一種兼容uav的地空無線傳感網(wǎng)絡通信裝置與方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種兼容UAV的地空無線傳感網(wǎng)絡通信裝置，包括傳感監(jiān)測系統(tǒng)、移動平臺系統(tǒng)、一體化Wi?Fi網(wǎng)絡通信系統(tǒng)以及調度管制平臺；傳感器監(jiān)測系統(tǒng)是指在傳感器網(wǎng)絡中，任意散落在被監(jiān)測區(qū)內的傳感節(jié)點實時監(jiān)測目標區(qū)域內的特定變量對象；移動平臺系統(tǒng)是掛載Wi?Fi通信模塊的UAV，采用旋翼垂直起降平臺，實現(xiàn)UAV飛行速度和軌跡的可控性；一體化Wi?Fi網(wǎng)絡通信系統(tǒng)指以Wi?Fi通信方式為主，參照蜂窩移動通信網(wǎng)絡的結構；所述的調度管制平臺是一套用于無人機飛行路徑管制、無線網(wǎng)路拓撲控制信息及環(huán)境變量信息采集的軟件平臺。本發(fā)明能夠滿足柵格化的網(wǎng)絡發(fā)展需求，建立以網(wǎng)絡為中心的UAV通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)足夠的穩(wěn)定性、可靠性、強大的互聯(lián)互通和互操作性。
【專利說明】
一種兼容UAV的地空無線傳感網(wǎng)絡通信裝置與方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及無人機及移動通信系統(tǒng)的研究領域，特別涉及一種兼容UAV(無人飛行器)的地空無線傳感網(wǎng)絡的通信裝置與方法。
【背景技術】
[0002]在當今全球UAV(無人飛行器)技術高速發(fā)展，特別是我國無人機已占據(jù)全球民用無人機市場70%的份額情況下，UAV技術似乎已經(jīng)到達了頂峰，其潛力看似也被完全挖掘，但實際情況是我國UAV技術在尖端領域的突破仍然鳳毛麟角，僅在飛控設計、航拍測繪、農業(yè)拓展應用方面有所優(yōu)勢，許多核心技術仍然處于歐美國家的壟斷下，特別是在如何滿足UAV業(yè)務通信的靈活性、適應性、帶寬可控性和信息/數(shù)據(jù)流服務實時性對UAV指揮與控制通信網(wǎng)絡提出更高要求的方面。以往的UAV通信網(wǎng)絡只是單一的集中在如何設計、建立、優(yōu)化UAV與基站的通信拓撲結構上，少有考慮涵蓋UAV、傳感監(jiān)測、通信實時優(yōu)化等多方面的系統(tǒng)性裝置與方法的提出。
【發(fā)明內容】
[0003]本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供一種兼容UAV(無人飛行器)的地空無線傳感網(wǎng)絡通信裝置與方法，能夠滿足柵格化的網(wǎng)絡發(fā)展需求，建立以網(wǎng)絡為中心的UAV通信網(wǎng)絡，完成UAV的指揮與控制、環(huán)境數(shù)據(jù)采集管理、通信質量控制等服務，實現(xiàn)足夠的穩(wěn)定性、可靠性、強大的互聯(lián)互通和互操作性。
[0004]為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案:
[0005]本發(fā)明提供的一種兼容UAV的地空無線傳感網(wǎng)絡通信裝置，包括傳感監(jiān)測系統(tǒng)、移動平臺系統(tǒng)、一體化W1-Fi網(wǎng)絡通信系統(tǒng)以及調度管制平臺；
[0006]所述傳感器監(jiān)測系統(tǒng)是指在傳感器網(wǎng)絡中，任意散落在被監(jiān)測區(qū)內的傳感節(jié)點實時監(jiān)測目標區(qū)域內的特定變量對象；
[0007]所述移動平臺系統(tǒng)是掛載W1-Fi通信模塊的UAV，采用旋翼垂直起降平臺，實現(xiàn)UAV飛行速度和軌跡的可控性，該移動平臺系統(tǒng)可受調度管制平臺的飛行路徑規(guī)劃的約束，移動平臺系統(tǒng)可根據(jù)業(yè)務需要掛載相應設備；
[0008]所述一體化W1-Fi網(wǎng)絡通信系統(tǒng)指以W1-Fi通信方式為主，參照蜂窩移動通信網(wǎng)絡的結構，構建由機載通信模塊、傳感節(jié)點通信模塊、基站服務器和交換控制中心網(wǎng)關節(jié)點四大部分組成的地-空數(shù)據(jù)鏈通信網(wǎng)絡；
[0009]所述調度管制平臺是一套用于無人機飛行路徑管制、無線網(wǎng)路拓撲控制信息及環(huán)境變量信息采集的軟件平臺，用于實現(xiàn)GIS專題圖展示、實時飛行參數(shù)顯示、基站覆蓋區(qū)、負載量、通信質量可視化、基站通信參數(shù)在線調整、環(huán)境變量信息實時顯示、歷史記錄查詢。
[0010]作為優(yōu)選的技術方案，所述各傳感節(jié)點電路板上集成了多種類型環(huán)境變量傳感器，當傳感節(jié)點接收到來自基站的數(shù)據(jù)采集指令后立即判斷指令類型，并按照指令以設定的格式，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至基站。
[0011]作為優(yōu)選的技術方案，所述機載通信模塊是指移動平臺系統(tǒng)上掛載的機載W1-Fi模塊內置TCP/IP協(xié)議棧，具有高速串行接口轉W1-Fi功能，用于實現(xiàn)高速串行接口和無線網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)透明轉換，移動平臺系統(tǒng)在跨空域切換時，采用鏈路層觸發(fā)的雙鏈路切換模式，軟件上采取負載移動策略，實現(xiàn)一體化網(wǎng)絡W1-Fi終端自動切換機制;所述鏈路層觸發(fā)的雙鏈路切換模式是指機載W1-Fi模塊同時與兩個基站服務器的無線接入點通信，基站鏈路層服務器監(jiān)控鏈路狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)新的網(wǎng)絡，則決定是否要進行切換；如果決定切換，服務器將把兩條鏈路中的一條連接到新的網(wǎng)絡，并發(fā)出鏈路層觸發(fā);機載W1-Fi模塊通過新網(wǎng)絡進行注冊，同時保持另一條鏈路的數(shù)據(jù)通信工作;注冊成功之后，機載W1-Fi模塊在新的網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)收發(fā)，然后把另一條鏈路也連接到新網(wǎng)絡來。
[0012]作為優(yōu)選的技術方案，所述的傳感節(jié)點通信模塊是指各傳感節(jié)點中的W1-Fi模塊時刻保持著與基站中的W1-Fi模塊間的通信，并將傳感節(jié)點所采集數(shù)據(jù)上傳給基站，傳感節(jié)點和基站組成的局域通信網(wǎng)絡具有自組織的功能，單個節(jié)點經(jīng)過初始的通信和協(xié)商，形成一個傳輸信息的多跳網(wǎng)絡，每個傳感網(wǎng)絡裝備設有一個連接到傳輸網(wǎng)絡的網(wǎng)關，傳輸網(wǎng)絡是由一個單跳鏈接或一系列的無線網(wǎng)絡節(jié)點組成的。
[0013]作為優(yōu)選的技術方案，所述傳感節(jié)點中的W1-Fi模塊內置TCP/IP協(xié)議棧，具有高速串行接口轉W1-Fi功能，用于實現(xiàn)高速串行接口和無線網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)透明轉換，通過W1-Fi模塊相關配置命令設置傳感節(jié)點為UDP客戶端，基站為UDP服務器端;所述UDP客戶端的本地端口可以隨機，可接收任意基站服務器發(fā)給該傳感節(jié)點客戶端的數(shù)據(jù)，但高速串行接口轉發(fā)到UDP的目標是確定的某一遠程基站服務器，作為客戶端的傳感節(jié)點只向該服務器發(fā)送數(shù)據(jù)，其它服務器只能向傳感節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，接收不到傳感節(jié)點的數(shù)據(jù);所述UDP服務器端本地端口固定，可接收任意傳感節(jié)點客戶端發(fā)給該基站服務器的數(shù)據(jù)，但高速串行接口轉發(fā)到UDP的目標是最后一次和服務器的通訊的客戶端，即基站的高速串行接口數(shù)據(jù)只轉發(fā)給最后和基站通訊的傳感節(jié)點。
[0014]作為優(yōu)選的技術方案，所述傳感節(jié)點、基站上電或重啟后默認運行在透轉模式下，傳感節(jié)點中的各類型傳感模塊采集的數(shù)據(jù)由主處理器處理分析后，傳送至高速串行接口，當高速串行接口接收到最大封包長度的數(shù)據(jù)就會立即組成一包數(shù)據(jù)進行透明轉發(fā)至W1-Fi射頻發(fā)射器，而當模塊高速串行接口接收到的數(shù)據(jù)不夠最大封包長度時，則在封包間隔時間到后把高速串行接口當前收到的數(shù)據(jù)組成一包進行轉發(fā)，轉發(fā)后的數(shù)據(jù)經(jīng)射頻模塊發(fā)送至基站；同理，基站的接收數(shù)據(jù)的過程與上述過程相反。
[0015 ]作為優(yōu)選的技術方案，所述的基站服務器在功能結構上起到承上啟下的中繼節(jié)點作用，將應用層和服務器層間的數(shù)據(jù)實現(xiàn)共享;所述的交換控制中心網(wǎng)關節(jié)點負責匯總各個基站上傳的采集數(shù)據(jù)，并將調度管制中心的命令數(shù)據(jù)發(fā)送至基站，交換控制中心的硬件設計上集成了數(shù)據(jù)存儲模塊、W1-Fi模塊和高速串行接口通信模塊，軟件策略上需要對數(shù)據(jù)做預處理以符合通信模塊的格式要求，另外，在數(shù)據(jù)發(fā)送的調度策略中采用堆棧調度策略。
[0016]作為優(yōu)選的技術方案，所述的GIS專題圖展示是一個以測量測繪為基礎，以數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)存儲和使用的數(shù)據(jù)源，以計算機編程為平臺的全球空間分析技術；
[0017]所述的實時飛行參數(shù)顯示是一個反映區(qū)域內被選中UAV的實時飛行姿態(tài)的參數(shù)顯示，其中參數(shù)包括UAV的方向、位置、高度、速度、過載、加速度、角位移、角速度、角加速度及電機轉速，在此區(qū)域中的飛行參數(shù)可隨意調整以達到控制UAV飛行姿態(tài)的目的。
[0018]作為優(yōu)選的技術方案，所述的通信質量可視化是指當前系統(tǒng)內所有通信鏈路的通信情況可通過數(shù)字模擬實時顯示，其中參數(shù)包括通信帶寬、數(shù)傳速率及工作頻率；
[0019]所述的環(huán)境變量實時顯示是指調度管制平臺首先接收來自傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫，再從數(shù)據(jù)庫中讀取最新的環(huán)境變量數(shù)據(jù)以條幅形式實時顯示；
[0020]所述的歷史記錄查詢功能是指在歷史記錄界面上可以查詢環(huán)境變量參數(shù)記錄、UAV飛行參數(shù)記錄、UAV飛行軌跡規(guī)劃記錄、基站覆蓋區(qū)規(guī)劃記錄及基站通信質量在線調整記錄。
[0021]本發(fā)明還提供了一種兼容UAV的地空無線傳感網(wǎng)絡通信方法，包括如下步驟:
[0022](I)系統(tǒng)上電前，配置各基站為UDP服務器端，傳感節(jié)點和UAV移動平臺為UDP客戶端，并初始化系統(tǒng)內各裝置；
[0023](2)系統(tǒng)上電后，通過操作調度管制平臺向交換控制中心發(fā)送指令；
[0024](3)交換控制中心收到指令后對數(shù)據(jù)做預處理，并存入命令堆棧，堆棧調度算法通過讀取命令堆棧中的數(shù)據(jù)將指令發(fā)送至目標基站；
[0025](4)目標基站收到交換控制中心的命令數(shù)據(jù)后向其所處區(qū)域散發(fā)指令；
[0026](5)當傳感節(jié)點接收到來自基站的數(shù)據(jù)采集指令后判斷指令類型，并按照指令以設定的格式將傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至基站；
[0027](6)UAV接收來自基站的航跡規(guī)劃指令后搭載相應機載設備，按指令執(zhí)行任務；
[0028](7)調度管制平臺收到傳感節(jié)點采集的環(huán)境參數(shù)和UAV機載數(shù)據(jù)后，通過反演模型進行精細化校準，最后通過Vonoroi圖法與數(shù)據(jù)融合手段與模式識別算法，得到作業(yè)區(qū)域環(huán)境要素與光譜特征間的精細化時空分布模型。
[0029]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點和有益效果:
[0030]I)本發(fā)明是基于多個小功率基站覆蓋，協(xié)作通信，無需使用機載大功率數(shù)傳電臺。
[0031]2)本發(fā)明的覆蓋范圍可靈活擴展，仔細進行網(wǎng)絡規(guī)劃，可以消除信號盲區(qū)。
[0032]3)本發(fā)明的網(wǎng)內可容納多臺無人機與監(jiān)控終端。
[0033]4)本發(fā)明的UAV機載通信模塊硬件上采用雙鏈路結構，軟件上采取負載移動策略，實現(xiàn)一體化網(wǎng)絡W1-Fi終端自動切換機制。
【附圖說明】
[0034]圖1系統(tǒng)通信網(wǎng)絡拓撲結構示意圖；
[0035]圖2系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向圖；
[0036]圖3調度管制平臺邏輯結構示意圖；
[0037]圖4交換控制中心數(shù)據(jù)調度示意圖。
【具體實施方式】
[0038]下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0039]實施例
[0040]如圖1所示，一種兼容UAV(無人飛行器)的地空無線傳感網(wǎng)絡通信裝置包括傳感監(jiān)測系統(tǒng)、移動平臺系統(tǒng)、一體化W1-Fi網(wǎng)絡通信系統(tǒng)以及調度管制平臺；
[0041]所述傳感器監(jiān)測系統(tǒng)是指在傳感器網(wǎng)絡中，任意散落在被監(jiān)測區(qū)內的傳感節(jié)點實時監(jiān)測目標區(qū)域內的特定變量對象；
[0042]所述移動平臺系統(tǒng)是掛載W1-Fi通信模塊的UAV，采用旋翼垂直起降平臺，實現(xiàn)UAV飛行速度和軌跡的可控性，該移動平臺系統(tǒng)可受調度管制平臺的飛行路徑規(guī)劃的約束，移動平臺系統(tǒng)可根據(jù)業(yè)務需要掛載相應設備；
[0043]所述一體化W1-Fi網(wǎng)絡通信系統(tǒng)指以W1-Fi通信方式為主，參照蜂窩移動通信網(wǎng)絡的結構，構建由機載通信模塊、傳感節(jié)點通信模塊、基站服務器和交換控制中心網(wǎng)關節(jié)點四大部分組成的地-空數(shù)據(jù)鏈通信網(wǎng)絡；
[0044]所述調度管制平臺是一套用于無人機飛行路徑管制、無線網(wǎng)路拓撲控制信息及環(huán)境變量信息采集的軟件平臺，用于實現(xiàn)GIS專題圖展示、實時飛行參數(shù)顯示、基站覆蓋區(qū)、負載量、通信質量可視化、基站通信參數(shù)在線調整、環(huán)境變量信息實時顯示、歷史記錄查詢。
[0045]數(shù)據(jù)科學、合理、有效的流動是本系統(tǒng)能正常運行的關鍵，為此將設定如圖2所示的系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向圖。
[0046]調度管制平臺，即控制中心對下位機設備進行命令控制，包括實時飛行參數(shù)采集、航徑規(guī)劃、環(huán)境變量參數(shù)采集、基站覆蓋區(qū)設定、負載量設定、通信質量可視化與基站通信參數(shù)在線調整等，其內部邏輯結構示意圖如圖3所示。整個調度管制平臺分兩個界面，主界面和歷史記錄界面。主界面上集成了GIS專題圖展區(qū)、基站通信參數(shù)調整區(qū)、環(huán)境參數(shù)展示區(qū)、飛行參數(shù)調整及軌跡規(guī)劃區(qū)；歷史記錄界面在主界面上通過標簽欄切換，其子界面包括環(huán)境參數(shù)采集歷史界面、UAV飛行參數(shù)采集歷史界面、UAV飛行軌跡規(guī)劃歷史界面、基站覆蓋區(qū)規(guī)劃歷史界面。整個調度平臺數(shù)據(jù)均從數(shù)據(jù)庫讀取或寫入，通常的數(shù)據(jù)庫工具均可采用，如mysql、sql server等能有效滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲需求。調度管制平臺的直接命令施加對象是交換控制中心。
[0047]所述交換控制中心網(wǎng)關節(jié)點硬件設計上集成了數(shù)據(jù)存儲模塊、W1-Fi通信模塊和高速串行接口通信模塊，軟件策略上采用雙堆棧數(shù)據(jù)暫存模式，并對數(shù)據(jù)做預處理以符合通信模塊的格式要求。交換控制中心作為上位機與下位機設備的一級數(shù)據(jù)調度中心，其數(shù)據(jù)調度示意圖如圖4所示。從圖4可知，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型多，量大，內容復雜，因此將采用批處理模式下雙堆棧結構(包括指令堆棧和數(shù)據(jù)堆棧)，調度協(xié)議采用先進后出的堆棧調度算法，有效解決系統(tǒng)數(shù)據(jù)調度問題。與交換控制中心產生直接交互的是各個通過無線W1-FI模塊與交換控制中心互聯(lián)的基站。
[0048]系統(tǒng)中包括多個基站，具體可根據(jù)實情劃設數(shù)量，每個基站負責一片區(qū)域內傳感節(jié)點、經(jīng)過此區(qū)域的UAV間的通信。為保證通信質量的可靠性，可接受來自調度管制平臺的通信質量參數(shù)調整命令，所述基站服務器在功能結構上起到承上啟下的中繼節(jié)點作用，將應用層和服務器層間的數(shù)據(jù)實現(xiàn)共享。采用接入標識與交換路由標識分離映射的移動管理策略，把傳統(tǒng)IP地址的雙重屬性進行分離，接入標識代表終端的身份，交換路由標識代表終端的位置。該機制使得UAV平臺在移動的情況下僅僅進行交換路由標識的切換，而用于建立傳輸連接的接入標識在這一過程中保持不變，連接不會被中斷。
[0049]對于傳感節(jié)點，接收來自調度管制平臺的數(shù)據(jù)采集命令，并按照命令發(fā)送采集數(shù)據(jù)至處理終端處理。例如首先持續(xù)采集所處環(huán)境空氣溫濕度、光照、土壤溫濕度、二氧化碳、風力、風向等環(huán)境參數(shù)，得到地面參考點基礎數(shù)據(jù)。其次，利用地面基礎數(shù)據(jù)對機載光譜成像數(shù)據(jù)與環(huán)境參數(shù)間的反演模型進行精細化校準。最后通過Vonoroi圖法與數(shù)據(jù)融合手段(如卡爾曼濾波，貝葉斯估計，主成分分析等)，得到作業(yè)區(qū)域環(huán)境要素與光譜特征間的精細化時空分布模型。
[0050]UAV接收來自調度管制平臺的航跡規(guī)劃命令，并搭載相應機載設備，按命令執(zhí)行任務。如機載設備采用光譜成像系統(tǒng)，獲取作業(yè)區(qū)域不同波段的光譜圖像，結合人工采集區(qū)域內具體關鍵參數(shù)，利用數(shù)據(jù)融合手段(如卡爾曼濾波，貝葉斯推斷，主成分分析等)與模式識另IJ(如深度神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量回歸等)算法，求得到作業(yè)區(qū)域關鍵要素與機載光譜數(shù)據(jù)間的時空分布關系模型。
[0051 ]所述傳感節(jié)點由傳感單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源四部分組成。傳感單元由各類傳感器及數(shù)模轉換設備組成，傳感器的類型是由被監(jiān)測物理信號的形式?jīng)Q定的;數(shù)據(jù)處理通常選用低功耗嵌入式微控制器;數(shù)據(jù)傳輸單元主要由W1-Fi通信模塊構成。當傳感節(jié)點接收到來自基站的數(shù)據(jù)采集指令后立即判斷指令類型，并按照指令以設定的格式，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至基站。
[0052]所述機載通信模塊是指移動平臺系統(tǒng)上掛載的機載W1-Fi模塊內置TCP/IP協(xié)議棧，具有高速串行接口轉W1-Fi功能，用于實現(xiàn)高速串行接口和無線網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)透明轉換，移動平臺系統(tǒng)在跨空域切換時，采用鏈路層觸發(fā)的雙鏈路切換模式，軟件上采取負載移動策略，實現(xiàn)一體化網(wǎng)絡W1-Fi終端自動切換機制;所述鏈路層觸發(fā)的雙鏈路切換模式是指機載W1-Fi模塊同時與兩個基站服務器的無線接入點通信，基站鏈路層服務器監(jiān)控鏈路狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)新的網(wǎng)絡，則決定是否要進行切換;如果決定切換，服務器將把兩條鏈路中的一條連接到新的網(wǎng)絡，并發(fā)出鏈路層觸發(fā);機載W1-Fi模塊通過新網(wǎng)絡進行注冊，同時保持另一條鏈路的數(shù)據(jù)通信工作;注冊成功之后，機載W1-Fi模塊在新的網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)收發(fā)，然后把另一條鏈路也連接到新網(wǎng)絡來。
[0053]所述的傳感節(jié)點通信模塊是指各傳感節(jié)點中的W1-Fi模塊時刻保持著與基站中的W1-Fi模塊間的通信，并將傳感節(jié)點所采集數(shù)據(jù)上傳給基站，傳感節(jié)點和基站組成的局域通信網(wǎng)絡具有自組織的功能，單個節(jié)點經(jīng)過初始的通信和協(xié)商，形成一個傳輸信息的多跳網(wǎng)絡，每個傳感網(wǎng)絡裝備設有一個連接到傳輸網(wǎng)絡的網(wǎng)關，傳輸網(wǎng)絡是由一個單跳鏈接或一系列的無線網(wǎng)絡節(jié)點組成的。
[0054]所述傳感節(jié)點中的W1-Fi模塊內置TCP/IP協(xié)議棧，具有高速串行接口轉W1-Fi功能，用于實現(xiàn)高速串行接口和無線網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)透明轉換，通過W1-Fi模塊相關配置命令設置傳感節(jié)點為UDP客戶端，基站為UDP服務器端;所述UDP客戶端的本地端口可以隨機，可接收任意基站服務器發(fā)給該傳感節(jié)點客戶端的數(shù)據(jù)，但高速串行接口轉發(fā)到UDP的目標是確定的某一遠程基站服務器，作為客戶端的傳感節(jié)點只向該服務器發(fā)送數(shù)據(jù)，其它服務器只能向傳感節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，接收不到傳感節(jié)點的數(shù)據(jù);所述UDP服務器端本地端口固定，可接收任意傳感節(jié)點客戶端發(fā)給該基站服務器的數(shù)據(jù)，但高速串行接口轉發(fā)到UDP的目標是最后一次和服務器的通訊的客戶端，即基站的高速串行接口數(shù)據(jù)只轉發(fā)給最后和基站通訊的傳感節(jié)點。
[0055]所述傳感節(jié)點、基站上電或重啟后默認運行在透轉模式下，傳感節(jié)點中的各類型傳感模塊采集的數(shù)據(jù)由主處理器處理分析后，傳送至高速串行接口，當高速串行接口接收到最大封包長度的數(shù)據(jù)就會立即組成一包數(shù)據(jù)進行透明轉發(fā)至W1-Fi射頻發(fā)射器，而當模塊高速串行接口接收到的數(shù)據(jù)不夠最大封包長度時，則在封包間隔時間到后把高速串行接口當前收到的數(shù)據(jù)組成一包進行轉發(fā)，轉發(fā)后的數(shù)據(jù)經(jīng)射頻模塊發(fā)送至基站；同理，基站的接收數(shù)據(jù)的過程與上述過程相反。
[0056]所述的基站服務器在功能結構上起到承上啟下的中繼節(jié)點作用，將應用層和服務器層間的數(shù)據(jù)實現(xiàn)共享;所述的交換控制中心網(wǎng)關節(jié)點負責匯總各個基站上傳的采集數(shù)據(jù)，并將調度管制中心的命令數(shù)據(jù)發(fā)送至基站，交換控制中心的硬件設計上集成了數(shù)據(jù)存儲模塊、W1-Fi模塊和高速串行接口通信模塊，軟件策略上需要對數(shù)據(jù)做預處理以符合通信模塊的格式要求，另外，在數(shù)據(jù)發(fā)送的調度策略中采用堆棧調度策略。
[0057]所述的GIS專題圖展示是一個以測量測繪為基礎，以數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)存儲和使用的數(shù)據(jù)源，以計算機編程為平臺的全球空間分析技術；
[0058]所述的實時飛行參數(shù)顯示是一個反映區(qū)域內被選中UAV的實時飛行姿態(tài)的參數(shù)顯示，其中參數(shù)包括UAV的方向、位置、高度、速度、過載、加速度、角位移、角速度、角加速度及電機轉速，在此區(qū)域中的飛行參數(shù)可隨意調整以達到控制UAV飛行姿態(tài)的目的。
[0059]所述的通信質量可視化是指當前系統(tǒng)內所有通信鏈路的通信情況可通過數(shù)字模擬實時顯示，其中參數(shù)包括通信帶寬、數(shù)傳速率及工作頻率；
[0060]所述的環(huán)境變量實時顯示是指調度管制平臺首先接收來自傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫，再從數(shù)據(jù)庫中讀取最新的環(huán)境變量數(shù)據(jù)以條幅形式實時顯示；
[0061]所述的歷史記錄查詢功能是指在歷史記錄界面上可以查詢環(huán)境變量參數(shù)記錄、UAV飛行參數(shù)記錄、UAV飛行軌跡規(guī)劃記錄、基站覆蓋區(qū)規(guī)劃記錄及基站通信質量在線調整記錄。
[0062]所述UAV及機載設備是指在掛載了W1-Fi通信模塊的固定翼或旋翼飛行器上搭載機載設備，所述機載設備是根據(jù)實際情況能滿足需求的設備，如測繪工具光譜成像儀、紅外相機及其他傳感探測設備，應用工具施肥器、灑藥器等。
[0063]—種兼容UAV(無人飛行器)的地空無線傳感網(wǎng)絡通信實施方法包括如下步驟:
[0064](I)系統(tǒng)上電前，配置各基站為UDP服務器端，傳感節(jié)點和UAV移動平臺為UDP客戶端，并初始化系統(tǒng)內各裝置。
[0065](2)系統(tǒng)上電后，通過操作調度管制平臺向交換控制中心發(fā)送指令。
[0066](3)交換控制中心收到指令后對數(shù)據(jù)做預處理，并存入命令堆棧。堆棧調度算法通過讀取命令堆棧中的數(shù)據(jù)將指令發(fā)送至目標基站。
[0067](4)目標基站收到交換控制中心的命令數(shù)據(jù)后向其所處區(qū)域散發(fā)指令。
[0068](5)當傳感節(jié)點接收到來自基站的數(shù)據(jù)采集指令后判斷指令類型，并按照指令以設定的格式(如:“地點+數(shù)據(jù)類型+數(shù)值+Γ )將傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至基站。
[0069](6)UAV接收來自基站的航跡規(guī)劃指令后搭載相應機載設備，按指令執(zhí)行任務。
[0070](7)調度管制平臺收到傳感節(jié)點采集的環(huán)境參數(shù)和UAV機載數(shù)據(jù)后，通過反演模型進行精細化校準。最后通過Vonoroi圖法、數(shù)據(jù)融合手段和模式識別算法等，得到作業(yè)區(qū)域環(huán)境要素與光譜特征間的精細化時空分布模型。
[0071]上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種兼容UAV的地空無線傳感網(wǎng)絡通信裝置，其特征在于，包括傳感監(jiān)測系統(tǒng)、移動平臺系統(tǒng)、一體化W1-Fi網(wǎng)絡通信系統(tǒng)以及調度管制平臺； 所述傳感器監(jiān)測系統(tǒng)是指在傳感器網(wǎng)絡中，任意散落在被監(jiān)測區(qū)內的傳感節(jié)點實時監(jiān)測目標區(qū)域內的特定變量對象； 所述移動平臺系統(tǒng)是掛載W1-Fi通信模塊的UAV，采用旋翼垂直起降平臺，實現(xiàn)UAV飛行速度和軌跡的可控性，該移動平臺系統(tǒng)可受調度管制平臺的飛行路徑規(guī)劃的約束，移動平臺系統(tǒng)可根據(jù)業(yè)務需要掛載相應設備； 所述一體化W1-Fi網(wǎng)絡通信系統(tǒng)指以W1-Fi通信方式為主，參照蜂窩移動通信網(wǎng)絡的結構，構建由機載通信模塊、傳感節(jié)點通信模塊、基站服務器和交換控制中心網(wǎng)關節(jié)點四大部分組成的地-空數(shù)據(jù)鏈通信網(wǎng)絡； 所述的操作調度管制平臺是一套用于無人機飛行路徑管制、無線網(wǎng)路拓撲控制信息及環(huán)境變量信息采集的軟件平臺，用于實現(xiàn)GIS專題圖展示、實時飛行參數(shù)顯示、基站覆蓋區(qū)、負載量、通信質量可視化、基站通信參數(shù)在線調整、環(huán)境變量信息實時顯示、歷史記錄查詢。2.根據(jù)權利要求1所述的兼容UAV的地空無線傳感網(wǎng)絡通信裝置，其特征在于，所述各傳感節(jié)點電路板上集成了多種類型環(huán)境變量傳感器，當傳感節(jié)點接收到來自基站的數(shù)據(jù)采集指令后立即判斷指令類型，并按照指令以設定的格式，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至基站。3.根據(jù)權利要求1所述的兼容UAV的地空無線傳感網(wǎng)絡通信裝置，其特征在于，所述機載通信模塊是指移動平臺系統(tǒng)上掛載的機載W1-Fi模塊內置TCP/IP協(xié)議棧，具有高速串行接口轉W1-Fi功能，用于實現(xiàn)高速串行接口和無線網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)透明轉換，移動平臺系統(tǒng)在跨空域切換時，采用鏈路層觸發(fā)的雙鏈路切換模式，軟件上采取負載移動策略，實現(xiàn)一體化網(wǎng)絡W1-Fi終端自動切換機制;所述鏈路層觸發(fā)的雙鏈路切換模式是指機載W1-Fi模塊同時與兩個基站服務器的無線接入點通信，基站鏈路層服務器監(jiān)控鏈路狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)新的網(wǎng)絡，則決定是否要進行切換；如果決定切換，服務器將把兩條鏈路中的一條連接到新的網(wǎng)絡，并發(fā)出鏈路層觸發(fā);機載W1-Fi模塊通過新網(wǎng)絡進行注冊，同時保持另一條鏈路的數(shù)據(jù)通信工作;注冊成功之后，機載W1-Fi模塊在新的網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)收發(fā)，然后把另一條鏈路也連接到新網(wǎng)絡來。4.根據(jù)權利要求1所述的兼容UAV的地空無線傳感網(wǎng)絡通信裝置，其特征在于，所述的傳感節(jié)點通信模塊是指各傳感節(jié)點中的W1-Fi模塊時刻保持著與基站中的W1-Fi模塊間的通信，并將傳感節(jié)點所采集數(shù)據(jù)上傳給基站，傳感節(jié)點和基站組成的局域通信網(wǎng)絡具有自組織的功能，單個節(jié)點經(jīng)過初始的通信和協(xié)商，形成一個傳輸信息的多跳網(wǎng)絡，每個傳感網(wǎng)絡裝備設有一個連接到傳輸網(wǎng)絡的網(wǎng)關，傳輸網(wǎng)絡是由一個單跳鏈接或一系列的無線網(wǎng)絡節(jié)點組成的。5.根據(jù)權利要求4所述的兼容UAV的地空無線傳感網(wǎng)絡通信裝置，其特征在于，所述傳感節(jié)點中的W1-Fi模塊內置TCP/IP協(xié)議棧，具有高速串行接口轉W1-Fi功能，用于實現(xiàn)高速串行接口和無線網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)透明轉換，通過W1-Fi模塊相關配置命令設置傳感節(jié)點為UDP客戶端，基站為UDP服務器端;所述UDP客戶端的本地端口可以隨機，可接收任意基站服務器發(fā)給該傳感節(jié)點客戶端的數(shù)據(jù)，但高速串行接口轉發(fā)到UDP的目標是確定的某一遠程基站服務器，作為客戶端的傳感節(jié)點只向該服務器發(fā)送數(shù)據(jù)，其它服務器只能向傳感節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，接收不到傳感節(jié)點的數(shù)據(jù);所述UDP服務器端本地端口固定，可接收任意傳感節(jié)點客戶端發(fā)給該基站服務器的數(shù)據(jù)，但高速串行接口轉發(fā)到UDP的目標是最后一次和服務器的通訊的客戶端，即基站的高速串行接口數(shù)據(jù)只轉發(fā)給最后和基站通訊的傳感節(jié)點。6.根據(jù)權利要求1所述的兼容UAV的地空無線傳感網(wǎng)絡通信裝置，其特征在于，所述傳感節(jié)點、基站上電或重啟后默認運行在透轉模式下，傳感節(jié)點中的各類型傳感模塊采集的數(shù)據(jù)由主處理器處理分析后，傳送至高速串行接口，當高速串行接口接收到最大封包長度的數(shù)據(jù)就會立即組成一包數(shù)據(jù)進行透明轉發(fā)至W1-Fi射頻發(fā)射器，而當模塊高速串行接口接收到的數(shù)據(jù)不夠最大封包長度時，則在封包間隔時間到后把高速串行接口當前收到的數(shù)據(jù)組成一包進行轉發(fā)，轉發(fā)后的數(shù)據(jù)經(jīng)射頻模塊發(fā)送至基站；同理，基站的接收數(shù)據(jù)的過程與上述過程相反。7.根據(jù)權利要求1所述的兼容UAV的地空無線傳感網(wǎng)絡通信裝置，其特征在于，所述的基站服務器在功能結構上起到承上啟下的中繼節(jié)點作用，將應用層和服務器層間的數(shù)據(jù)實現(xiàn)共享;所述的交換控制中心網(wǎng)關節(jié)點負責匯總各個基站上傳的采集數(shù)據(jù)，并將調度管制中心的命令數(shù)據(jù)發(fā)送至基站，交換控制中心的硬件設計上集成了數(shù)據(jù)存儲模塊、W1-Fi模塊和高速串行接口通信模塊，軟件策略上需要對數(shù)據(jù)做預處理以符合通信模塊的格式要求，另外，在數(shù)據(jù)發(fā)送的調度策略中采用堆棧調度策略。8.根據(jù)權利要求1所述的兼容UAV的地空無線傳感網(wǎng)絡通信裝置，其特征在于，所述的GIS專題圖展示是一個以測量測繪為基礎，以數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)存儲和使用的數(shù)據(jù)源，以計算機編程為平臺的全球空間分析技術； 所述的實時飛行參數(shù)顯示是一個反映區(qū)域內被選中UAV的實時飛行姿態(tài)的參數(shù)顯示，其中參數(shù)包括UAV的方向、位置、高度、速度、過載、加速度、角位移、角速度、角加速度及電機轉速，在此區(qū)域中的飛行參數(shù)可隨意調整以達到控制UAV飛行姿態(tài)的目的。9.根據(jù)權利要求1所述的兼容UAV的地空無線傳感網(wǎng)絡通信裝置，其特征在于，所述的通信質量可視化是指當前系統(tǒng)內所有通信鏈路的通信情況可通過數(shù)字模擬實時顯示，其中參數(shù)包括通信帶寬、數(shù)傳速率及工作頻率； 所述的環(huán)境變量實時顯示是指調度管制平臺首先接收來自傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫，再從數(shù)據(jù)庫中讀取最新的環(huán)境變量數(shù)據(jù)以條幅形式實時顯示； 所述的歷史記錄查詢功能是指在歷史記錄界面上可以查詢環(huán)境變量參數(shù)記錄、UAV飛行參數(shù)記錄、UAV飛行軌跡規(guī)劃記錄、基站覆蓋區(qū)規(guī)劃記錄及基站通信質量在線調整記錄。10.—種兼容UAV的地空無線傳感網(wǎng)絡通信方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)系統(tǒng)上電前，配置各基站為UDP服務器端，傳感節(jié)點和UAV移動平臺為UDP客戶端，并初始化系統(tǒng)內各裝置； (2)系統(tǒng)上電后，通過操作調度管制平臺向交換控制中心發(fā)送指令； (3)交換控制中心收到指令后對數(shù)據(jù)做預處理，并存入命令堆棧，堆棧調度算法通過讀取命令堆棧中的數(shù)據(jù)將指令發(fā)送至目標基站； (4)目標基站收到交換控制中心的命令數(shù)據(jù)后向其所處區(qū)域散發(fā)指令； (5)當傳感節(jié)點接收到來自基站的數(shù)據(jù)采集指令后判斷指令類型，并按照指令以設定的格式將傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至基站； (6 )UAV接收來自基站的航跡規(guī)劃指令后搭載相應機載設備，按指令執(zhí)行任務； (7)調度管制平臺收到傳感節(jié)點采集的環(huán)境參數(shù)和UAV機載數(shù)據(jù)后，通過反演模型進行精細化校準，最后通過Vonoroi圖法與數(shù)據(jù)融合手段與模式識別算法，得到作業(yè)區(qū)域環(huán)境要素與光譜特征間的精細化時空分布模型。
【文檔編號】H04W16/18GK105828345SQ201610301127
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月6日
【發(fā)明人】岳學軍, 王林惠, 王健, 劉永鑫, 凌康杰, 甘海明, 王舉, 全東平, 吳東明, 李麗生
【申請人】華南農業(yè)大學