基于智能手機(jī)和無(wú)人機(jī)的應(yīng)急通信技術(shù)研究

韓林

（北京消防救援總隊(duì)海淀支隊(duì)，北京 100192）

一、無(wú)人機(jī)技術(shù)概述

無(wú)人機(jī)是在沒有機(jī)組人員協(xié)助的情況下自主飛行的，通?？s寫為UAV。相對(duì)于受控飛行，該信號(hào)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(hào)傳輸?shù)诫娮影l(fā)動(dòng)機(jī)速度調(diào)節(jié)器。在自主飛行的情況下，信號(hào)由連接到無(wú)人機(jī)的傳感器接收，并由微控制器處理，然后將所需的信號(hào)指令發(fā)送到電子發(fā)動(dòng)機(jī)速度調(diào)節(jié)器。雖然每架無(wú)人機(jī)都有不同的設(shè)計(jì)，但它們都遵循相似的機(jī)理模式。無(wú)人機(jī)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(dòng)機(jī)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(wú)人機(jī)的核心控制器件是一個(gè)微控制器，可處理輸入信號(hào)并發(fā)送適當(dāng)?shù)男盘?hào)作為輸出，以維持和控制飛行。

2015 年，約400 家無(wú)人機(jī)制造商出口了890000 臺(tái)消費(fèi)級(jí)多旋翼無(wú)人機(jī)，占世界總產(chǎn)量的70%。多旋翼無(wú)人機(jī)的飛速發(fā)展歸因于其技術(shù)門檻低和價(jià)格低廉，并且多旋翼無(wú)人機(jī)不需要專用平臺(tái)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(wú)線Mesh 網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)述

Wireless Mesh Network（WMN）標(biāo)準(zhǔn)下的IEEE802.11是無(wú)線節(jié)點(diǎn)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(dòng)配置、多跳和強(qiáng)大的連接性而發(fā)展，同時(shí)可以提供比Adhoc 網(wǎng)絡(luò)更多的帶寬訪問節(jié)點(diǎn)，并優(yōu)化資源分配和利用效率，被公認(rèn)為最具成本效益的寬帶接入解決方案。另外，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)被定義為半靜態(tài)多跳網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通常缺乏移動(dòng)性，這是與Adhoc 移動(dòng)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(qiáng)大、更穩(wěn)定的連接性。

作為傳統(tǒng)無(wú)線局域網(wǎng)的一項(xiàng)歷史性創(chuàng)新，WMN 將用作“熱點(diǎn)”的無(wú)線局域網(wǎng)擴(kuò)展到支持“熱點(diǎn)”的WLAN，從而減少了對(duì)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(wú)線MESH 網(wǎng)絡(luò)中的接入點(diǎn)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(gè)無(wú)線訪問點(diǎn)形成MESH 拓?fù)洌瑪?shù)據(jù)從一個(gè)無(wú)線訪問點(diǎn)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中的第二個(gè)無(wú)線訪問點(diǎn)，最后通過(guò)連接到有線網(wǎng)絡(luò)的訪問點(diǎn)傳輸?shù)骄W(wǎng)上。無(wú)線MESH 網(wǎng)絡(luò)的客戶端通常是個(gè)人計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)、PDA 和其他無(wú)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(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的無(wú)線節(jié)點(diǎn)的覆蓋區(qū)域有時(shí)稱為MESH 云。對(duì)該MESH 云的訪問取決于一起工作以形成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線節(jié)點(diǎn)。MESH 網(wǎng)絡(luò)通過(guò)冗余提供了可靠的網(wǎng)絡(luò)。如果該節(jié)點(diǎn)不再運(yùn)行，則其他節(jié)點(diǎn)仍可以彼此通信，也可以通過(guò)一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)通信。可以使用各種無(wú)線技術(shù)（蜂窩技術(shù)或多種類型的組合）來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線MESH 網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線MESH 網(wǎng)絡(luò)支持更多的自定義配置項(xiàng)，可以部署在特定的地理區(qū)域以實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(jī)和無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)設(shè)備，用戶需要至少啟用了一個(gè)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(wú)法到達(dá)災(zāi)區(qū)。在災(zāi)難開始時(shí)，有兩種部署無(wú)線MESH路由器的方法。一種是當(dāng)應(yīng)急人員使用直升機(jī)將無(wú)線MESH 路由器放到他們指定的位置時(shí)。合理地包裝無(wú)線MESH 路由器或組裝一個(gè)小型降落傘，以確保無(wú)線MESH 路由器掉落到地面時(shí)不會(huì)損壞，并且在著陸時(shí)會(huì)自動(dòng)打開。Mesh 無(wú)線路由器配備鋰電池，也可以安裝太陽(yáng)能電池板以確保更長(zhǎng)的電池壽命，應(yīng)根據(jù)該區(qū)域的救援時(shí)間確定鋰電池的存儲(chǔ)容量；另一種方法是使用小型無(wú)人機(jī)進(jìn)行固定交付。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于它可以確保準(zhǔn)確的傳遞并記錄每個(gè)無(wú)線MESH 路由器的確切位置，而無(wú)須救援人員現(xiàn)場(chǎng)偵測(cè)，可以有效地節(jié)省成本，并且效率更高。

與民用無(wú)人機(jī)相比，救生無(wú)人機(jī)的抗風(fēng)性、穩(wěn)定性和耐用性的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)相應(yīng)提高。在部署了無(wú)線MESH 路由器之后，這些無(wú)人機(jī)可以飛到預(yù)定位置與地面MESH 無(wú)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(jìn)入災(zāi)區(qū)進(jìn)行救援，但使用無(wú)人機(jī)或直升機(jī)部署這些通信節(jié)點(diǎn)沒有問題，這些無(wú)人機(jī)具有自己的定位設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)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(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的過(guò)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(wú)線設(shè)備。通過(guò)廣播請(qǐng)求連接的802.11MAC 幀來(lái)完成此過(guò)程。如果任何其他無(wú)線設(shè)備接收到無(wú)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(qǐng)求幀的目標(biāo)地址是廣播所在地址，響應(yīng)幀的目標(biāo)地址是發(fā)送者的MAC 地址。當(dāng)兩個(gè)設(shè)備配對(duì)時(shí)，它們會(huì)相互報(bào)告其RID 和IP 地址及地理信息，并在本地存儲(chǔ)其RID、IP 地址、MAC 地址和地理信息，以與地面無(wú)線MESH 網(wǎng)絡(luò)相同的方式構(gòu)建無(wú)線航空網(wǎng)絡(luò)，與無(wú)線地面設(shè)備建立連接。在有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)將路由信息本地保存到鄰節(jié)點(diǎn)，然后根據(jù)路由協(xié)議確定下一地址并同時(shí)保存路由信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)定期更新鄰節(jié)點(diǎn)的連通性。當(dāng)重新發(fā)送到同一目標(biāo)節(jié)點(diǎn)失敗時(shí)，將從該節(jié)點(diǎn)的路由表中刪除到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由。無(wú)人機(jī)或緊急通信車輛可以通過(guò)災(zāi)區(qū)的無(wú)線設(shè)備建立到達(dá)遠(yuǎn)端的路線時(shí)，基站連接形成可以在災(zāi)區(qū)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。至此，救援網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施已經(jīng)完成。

四、結(jié)語(yǔ)

為應(yīng)對(duì)地震后災(zāi)區(qū)通信中斷、救援人員無(wú)法及時(shí)獲取災(zāi)區(qū)信息的問題，本文建議使用智能手機(jī)作為無(wú)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(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上共享信息。這是于應(yīng)對(duì)突發(fā)性公共事件、保護(hù)人民的生命安全的重要應(yīng)急措施。