情況的通信需要。因此，本文所設(shè)計(jì)的利用無(wú)人機(jī)所建立的通信系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在不同應(yīng)急通信場(chǎng)景中的緊急救援，利用移動(dòng)自組網(wǎng)的功能實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信。無(wú)人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)作為建立應(yīng)急通信系統(tǒng)的重要方式，可以通過(guò)搭載的感知設(shè)備及時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和處理，從而滿足應(yīng)急救援的緊急性要求。

1系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，整體分為三大部分［1］。

云端服務(wù)器：該服務(wù)器使用SSM框架搭建，利用Java和Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。

MQTT服務(wù)器：負(fù)責(zé)服務(wù)器與無(wú)人機(jī)之間的信息傳送，云端服務(wù)器與無(wú)人機(jī)都可以作為該服務(wù)器的消息發(fā)布者，云端服務(wù)器與無(wú)人機(jī)之間的消息傳送都需要通過(guò)該服務(wù)器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

無(wú)人機(jī)服務(wù)器：無(wú)人機(jī)上所攜帶的微型計(jì)算機(jī)具有上傳數(shù)據(jù)資源、存儲(chǔ)資源的功能［2］。

云端服務(wù)器利用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行無(wú)人機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)部署、狀態(tài)監(jiān)控和用戶注冊(cè)登錄等服務(wù)。服務(wù)器立足于Java語(yǔ)言、Python語(yǔ)言、SSM架構(gòu)，讓服務(wù)器與無(wú)人機(jī)通過(guò)MQTT協(xié)議進(jìn)行交集，與系統(tǒng)兼容［3］。MQTT協(xié)議負(fù)責(zé)云端服務(wù)器與無(wú)人機(jī)之間的消息轉(zhuǎn)發(fā)，使用MQTT協(xié)議可以保證服務(wù)器的信息可以準(zhǔn)確抵達(dá)無(wú)人機(jī)。

2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)在進(jìn)行飛行部署時(shí)，為了給應(yīng)急場(chǎng)景提供更加實(shí)用的功能，需要建立服務(wù)器、無(wú)人機(jī)和用戶3種實(shí)體。其中，服務(wù)器主要用于存儲(chǔ)無(wú)人機(jī)的所有數(shù)據(jù)，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行控制；無(wú)人機(jī)主要負(fù)責(zé)感知災(zāi)情數(shù)據(jù)；用戶則對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行日常的管理和維護(hù)。整個(gè)系統(tǒng)功能模塊根據(jù)應(yīng)急場(chǎng)景的業(yè)務(wù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，其目的是防止不同應(yīng)用之間發(fā)生嚴(yán)重耦合［4］。

2.1組網(wǎng)部署無(wú)人機(jī)在進(jìn)行自組網(wǎng)部署的過(guò)程中，通過(guò)獲取無(wú)人機(jī)的坐標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源配置，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行層次化的網(wǎng)絡(luò)管理。無(wú)人機(jī)除了使用飛行自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信之外，還提供網(wǎng)絡(luò)覆蓋功能供用戶使用，因此進(jìn)行層次化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)、服務(wù)器與用戶之間的有效通信。

根據(jù)應(yīng)急場(chǎng)景的需求，劃分無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。開(kāi)發(fā)人員在層次化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，使用上行網(wǎng)絡(luò)鏈路（Up-Link）與系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)通信功能，無(wú)人機(jī)之間使用中層網(wǎng)絡(luò)鏈路（Mid-Link）實(shí)現(xiàn)與自組網(wǎng)的互聯(lián)互通，使用下行網(wǎng)絡(luò)鏈路（Down-Link）為用戶提供網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)［5］。

無(wú)人機(jī)層次化自組網(wǎng)的詳細(xì)介紹如表1所示。上行網(wǎng)絡(luò)鏈路所提供的無(wú)線，無(wú)人機(jī)需要通過(guò)無(wú)線將拍攝的視頻回傳到服務(wù)器中，采用MQTT協(xié)議完成傳輸，使用TCP協(xié)議回傳到服務(wù)器中。無(wú)人機(jī)之間組成網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)行最優(yōu)鏈路狀態(tài)路由協(xié)議。

2.2注冊(cè)登錄用戶登錄模塊主要用于用戶的注冊(cè)和登錄使用。用戶在登錄界面輸入用戶名進(jìn)行注冊(cè)。系統(tǒng)管理員會(huì)審批用戶的注冊(cè)申請(qǐng)并為注冊(cè)的用戶進(jìn)行權(quán)限分配。審批完成后，頁(yè)面跳轉(zhuǎn)到登錄界面。用戶登錄，在登錄界面輸入用戶名和密碼，進(jìn)入主頁(yè)面［6］。

2.3狀態(tài)監(jiān)控?zé)o人機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控主要功能是對(duì)系統(tǒng)的信息進(jìn)行采集，將采集的數(shù)據(jù)信息上傳到服務(wù)器中，方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一維護(hù)。采集的數(shù)據(jù)包括無(wú)人機(jī)的位置信息、性能、存儲(chǔ)、結(jié)構(gòu)、視頻以及圖片等數(shù)據(jù)。在無(wú)人機(jī)感知功能中，資源感知與資源傳輸會(huì)同時(shí)進(jìn)行，分別進(jìn)行感知數(shù)據(jù)和向服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)資源感知功能的流程如圖4所示［7］。

在資源感知功能中，研究采用Psutil庫(kù)與多線程的方式獲取數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一存儲(chǔ)到Redis數(shù)據(jù)庫(kù)中。所有的資源信息采用JSON格式進(jìn)行顯示，所有的JSON格式數(shù)據(jù)會(huì)按照特定的方式存儲(chǔ)到Redis數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2.4視頻傳輸無(wú)人機(jī)通過(guò)自帶的硬件進(jìn)行視頻的獲取，為了提高視頻的安全性，無(wú)人機(jī)之間的信息可以進(jìn)行視頻共享。利用MQTT協(xié)議對(duì)共享視頻的無(wú)人機(jī)發(fā)出消息，服務(wù)器首先給發(fā)送方發(fā)出服務(wù)，然后接收方接收視頻。接收方在發(fā)送視頻時(shí)需要標(biāo)注共享的名稱，讓發(fā)送方后臺(tái)查看是否有此視頻。

無(wú)人機(jī)通過(guò)層次化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，利用WiFi-AP功能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。當(dāng)救援用戶通過(guò)申請(qǐng)后，會(huì)通過(guò)MQTT服務(wù)器進(jìn)行消息轉(zhuǎn)發(fā)，從無(wú)人機(jī)服務(wù)器上直接獲取實(shí)時(shí)性的視頻即可。在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^(guò)程中，控制消息與數(shù)據(jù)傳輸保持一致，無(wú)人機(jī)與用戶之間的控制信息主要通過(guò)MQTT服務(wù)器完成轉(zhuǎn)發(fā)。無(wú)人機(jī)在接收到服務(wù)器發(fā)送的消息后，服務(wù)器發(fā)送視頻；用戶接收到視頻消息后，在客戶端下載其所需要的視頻［8］。

無(wú)人機(jī)除了可以進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)之外，還可以進(jìn)行視頻與照片的拍攝，對(duì)于發(fā)生緊急事件的區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控，服務(wù)器給無(wú)人機(jī)發(fā)送信息，無(wú)人機(jī)接收到消息后進(jìn)行視頻的拍攝，將視頻進(jìn)行本地存儲(chǔ)并反饋。當(dāng)服務(wù)器接收到信息后進(jìn)行確認(rèn)，具體的功能實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

無(wú)人機(jī)接收到拍攝消息后，使用Opencv調(diào)用視頻，以視頻流的方式存儲(chǔ)在本地。無(wú)人機(jī)采用Socket將視頻回傳到服務(wù)器，無(wú)人機(jī)在拍攝視頻后，將每一幀寫入文件中，拍攝結(jié)束后關(guān)閉資源，具體的存儲(chǔ)視頻幀的函數(shù)如表2所示。

3結(jié)語(yǔ)本文提出的一種基于移動(dòng)自組網(wǎng)的無(wú)人機(jī)應(yīng)急通信系統(tǒng)，利用不同功能的服務(wù)器，如云端服務(wù)器、MQTT服務(wù)器和無(wú)人機(jī)邊緣服務(wù)器等，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的視頻拍攝、存儲(chǔ)寫入與無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的層次化操作，利用無(wú)人機(jī)的中層鏈路實(shí)現(xiàn)快速組網(wǎng)。為了實(shí)現(xiàn)在不同緊急狀態(tài)下的應(yīng)急服務(wù)，無(wú)人機(jī)還進(jìn)行了無(wú)人機(jī)自組網(wǎng)部署、無(wú)人機(jī)狀態(tài)監(jiān)控等功能，可以完成視頻的上傳、下載和共享。

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（編輯 王永超）

Design of UAV communication based on mobile AD hoc networkLu? Bin

（Suzhou Higher Vocational and Technical School， Suzhou 215000， China）Abstract：? In order to solve the problem of communication failure caused by natural disasters， the establishment of an emergency communication system can play an important role in the relief work in the affected areas. Based on the mobile AD hoc network， this paper establishes a UAV communication system， which uses the UAV to monitor the real situation in special areas and complete the video transmission function. By using the advantages of UAV in space and geographical location， it senses and monitors the damage data in special areas， and uses hierarchical AD hoc network to realize the functions of information transmission， sharing and downloading. The results show that the system can realize the low-delay function of data transmission between edge UAVs， and well meet the application scenarios of emergency communication.

Key words： mobile AD hoc network; unmanned aerial vehicle（UAV）; communication system