一種無人機監控系統設計方法

［關鍵詞］無人機；監控系統；功能設計；數據庫構建

隨著信息技術及智能控制技術的不斷發展，無人機制造工藝不斷深化，基于無人機的社會應用不斷拓展。在無人機應用層面不斷增多的同時，無人機管理成為難點。面向無人機的飛行監控管理系統研究成果較為豐富。裘群祿等[1]提出了一種城市低空無人機航線設置與管理方法，并以杭州市上城區錢江新城為例對飛行管理進行了闡述。邊海龍等[2]對基于無線電信號監測的無人機管控技術進行了分析，對無人機探測策略、無人機使用頻譜、智能化無人機監測方法進行了介紹，明晰了測向管制、無人機反制的技術特點，提出了智能化和規范化管理措施，達到了有效管控無人機運行狀態的效果。張晴等[3]對無人機測控與信息傳輸系統檢測技術進行了研究，選用基于PXIe總線的嵌入式控制器為控制核心，確定了以綜控模擬器和監測分析儀為核心的檢測系統整體設計方案，實現了無人機測控與信息傳輸系統測試平臺的設計。任遠中等[4]對軍隊營區低空域無人機管控問題進行了研究。針對低空域無人機對軍隊營區治安、反恐、涉密信息泄漏等挑戰，分析了5個方面的無人機安全威脅，給出了無人機探測和抵近的處置技術，并搭建了無人機安全管控平臺。

1 系統總體架構

（1）云服務端。云服務端主要包括云服務器、無線信號接收設備、網絡信號接收設備、系統安全防護設備。文章將系統數據庫、無人機管理系統平臺等軟件布署在云服務端。云服務端的作用是為所述系統提供基于網絡的服務支持，用戶可通過網絡隨時隨地訪問系統服務器。云服務端能夠通過無線模式和有線模式接收無人機狀態信息，并存儲在系統數據庫中。系統平臺能夠將無人機信息從數據庫中提取出來，并為用戶檢索和查詢無人機狀態提供數據服務支持。云服務端可以為所述系統提供網絡安全及數據安全策略，提高系統應用平臺的適用性和可靠性。

（2）用戶端。用戶端主要包括管理員、系統開發者、訪客、一般應用人員等。系統開發者擁有最高權限，可以訪問系統深層次參數設置界面，對系統用戶并發數、系統功能裁剪、系統網絡安全策略、系統應用日志等進行查看和相關操作。管理員權限僅次于系統開發者，可以對用戶注冊信息進行審核，對用戶賬號進行管理（如刪除等）。訪客的用戶權限最小，僅能對系統界面進行查看，不能獲取系統數據。如要獲取數據需通過應用頁面提交用戶注冊信息，待管理員審核通過后，成為一般應用人員。一般應用人員可以檢索對應無人機的狀態信息。用戶登錄可以應用智能終端通過有線網絡或無線網絡訪問服務器實現。

（3）無人機端。無人機端是本系統應用的信息采集部分，主要對無人機的位置、出入庫狀態、飛行狀態、設備運行狀態等信息進行采集，可應用紅外感知模塊、攝像頭、避障裝置等組件實現相應功能。

（4）信息傳輸端。信息傳輸端主要包括RS232信息通信模塊、GPRS數據通信模塊、工業級無線路由器、SIM卡、RJ45接口等模塊及組件。信息傳輸端的作用是將無人機信息通過無線模式或有線模式傳輸到云服務端。

本系統平臺的運行流程包括4個步驟：①對無人機狀態信息進行采集；②將信息傳輸到應用數據庫；③用戶對系統進行訪問，并對系統功能進行應用；④應用平臺檢索數據庫，為用戶提供無人機狀態信息和風險報警服務。

2 功能實現

2.1 數據傳輸端功能實現

數據傳輸端的硬件組成如圖1所示。

從圖1可知，數據傳輸方式主要包括無線傳輸和有線傳輸。有線傳輸為基于RJ45模塊的TCP/IP網絡通信，無線傳輸為基于GPRS模塊和工業無線路由器的數據鏈路直連。數據傳輸端的設備連接模式為：RS232模塊1與無人機端連接，通過RS232模塊1接收來自無人機端的數據信息，RS232模塊1與RJ45模塊1連接，將RS232模塊1中的信息傳輸到TCP/IP通信網絡中。RS232模塊1與工業無線路由器1相連，可將RS232模塊1中的信息傳輸到無線通信網絡中。工業無線路由器1與工業無線路由器2相連，可將無人機端的信息數據無線傳輸到云服務端的工業無線路由器2中。RJ45模塊1與RJ45模塊2相連，可將無人機端的信息有線發送到云服務端。GPRS模塊1與無人機端相連，可對無人機狀態進行信息采集。GPRS模塊1與GPRS模塊2相連，可將無人機端信息輸送云服務端。GPRS模塊2與云服務端相連，RJ45模塊2與RS232模塊2相連，RS232模塊2與工業無線路由器2相連，RS232模塊2與云服務端相連。

RS232模塊可以選擇MAX232芯片，文章中此芯片成對使用，MAX232模塊1布署于無人機中，Max232模塊2布署于接收端，如GPRS模塊中等。MAX232芯片的引腳接線連接方法為：Vcc引腳接電源，GND接地，MAX232模塊1的TXD引腳接MAX232模塊2的RXD引腳；MAX232模塊2的TXD引腳接MAX232模塊1的RXD引腳。上述接線方式可實現基于max232的串口通信功能。

2.2 云服務端功能實現

（1）構建無人機管理數據庫。在SQL（結構化查詢語言）數據庫中構建無人機管理數據表格，表格包括無人機唯一產品識別碼、無人機型號、無人機制造商、無人機類型、無人機國籍、最大起飛重量、空載重量、產品名稱、飛手姓名、飛手身份證號、聯系人手機號、實名登記狀態、無人機所屬單位、管理員、無人機飛行報備情況、無人機保險辦理情況、無人機保養情況、無人機圖片、飛手證圖片、掛載圖片、發票圖片、無人機三維坐標、無人機狀態等。

（2）構建無人機信息管理存儲過程。主要包括無人機信息檢索、信息更新、信息刪除、信息錄入等存儲過程。無人機信息檢索存儲過程代碼為：ALTERPROCEDURE[dbo].[queryuav]ASselect*fromUAV。

文章利用.NET軟件編輯工具，采用C#編程語言實現無人機管理軟件前臺應用功能。前臺功能主要包括用戶注冊、用戶登錄、無人機信息管理人機界面等。用戶在進行平臺軟件應用前應進行用戶注冊，在用戶提交個人信息和設置用戶名及密碼后，點擊信息提交按鈕。系統管理員接收到用戶注冊申請后，進行審核，審核通過后，用戶信息自動存儲到數據庫的用戶表格中，用戶名為用戶數據表的檢索關鍵字。用戶登錄后，可對無人機狀態進行監視，在風險發生后，可對無人機進行遠程控制，進而實現無人機監控功能。人機交互應用主要包括無人機狀態檢索、無人機風險通知、無人機控制等。利用C#語言編輯數據庫訪問代碼，主要流程為打開數據庫→調用數據庫存儲過程→接收數據庫數據→對數據進行處理后送到前臺頁面進行顯示。數據庫打開的代碼如下：stringCS=\"DataSource=\"+DataSource+\"；InitialCatalog=\"+InitialCatalog+\"；UID=\"+UID+\"；PWD=\"+PWD；mC=newSConnection（CS）；mC.Open（）。

文章為了提高前臺頁面的信息更新效率，引入Ajax技術實現頁面的局部刷新。首先在HTML頁面中使用JS腳本將請求數據發送給后臺小服務程序或服務連接器，然后后臺獲取數據進行處理，將結果返回給前臺。最后返回處理結果，局部刷新頁面。獲取XMLHttpRequest對象的代碼如下：varxH；try{xH=newXMLHttpRequest（）；}catch（e）{try{xH=newActiveXObject（\"Msxml2.XMLHTTP\"）；}。

（3）無人機控制主要采用遠程通訊途徑。如無人機在120m的管制空域飛行，且未進行報備審批，無人機監控平臺會向用戶發送報警通知，用戶可通過平臺對無人機進行必要處置，如將無人機高度下降到120m以下等。其控制流程為用戶接收到系統報警→登錄系統平臺對無人機狀態進行檢索和查看→通過平臺提供的應用接口進行無人機控制（如高度控制、云臺控制、飛行軌跡任務控制等）。系統平臺接收到用戶輸入的命令后，通過GPRS模塊將信息從云服務端發送到無人機端，可實現對無人機的控制，也可通過工業無線路由器將控制命令發送到無人機端，實現對無人機的遠程控制。對無人機的控制及信息采集基于文章制訂的人機通信協議。

2.3 無人機端功能實現

無人機端的主要功能是信息采集，主要技術包括無人機信息采集通信協議制訂、無人機信息采集硬件模塊構成及無人機信息采集軟件功能實現等。文章主要通過RS232接口與無人機進行信息通信，設定RS232接口的波特率、停止位、校驗位后，按照制訂的無人機通信協議，可對無人機相關狀態進行采集。

無人機通信協議制訂如下：通信報文分為3個部分，即報文類型、數據主體及結束字符。文章結束字符定義為3個字符A。報文類型包括3種：①信息采集報文，識別符為兩個字符R；②狀態自動報送報文，識別符為兩個字符B；③無人機控制報文，識別符為兩個字符C。數據主體分為數據類別和數據內容兩個子部分。數據類別可以分為無人機位置、出入庫狀態、飛行狀態、設備運行狀態等。數據內容格式需要進行約定，如對于無人機位置的數據內容，前4個字符表示經度，中間4個字符表示維度，后面4個字符表示高度。對于設備運行狀態的數據類型，數據00表示狀態良好，數據E1表示電量不足，數據E2表示GPS定位信號弱，數據E3表示與地面站設備不可連接等。對于無人機控制報文的數據類型可以是紅外感知模塊、攝像頭、避障裝置、旋翼控制等，對于避障裝備的數據內容，如果是C0表示打開避障功能，如果是C1表示打開避障功能。

3 結束語

鑒于在社會應用中存在無人機狀態監測、出入庫管理、管制空域無人機駕駛航空器監管等實際需求，本文給出了一種基于人工智能的無人機監控系統的設計方法，提出了云服務端、用戶端、無人機端、信息傳輸端4層架構。利用工業無線路由器實現了無人機狀態信息的傳輸與共享，構建了無人機通信協議對無人機狀態信息進行采集，介紹了無人機遠程監控及數據庫構建等。