無人機地質(zhì)圖像傳輸設(shè)計與實現(xiàn)*

樊伊君,高加瓊

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，洛陽 471023;2.四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 管理系，遂寧 629000)

目前在移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，圖像傳輸方式可以通過第四代移動通信(4G)信號或者計算機網(wǎng)絡(luò)進行傳輸[1-3].但在一些偏遠的山區(qū)，常常出現(xiàn)發(fā)射信號的基站出現(xiàn)問題或是遠離發(fā)射基站覆蓋的區(qū)域，致使商業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信沒有辦法實現(xiàn)信息的有效傳輸.在區(qū)域小范圍地質(zhì)地貌普查中該問題突出，特別是在工作人員無法到達的險要山區(qū)，通過無人機攜帶圖像獲取設(shè)備，通過短距離傳輸協(xié)議可以很好地解決這一難題.

傳統(tǒng)的地質(zhì)普查采用大型航空器或遙感衛(wèi)星等測繪手段[4]，投入成本高.在小區(qū)域地形地貌初步探測中，選擇投入少、見效快的方法獲得初步的圖像對進一步開展地貌探測具有顯著的作用.ZigBee是一種具有低成本、短時延、低功耗、安全性及可靠性高和傳輸距離短等特點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可以很好的解決短距離無線圖像信息的傳輸，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備，支持最高250 kbit·s-1、20 kbit·s-1和40 kbit·s-1三種傳輸速率[5]，與移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同的是，ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不僅本身可以直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以通過路由節(jié)點自動中轉(zhuǎn)終端節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料.ZigBee網(wǎng)絡(luò)可多達65 535個無線數(shù)傳模塊(節(jié)點)組成的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺[6]，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75 m通過路由無限擴展.通過一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(又稱協(xié)調(diào)器節(jié)點)即可自組織一個網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)形成后其他節(jié)點可以直接加入或通過多跳方式加入該網(wǎng)絡(luò),目前已被廣泛應(yīng)用到智能控制、智能家居、智能監(jiān)控和智能管理等諸多領(lǐng)域[2].

文中擬提出一種基于無人機的圖像文件傳輸方案，以ZigBee技術(shù)的圖像傳輸為基礎(chǔ)，研究圖像文件數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成與關(guān)鍵技術(shù).

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)主要包括：無人機圖像獲取系統(tǒng)、數(shù)傳部分和地面接收處理三部分組成，圖像獲取部分完成圖像的獲取與分包，數(shù)傳部分完成分包后數(shù)據(jù)的傳輸，地面接收處理部分由計算機進行圖像合包與人機交互界面的展示，無人機主要實現(xiàn)圖像的采集和發(fā)送.系統(tǒng)的路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點采用的是ZigBee CC2530套件[3].ZigBee CC2530不僅支持2.4 GHz IEEE 802.15.4 /ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸，而且具有穩(wěn)定強大的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)能力.

系統(tǒng)設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

1.1 傳輸網(wǎng)絡(luò)

地-空數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，安全可靠的傳輸是保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的第一步.文中通過中心協(xié)調(diào)器來創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)有節(jié)點加入時，協(xié)調(diào)器給加入的節(jié)點分配地址，節(jié)點、路由器和協(xié)調(diào)器之間可組成星型網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，可根據(jù)需要組建網(wǎng)絡(luò)，加入此網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點就可進行相互通信，完成地-空之間的數(shù)據(jù)無線傳輸.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

1.2 地面計算機

地面計算機完成接收數(shù)據(jù)的處理、人機交互界面的設(shè)計和合包后圖像的顯示.采用的開發(fā)工具是VC++6.0軟件和MSComm控件.

MSComm為Windows環(huán)境下的串行通信編程Active控件，主要通過串行端口接收圖像數(shù)據(jù).該控件提供兩種處理數(shù)據(jù)通信的方法：事件驅(qū)動法和查詢法，文中系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信采用事件驅(qū)動法[7].

事件驅(qū)動方法是處理串行端口交互作用的一種非常有效的方法，在許多情況下，事件發(fā)生時需要得到通知.這些情況包括：在串口接收區(qū)中如果有字符；Carier Detect(簡稱CD)或Request to Send(簡稱RTS)線上一個字符到達；某一事件發(fā)生時等.在這些場景中，就可以利用MSComm控件的OnComm事件捕獲并處理這些通信事件.

在實際編程應(yīng)用中，在OnComm事件的處理函數(shù)中加入新事件的處理代碼，這使得系統(tǒng)程序響應(yīng)及時，可靠性高，且每個MSComm控件對應(yīng)一個串口端口完成通信.

1.3 無人機系統(tǒng)

無人機圖像數(shù)據(jù)傳輸采用臺灣DTK公司的CC2530系統(tǒng)套件，套件有三種節(jié)點類型：ZigBee協(xié)調(diào)器(Coordinator)、路由節(jié)點(Router)和終端節(jié)點(EndDevice)，通過ZigBee Configuration界面對ZigBee模塊進行節(jié)點功能配置，根據(jù)節(jié)點位置設(shè)置成所需要的節(jié)點類型[8].其中終端節(jié)點與無人機通過RS232串口連接圖像采集設(shè)備，路由節(jié)點用來接收并中轉(zhuǎn)(如果距離較大)終端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，通常安裝在傳輸文件的地點的合適地方(可視區(qū)域)，該節(jié)點位置可以固定也可以移動；協(xié)調(diào)器通過RS232串口線和接收端計算機連接，用來接收終端節(jié)點或者路由節(jié)點發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)，并通過RS232串口線傳送給地面計算機，無人機完成圖像數(shù)據(jù)采集、分包以及處理，接收端計算機完成圖像數(shù)據(jù)的解碼、合并等操作，通過上位機人機交互界面可判斷圖像文件接收與解碼情況，以此決定下一步執(zhí)行的操作[9].

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)研究的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收三個模塊組成，圖像傳輸模塊如圖2所示.

圖2 圖像傳輸模塊框架

2.1 數(shù)據(jù)接收模塊程序

圖像接收部分由地面計算機完成，采用VC++軟件，編寫程序?qū)邮盏臄?shù)據(jù)進行處理，用以保證數(shù)據(jù)在無線傳輸中的完整性、正確性的關(guān)鍵模塊[10].ZigBee中傳輸屬于小數(shù)據(jù)量的無線傳輸，一般都在幾十kbyte到幾百kbyte(壓縮后)之間的文件，對于圖像類的較大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)無法直接實現(xiàn)傳輸，因此要對文件進行分包操作.

實際應(yīng)用中如果設(shè)定的單個包文件越大，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間就越短，單個包文件越小，傳輸?shù)臅r間就越長.因此可根據(jù)實際需要設(shè)定包的大小，對實時性要求較高的場合，可以將包分的大一點，盡量減少分包與合包的次數(shù)，節(jié)省時間，對準(zhǔn)確性要求較高的情況下，可以將包分的小一點，確保文件可靠傳輸[11].無論何種情況，接收到的文件包在合包之前要進行數(shù)據(jù)一致性檢驗，確保數(shù)據(jù)完整正確.

2.2 圖像傳輸模塊

圖像分包后就要開始數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)正確傳輸是保證最終圖像完整齊全的前提.當(dāng)發(fā)送端單片機對數(shù)據(jù)分包并完成正確命名后，依次將不同編號的分包數(shù)據(jù)通過ZigBee節(jié)點模塊進行傳輸，如果傳輸距離較大，可以增加中間的路由節(jié)點，數(shù)據(jù)首先通過終端節(jié)點傳送到路由節(jié)點或者中心節(jié)點(也可以稱為協(xié)調(diào)節(jié)點或協(xié)調(diào)器)，協(xié)調(diào)器將每一個分包數(shù)據(jù)接收后進行排序、對照檢查包數(shù)量，正確無誤后按順序通過RS232接口傳送給接收端計算機上位機軟件，進行數(shù)據(jù)的解碼、合并、存儲和圖像顯示等操作，完成整個數(shù)據(jù)流的傳輸過程[9].

2.3 數(shù)據(jù)接收與保存

無人機在開始發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先要在發(fā)送端對文件按照壓縮算法進行哈夫曼壓縮編碼、分包和編號等操作[12].接收端協(xié)調(diào)器按順序依次接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器傳送過來的分包數(shù)據(jù)，首先將接收分包的序號與本地的接收狀態(tài)變量相比較，如果二者相等就表明是新的數(shù)據(jù)包，就接受該數(shù)據(jù)包，并發(fā)送確認(rèn)報文，否則就丟棄，丟棄后則需要給發(fā)送端發(fā)送重傳報文，讓發(fā)送端重傳剛才的分包.并將正確接收的分包進行保存、解壓和合并，命名為“-”前的部分，將整個文件保存為jpg形式.在接收端計算機的上位機界面上可以顯示文件的接收進度以及文件的保存狀態(tài).可以根據(jù)包的編號順序在上位機文件夾中找到保存的分包文件，可以對其進行查看、編輯和刪除等操作.

2.4 圖像數(shù)據(jù)幀格式

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意節(jié)點與路由器、路由器與路由器以及路由器與協(xié)調(diào)器(中心節(jié)點)數(shù)據(jù)的相互傳輸，終端節(jié)點與終端節(jié)點之間不能傳輸數(shù)據(jù).網(wǎng)絡(luò)傳輸方式支持透明傳輸、點對點傳輸兩種.

傳輸時首先要確定接收端在哪里，接收節(jié)點的位置信息，接收節(jié)點要獲得接收的數(shù)據(jù)來自哪個節(jié)點所連的無人機，節(jié)點要首先判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送給該節(jié)點，如果確定“是”就接收，如果發(fā)現(xiàn)“否”就拒絕接收，所以本實驗涉及的數(shù)據(jù)傳輸主要是peer to peer傳輸.

點對點(peer to peer)數(shù)據(jù)傳輸有以下三種幀格式[13]：

① 完整包短地址尋址方式

指令格式：0xFD + 數(shù)據(jù)長度 + 目標(biāo)地址+數(shù)據(jù)，在接收端則要包括接收方收到發(fā)送端的全部數(shù)據(jù) + 來源地址；

② 短地址尋址方式

用ZigBee提供的短地址尋址，通過對發(fā)送方進行設(shè)置，接收方收到數(shù)據(jù)后，將包頭、包尾去掉；

③ 自定義地址尋址

該方式去掉包頭和包尾，用自定義地址尋址方式，通過對發(fā)送方進行設(shè)置，接收方收到數(shù)據(jù)后，將包頭、包尾去掉.

3 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

系統(tǒng)在一臺民用無人機和一臺地面計算機之間實現(xiàn)圖像的采集、分包、壓縮、無線傳輸、合包、解壓成圖顯示等關(guān)鍵技術(shù)，具有成本低、操作簡單等優(yōu)點，文件傳輸安全、穩(wěn)定和可靠性高等特點.

3.1 文件分包技術(shù)

無人機發(fā)送圖像時，對圖像文件進行壓縮，對壓縮后的文件計算其字節(jié)數(shù)，如果數(shù)據(jù)量沒有超過分包上限，就不用對數(shù)據(jù)進行分包直接發(fā)送，如果文件數(shù)據(jù)量大于分包的上限就要對數(shù)據(jù)進行分包.

文件分包步驟：

① 獲取文件的名稱，將文件名稱放在第一個包中進行傳輸，文件的名稱不要超過分包的上限也就是10 kbyte，告知接收端由發(fā)送端發(fā)送此名稱的文件.

② 根據(jù)實際情況將文件分包，分成10 kbyte字節(jié)一個數(shù)據(jù)分包，將分包的文件名改為<源文件名-分割后的序號i>.分包時依次循環(huán)分割獲取的圖像文件，直到滿足設(shè)定的文件大小要求，完成數(shù)據(jù)傳輸前文件預(yù)處理操作.分包完成之后通過串口依次對所分的數(shù)據(jù)分包進行壓縮處理，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進行傳輸.

圖像文件分包過程如圖3所示.

圖3 文件分包過程

3.2 停止等待協(xié)議

獲得的圖像文件進行分包完成操作后，對分包后的文件依次按順序進行傳輸，為了保證數(shù)據(jù)包文件傳輸?shù)恼_性，接收端計算機在接收到分包文件后須發(fā)送確認(rèn)報文，空中無人機端ZigBee協(xié)調(diào)器根據(jù)收到的確認(rèn)報文來判斷分包發(fā)送是否成功，以及判斷是否需要重新發(fā)送數(shù)據(jù)包，如果發(fā)送成功就繼續(xù)發(fā)送下一個分包并刪除剛才成功發(fā)送的數(shù)據(jù)包，如果發(fā)送失敗就重新發(fā)送剛才失敗的數(shù)據(jù)包，直到發(fā)送成功或達到所設(shè)置的上限[14].地面端計算機通過停止等待協(xié)議進行上述操作.

停止等待協(xié)議在分包的小文件經(jīng)過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇邮斩撕?，只有收到序號正確的確認(rèn)報文后，才發(fā)送新的數(shù)據(jù)包，否則重新發(fā)送剛才發(fā)送的數(shù)據(jù)包.序號為分包后“文件名”+“-”后的序號.如果發(fā)送端接收到連續(xù)相同序號的確認(rèn)報文，那么就表明接收端接收到了錯誤的分包.說明剛才發(fā)送端數(shù)據(jù)包不正確，可能是重復(fù)、錯序或者丟包，這時將剛才發(fā)送的數(shù)據(jù)包再次發(fā)送，直到收到序號正確的確認(rèn)報文.在實際應(yīng)用中，有時由于各種干擾，會多次傳輸失敗，多次請求重發(fā)，這種情況是不允許的，因此可以設(shè)置系統(tǒng)無限制的重傳重發(fā)的次數(shù)(文中將最大重新發(fā)送次數(shù)設(shè)定為3次)，防止無限制重發(fā)，造成系統(tǒng)出現(xiàn)崩潰的情況，如果出現(xiàn)超過規(guī)定的次數(shù)，則提示“文件發(fā)送失敗”告警，這樣就需要檢查錯誤的原因，排除錯誤后繼續(xù)傳送數(shù)據(jù).

3.3 接收端數(shù)據(jù)文件合并

分包后的圖像文件經(jīng)過停止等待協(xié)議按發(fā)送順序依次被接收端接收，接收端將接收的文件分包保存在計算機中指定的文件夾中，并將小文件合并為一個大文件，大文件以小文件名的“文件名”命名，每次成功合并后就將接收的新的文件分包刪除.將合并后的文件保存在計算機中的指定位置.依次循環(huán)來完成文件的合并，完成整個文件的接收[15].

4 實驗測試

實驗采用無人機型號為DJI Inspire V2.0，T600四旋翼飛行器，主要參數(shù)包括：最大飛行高度4 500 m，最大上升速度5 m·s-1，下降速度4 m·s-1，最大水平飛行速度22 m·s-1，最大俯仰角度35°，可承受最大風(fēng)力10 m·s-1，飛行時間約18 min.飛行器圖像傳感器：SONY EXMOR 1/2.3″，照片分辨率4 000×3 000 pixel.在計算機上安裝Visual Studio 2017軟件并配置Open CV模塊進行實驗測試.用RS232串口線將一個ZigBee通信模塊連接到接收端計算機上，如果測試的無人機與計算機相隔比較遠就需要設(shè)置路由節(jié)點，對發(fā)送的文件進行中繼；一個終端節(jié)點，一個中心節(jié)點就能完成系統(tǒng)測試.然后給ZigBee模塊上電，系統(tǒng)加電后，設(shè)置傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為星型網(wǎng)絡(luò)，完成實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸功能，在終端接收計算機上用上位機軟件實現(xiàn)接收數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)驗證、合包和解碼等操作，得到圖像的十六進制代碼，接收完數(shù)據(jù)后保存數(shù)據(jù)，如圖4所示.

圖4 收到的十六進制數(shù)據(jù)及圖像展示

單擊界面中的“展示”按鈕后，出現(xiàn)轉(zhuǎn)化后的實際圖像，實驗獲取的圖像像素數(shù)為339×272 pixel，圖像大小約92 kbyte，圖像清晰，效果良好.從圖4中可看出，在分辨率要求不高的情況下，獲取的圖片可以清晰判斷地面一般建筑物與構(gòu)筑物，滿足一般對地質(zhì)外形與地貌識讀要求.

5 結(jié) 論

文中在對地形地貌圖像特征研究的基礎(chǔ)上，通過對近距離無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸特點的比較，提出了一種基于ZigBee的無人機無線圖像傳輸系統(tǒng)，包括無人機圖像獲取部分、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分包與合包和壓縮與解壓等模塊，設(shè)計并實現(xiàn)了系統(tǒng)的硬件組成(下位機)、軟件設(shè)計(上位機)、數(shù)據(jù)傳輸關(guān)鍵技術(shù)及數(shù)據(jù)傳輸格式，并進行了實驗測試.測試結(jié)果表明，在小區(qū)域野外地質(zhì)普查測量中，可以得到較為清晰的照片，滿足初步了解地形地貌特征.系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)簡單、靈活，具有硬件成本低、軟件編程簡單等特點，有一定的應(yīng)用前景.受條件所限，對傳輸?shù)膶崟r性和安全性沒有進行設(shè)計與實現(xiàn)，在條件完善時將開展下一步工作.