基于智能手機和無人機的應(yīng)急通信技術(shù)研究

韓林

（北京消防救援總隊海淀支隊，北京 100192）

一、無人機技術(shù)概述

無人機是在沒有機組人員協(xié)助的情況下自主飛行的，通?？s寫為UAV。相對于受控飛行，該信號由內(nèi)置微控制器接收和處理，該微控制器將相應(yīng)的信號傳輸?shù)诫娮影l(fā)動機速度調(diào)節(jié)器。在自主飛行的情況下，信號由連接到無人機的傳感器接收，并由微控制器處理，然后將所需的信號指令發(fā)送到電子發(fā)動機速度調(diào)節(jié)器。雖然每架無人機都有不同的設(shè)計，但它們都遵循相似的機理模式。無人機飛行所需的基本組件是微控制器、電子速度控制器（ESC）和電動機以及其他設(shè)備例如傳感器、天線和GPS 和包含其他特定功能的器件。無人機的核心控制器件是一個微控制器，可處理輸入信號并發(fā)送適當?shù)男盘栕鳛檩敵?，以維持和控制飛行。

2015 年，約400 家無人機制造商出口了890000 臺消費級多旋翼無人機，占世界總產(chǎn)量的70%。多旋翼無人機的飛速發(fā)展歸因于其技術(shù)門檻低和價格低廉，并且多旋翼無人機不需要專用平臺且具有出色的控制參數(shù)和垂直起降期間的便捷操控性能。

二、無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)簡述

Wireless Mesh Network（WMN）標準下的IEEE802.11是無線節(jié)點的新興通信網(wǎng)絡(luò)。WMN 基于Adhoc 網(wǎng)絡(luò)、Adhoc 網(wǎng)絡(luò)自組織、自動配置、多跳和強大的連接性而發(fā)展，同時可以提供比Adhoc 網(wǎng)絡(luò)更多的帶寬訪問節(jié)點，并優(yōu)化資源分配和利用效率，被公認為最具成本效益的寬帶接入解決方案。另外，無線網(wǎng)絡(luò)被定義為半靜態(tài)多跳網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點通常缺乏移動性，這是與Adhoc 移動網(wǎng)絡(luò)的最大區(qū)別。因此，WMN 可以提供比Adhoc 網(wǎng)絡(luò)更強大、更穩(wěn)定的連接性。

作為傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)的一項歷史性創(chuàng)新，WMN 將用作“熱點”的無線局域網(wǎng)擴展到支持“熱點”的WLAN，從而減少了對有線網(wǎng)絡(luò)的需求。WMN 與傳統(tǒng)單跳網(wǎng)絡(luò)之間最根本的區(qū)別在于，無線MESH 網(wǎng)絡(luò)中的接入點不僅可以提供用戶訪問功能，而且還可以傳輸路由信息和用戶數(shù)據(jù)。多個無線訪問點形成MESH 拓撲，數(shù)據(jù)從一個無線訪問點傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中的第二個無線訪問點，最后通過連接到有線網(wǎng)絡(luò)的訪問點傳輸?shù)骄W(wǎng)上。無線MESH 網(wǎng)絡(luò)的客戶端通常是個人計算機、智能手機、PDA 和其他無線設(shè)備。MESH 路由器將通信數(shù)據(jù)傳遞到網(wǎng)關(guān)以提供互聯(lián)網(wǎng)訪問。作為單個網(wǎng)絡(luò)運行的無線節(jié)點的覆蓋區(qū)域有時稱為MESH 云。對該MESH 云的訪問取決于一起工作以形成無線網(wǎng)絡(luò)的無線節(jié)點。MESH 網(wǎng)絡(luò)通過冗余提供了可靠的網(wǎng)絡(luò)。如果該節(jié)點不再運行，則其他節(jié)點仍可以彼此通信，也可以通過一個或多個節(jié)點通信?？梢允褂酶鞣N無線技術(shù)（蜂窩技術(shù)或多種類型的組合）來實現(xiàn)無線MESH 網(wǎng)絡(luò)。無線MESH 網(wǎng)絡(luò)支持更多的自定義配置項，可以部署在特定的地理區(qū)域以實現(xiàn)動態(tài)和更有效的連接，并且可以自我修復(fù)。

三、基于智能手機和無人機的應(yīng)急通信技術(shù)應(yīng)用

救援網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)，首先應(yīng)指定必要提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的Wireless Mesh 路由器和無人機設(shè)備，用戶需要至少啟用了一個Wireless Mesh的設(shè)備才能連接到網(wǎng)絡(luò)。災(zāi)難發(fā)生后，傳統(tǒng)的交通工具無法到達災(zāi)區(qū)。在災(zāi)難開始時，有兩種部署無線MESH路由器的方法。一種是當應(yīng)急人員使用直升機將無線MESH 路由器放到他們指定的位置時。合理地包裝無線MESH 路由器或組裝一個小型降落傘，以確保無線MESH 路由器掉落到地面時不會損壞，并且在著陸時會自動打開。Mesh 無線路由器配備鋰電池，也可以安裝太陽能電池板以確保更長的電池壽命，應(yīng)根據(jù)該區(qū)域的救援時間確定鋰電池的存儲容量；另一種方法是使用小型無人機進行固定交付。這種方法的優(yōu)勢在于它可以確保準確的傳遞并記錄每個無線MESH 路由器的確切位置，而無須救援人員現(xiàn)場偵測，可以有效地節(jié)省成本，并且效率更高。

與民用無人機相比，救生無人機的抗風性、穩(wěn)定性和耐用性的標準應(yīng)相應(yīng)提高。在部署了無線MESH 路由器之后，這些無人機可以飛到預(yù)定位置與地面MESH 無線路由設(shè)備建立通信。這意味著盡管事故發(fā)生后不允許救援人員和大型救援設(shè)備率先進入災(zāi)區(qū)進行救援，但使用無人機或直升機部署這些通信節(jié)點沒有問題，這些無人機具有自己的定位設(shè)備，可以實現(xiàn)準確的投放，這些技術(shù)已經(jīng)非常成熟，建立救援網(wǎng)絡(luò)的物質(zhì)和技術(shù)條件表明這是可行的。

在部署地面MESH 設(shè)備和空中無人機網(wǎng)絡(luò)的過程中，MESH 地面設(shè)備一旦處于工作狀態(tài)，便開始搜索周圍的無線設(shè)備。通過廣播請求連接的802.11MAC 幀來完成此過程。如果任何其他無線設(shè)備接收到無線傳輸范圍內(nèi)的幀，則它將響應(yīng)幀發(fā)送到該設(shè)備。請求幀的目標地址是廣播所在地址，響應(yīng)幀的目標地址是發(fā)送者的MAC 地址。當兩個設(shè)備配對時，它們會相互報告其RID 和IP 地址及地理信息，并在本地存儲其RID、IP 地址、MAC 地址和地理信息，以與地面無線MESH 網(wǎng)絡(luò)相同的方式構(gòu)建無線航空網(wǎng)絡(luò)，與無線地面設(shè)備建立連接。在有數(shù)據(jù)發(fā)送時將路由信息本地保存到鄰節(jié)點，然后根據(jù)路由協(xié)議確定下一地址并同時保存路由信息，每個節(jié)點定期更新鄰節(jié)點的連通性。當重新發(fā)送到同一目標節(jié)點失敗時，將從該節(jié)點的路由表中刪除到目標節(jié)點的路由。無人機或緊急通信車輛可以通過災(zāi)區(qū)的無線設(shè)備建立到達遠端的路線時，基站連接形成可以在災(zāi)區(qū)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的無線網(wǎng)絡(luò)。至此，救援網(wǎng)絡(luò)的實施已經(jīng)完成。

四、結(jié)語

為應(yīng)對地震后災(zāi)區(qū)通信中斷、救援人員無法及時獲取災(zāi)區(qū)信息的問題，本文建議使用智能手機作為無線收發(fā)工具，在災(zāi)區(qū)建立MESH 網(wǎng)絡(luò)，并以分布式方式偵查災(zāi)情并在每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上共享信息。這是于應(yīng)對突發(fā)性公共事件、保護人民的生命安全的重要應(yīng)急措施。