陸斌

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

關(guān)鍵詞：移動自組網(wǎng)；無人機(jī)；通信系統(tǒng)

中圖分類號：U283.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A0引言我國為自然災(zāi)害多發(fā)的國家，自然災(zāi)害會給受災(zāi)群眾帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，自然災(zāi)害會嚴(yán)重破壞通信的正常運行。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，覆蓋信號范圍有限，無法滿足當(dāng)下緊急情況的通信需要。因此，本文所設(shè)計的利用無人機(jī)所建立的通信系統(tǒng)，可以實現(xiàn)在不同應(yīng)急通信場景中的緊急救援，利用移動自組網(wǎng)的功能實現(xiàn)應(yīng)急通信。無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)作為建立應(yīng)急通信系統(tǒng)的重要方式，可以通過搭載的感知設(shè)備及時進(jìn)行現(xiàn)場數(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語言開發(fā)。

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

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

云端服務(wù)器利用MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行無人機(jī)的數(shù)據(jù)存儲，實現(xiàn)無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)部署、狀態(tài)監(jiān)控和用戶注冊登錄等服務(wù)。服務(wù)器立足于Java語言、Python語言、SSM架構(gòu)，讓服務(wù)器與無人機(jī)通過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)無人機(jī)。

2系統(tǒng)功能設(shè)計系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。無人機(jī)自組網(wǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)設(shè)計在進(jìn)行飛行部署時，為了給應(yīng)急場景提供更加實用的功能，需要建立服務(wù)器、無人機(jī)和用戶3種實體。其中，服務(wù)器主要用于存儲無人機(jī)的所有數(shù)據(jù)，對無人機(jī)進(jìn)行控制；無人機(jī)主要負(fù)責(zé)感知災(zāi)情數(shù)據(jù)；用戶則對系統(tǒng)進(jìn)行日常的管理和維護(hù)。整個系統(tǒng)功能模塊根據(jù)應(yīng)急場景的業(yè)務(wù)需要進(jìn)行設(shè)計，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)部署無人機(jī)在進(jìn)行自組網(wǎng)部署的過程中，通過獲取無人機(jī)的坐標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源配置，對無人機(jī)進(jìn)行層次化的網(wǎng)絡(luò)管理。無人機(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)計可以實現(xiàn)無人機(jī)、服務(wù)器與用戶之間的有效通信。

根據(jù)應(yīng)急場景的需求，劃分無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。開發(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)平臺進(jìn)行連接實現(xiàn)通信功能，無人機(jī)之間使用中層網(wǎng)絡(luò)鏈路（Mid-Link）實現(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［5］。

無人機(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)鏈路所提供的無線，無人機(jī)需要通過無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。無人機(jī)之間組成網(wǎng)絡(luò)，運行最優(yōu)鏈路狀態(tài)路由協(xié)議。

2.2注冊登錄用戶登錄模塊主要用于用戶的注冊和登錄使用。用戶在登錄界面輸入用戶名進(jìn)行注冊。系統(tǒng)管理員會審批用戶的注冊申請并為注冊的用戶進(jìn)行權(quán)限分配。審批完成后，頁面跳轉(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，方便對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一維護(hù)。采集的數(shù)據(jù)包括無人機(jī)的位置信息、性能、存儲、結(jié)構(gòu)、視頻以及圖片等數(shù)據(jù)。在無人機(jī)感知功能中，資源感知與資源傳輸會同時進(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)一存儲到Redis數(shù)據(jù)庫中。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)會按照特定的方式存儲到Redis數(shù)據(jù)庫中。

2.4視頻傳輸無人機(jī)通過自帶的硬件進(jìn)行視頻的獲取，為了提高視頻的安全性，無人機(jī)之間的信息可以進(jìn)行視頻共享。利用MQTT協(xié)議對共享視頻的無人機(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)送視頻時需要標(biāo)注共享的名稱，讓發(fā)送方后臺查看是否有此視頻。

無人機(jī)通過層次化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，利用WiFi-AP功能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。當(dāng)救援用戶通過申請后，會通過MQTT服務(wù)器進(jìn)行消息轉(zhuǎn)發(fā)，從無人機(jī)服務(wù)器上直接獲取實時性的視頻即可。在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程中，控制消息與數(shù)據(jù)傳輸保持一致，無人機(jī)與用戶之間的控制信息主要通過MQTT服務(wù)器完成轉(zhuǎn)發(fā)。無人機(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，對于發(fā)生緊急事件的區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控，服務(wù)器給無人機(jī)發(fā)送信息，無人機(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)，具體的功能實現(xiàn)如圖5所示。

無人機(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在本地。無人機(jī)采用Socket將視頻回傳到服務(wù)器，無人機(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，具體的存儲視頻幀的函數(shù)如表2所示。

3結(jié)語本文提出的一種基于移動自組網(wǎng)的無人機(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)器和無人機(jī)邊緣服務(wù)器等，實現(xiàn)無人機(jī)的視頻拍攝、存儲寫入與無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的層次化操作，利用無人機(jī)的中層鏈路實現(xiàn)快速組網(wǎng)。為了實現(xiàn)在不同緊急狀態(tài)下的應(yīng)急服務(wù)，無人機(jī)還進(jìn)行了無人機(jī)自組網(wǎng)部署、無人機(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