基于移動自組網絡的無人機通信設計

陸斌

摘要：為了解決由于自然災害所造成的通信故障問題，文章建立一種應急通信系統，對于受災地區的救援工作可以起到重要作用。本文以移動自組網絡為主，建立一種無人機通信系統，利用無人機監測特殊地區的真實情況，完成視頻的傳輸功能。利用無人機在空間、地理位置上的優勢，感應并監測特殊地區的損壞數據，利用層次化的自組網，實現信息的回傳、共享和下載等功能。結果表明，該系統可以實現無人機之間傳輸數據的低時延功能，很好地滿足了應急通信的應用場景。

關鍵詞：移動自組網；無人機；通信系統

中圖分類號：U283.1文獻標志碼：A0引言我國為自然災害多發的國家，自然災害會給受災群眾帶來巨大的經濟損失和人員傷亡，自然災害會嚴重破壞通信的正常運行。傳統的應急通信系統利用多種通信資源進行應急指揮，但是所使用的通信救援設備靈活性較差，覆蓋信號范圍有限，無法滿足當下緊急情況的通信需要。因此，本文所設計的利用無人機所建立的通信系統，可以實現在不同應急通信場景中的緊急救援，利用移動自組網的功能實現應急通信。無人機通信網絡作為建立應急通信系統的重要方式，可以通過搭載的感知設備及時進行現場數據的采集和處理，從而滿足應急救援的緊急性要求。

1系統框架設計系統架構如圖1所示，整體分為三大部分［1］。

云端服務器：該服務器使用SSM框架搭建，利用Java和Python語言開發。

MQTT服務器：負責服務器與無人機之間的信息傳送，云端服務器與無人機都可以作為該服務器的消息發布者，云端服務器與無人機之間的消息傳送都需要通過該服務器進行轉發。

無人機服務器：無人機上所攜帶的微型計算機具有上傳數據資源、存儲資源的功能［2］。

云端服務器利用MySQL數據庫進行無人機的數據存儲，實現無人機網絡部署、狀態監控和用戶注冊登錄等服務。服務器立足于Java語言、Python語言、SSM架構，讓服務器與無人機通過MQTT協議進行交集，與系統兼容［3］。MQTT協議負責云端服務器與無人機之間的消息轉發，使用MQTT協議可以保證服務器的信息可以準確抵達無人機。

2系統功能設計系統功能模塊如圖2所示。無人機自組網應急通信系統設計在進行飛行部署時，為了給應急場景提供更加實用的功能，需要建立服務器、無人機和用戶3種實體。其中，服務器主要用于存儲無人機的所有數據，對無人機進行控制；無人機主要負責感知災情數據；用戶則對系統進行日常的管理和維護。整個系統功能模塊根據應急場景的業務需要進行設計，其目的是防止不同應用之間發生嚴重耦合［4］。

2.1組網部署無人機在進行自組網部署的過程中，通過獲取無人機的坐標進行網絡資源配置，對無人機進行層次化的網絡管理。無人機除了使用飛行自組織網絡進行通信之外，還提供網絡覆蓋功能供用戶使用，因此進行層次化的網絡結構設計可以實現無人機、服務器與用戶之間的有效通信。

根據應急場景的需求，劃分無人機網絡，如圖3所示。開發人員在層次化的網絡結構中，使用上行網絡鏈路（Up-Link）與系統平臺進行連接實現通信功能，無人機之間使用中層網絡鏈路（Mid-Link）實現與自組網的互聯互通，使用下行網絡鏈路（Down-Link）為用戶提供網絡接入點［5］。

無人機層次化自組網的詳細介紹如表1所示。上行網絡鏈路所提供的無線，無人機需要通過無線將拍攝的視頻回傳到服務器中，采用MQTT協議完成傳輸，使用TCP協議回傳到服務器中。無人機之間組成網絡，運行最優鏈路狀態路由協議。

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行注冊。系統管理員會審批用戶的注冊申請并為注冊的用戶進行權限分配。審批完成后，頁面跳轉到登錄界面。用戶登錄，在登錄界面輸入用戶名和密碼，進入主頁面［6］。

2.3狀態監控無人機的狀態監控主要功能是對系統的信息進行采集，將采集的數據信息上傳到服務器中，方便對數據進行統一維護。采集的數據包括無人機的位置信息、性能、存儲、結構、視頻以及圖片等數據。在無人機感知功能中，資源感知與資源傳輸會同時進行，分別進行感知數據和向服務器傳輸數據。無人機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據信息，將數據信息統一存儲到Redis數據庫中。所有的資源信息采用JSON格式進行顯示，所有的JSON格式數據會按照特定的方式存儲到Redis數據庫中。

2.4視頻傳輸無人機通過自帶的硬件進行視頻的獲取，為了提高視頻的安全性，無人機之間的信息可以進行視頻共享。利用MQTT協議對共享視頻的無人機發出消息，服務器首先給發送方發出服務，然后接收方接收視頻。接收方在發送視頻時需要標注共享的名稱，讓發送方后臺查看是否有此視頻。

無人機通過層次化的網絡設計，利用WiFi-AP功能進行網絡連接。當救援用戶通過申請后，會通過MQTT服務器進行消息轉發，從無人機服務器上直接獲取實時性的視頻即可。在網絡傳輸的過程中，控制消息與數據傳輸保持一致，無人機與用戶之間的控制信息主要通過MQTT服務器完成轉發。無人機在接收到服務器發送的消息后，服務器發送視頻；用戶接收到視頻消息后，在客戶端下載其所需要的視頻［8］。

無人機除了可以進行通信網絡之外，還可以進行視頻與照片的拍攝，對于發生緊急事件的區域進行監控，服務器給無人機發送信息，無人機接收到消息后進行視頻的拍攝，將視頻進行本地存儲并反饋。當服務器接收到信息后進行確認，具體的功能實現如圖5所示。

無人機接收到拍攝消息后，使用Opencv調用視頻，以視頻流的方式存儲在本地。無人機采用Socket將視頻回傳到服務器，無人機在拍攝視頻后，將每一幀寫入文件中，拍攝結束后關閉資源，具體的存儲視頻幀的函數如表2所示。

3結語本文提出的一種基于移動自組網的無人機應急通信系統，利用不同功能的服務器，如云端服務器、MQTT服務器和無人機邊緣服務器等，實現無人機的視頻拍攝、存儲寫入與無人機網絡的層次化操作，利用無人機的中層鏈路實現快速組網。為了實現在不同緊急狀態下的應急服務，無人機還進行了無人機自組網部署、無人機狀態監控等功能，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