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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸[1-3].但在一些偏遠(yuǎn)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(yuǎn)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(shí)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(dá)的險(xiǎn)要山區(qū)，通過無人機(jī)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(jìn)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(shí)延、低功耗、安全性及可靠性高和傳輸距離短等特點(diǎn)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(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以通過路由節(jié)點(diǎn)自動中轉(zhuǎn)終端節(jié)點(diǎn)傳過來的數(shù)據(jù)資料.ZigBee網(wǎng)絡(luò)可多達(dá)65 535個(gè)無線數(shù)傳模塊(節(jié)點(diǎn))組成的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺[6]，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75 m通過路由無限擴(kuò)展.通過一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(又稱協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn))即可自組織一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)形成后其他節(jié)點(diǎn)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(jī)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(jī)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(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像合包與人機(jī)交互界面的展示，無人機(jī)主要實(shí)現(xiàn)圖像的采集和發(fā)送.系統(tǒng)的路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)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(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)能力.

系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)加入時(shí)，協(xié)調(diào)器給加入的節(jié)點(diǎn)分配地址，節(jié)點(diǎn)、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(diǎn)就可進(jìn)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(jì)算機(jī)

地面計(jì)算機(jī)完成接收數(shù)據(jù)的處理、人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)字符到達(dá)；某一事件發(fā)生時(shí)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(shí)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(shí)，可靠性高，且每個(gè)MSComm控件對應(yīng)一個(gè)串口端口完成通信.

1.3 無人機(jī)系統(tǒng)

無人機(jī)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(diǎn)類型：ZigBee協(xié)調(diào)器(Coordinator)、路由節(jié)點(diǎn)(Router)和終端節(jié)點(diǎn)(EndDevice)，通過ZigBee Configuration界面對ZigBee模塊進(jìn)行節(jié)點(diǎn)功能配置，根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置設(shè)置成所需要的節(jié)點(diǎn)類型[8].其中終端節(jié)點(diǎn)與無人機(jī)通過RS232串口連接圖像采集設(shè)備，路由節(jié)點(diǎn)用來接收并中轉(zhuǎn)(如果距離較大)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，通常安裝在傳輸文件的地點(diǎn)的合適地方(可視區(qū)域)，該節(jié)點(diǎn)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(jì)算機(jī)連接，用來接收終端節(jié)點(diǎn)或者路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)，并通過RS232串口線傳送給地面計(jì)算機(jī)，無人機(jī)完成圖像數(shù)據(jù)采集、分包以及處理，接收端計(jì)算機(jī)完成圖像數(shù)據(jù)的解碼、合并等操作，通過上位機(jī)人機(jī)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(jì)

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(gè)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(jì)算機(jī)完成，采用VC++軟件，編寫程序?qū)邮盏臄?shù)據(jù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)傳輸，因此要對文件進(jìn)行分包操作.

實(shí)際應(yīng)用中如果設(shè)定的單個(gè)包文件越大，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間就越短，單個(gè)包文件越小，傳輸?shù)臅r(shí)間就越長.因此可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定包的大小，對實(shí)時(shí)性要求較高的場合，可以將包分的大一點(diǎn)，盡量減少分包與合包的次數(shù)，節(jié)省時(shí)間，對準(zhǔn)確性要求較高的情況下，可以將包分的小一點(diǎn)，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(jìn)行數(shù)據(jù)一致性檢驗(yàn)，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(jī)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(diǎn)模塊進(jìn)行傳輸，如果傳輸距離較大，可以增加中間的路由節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)首先通過終端節(jié)點(diǎn)傳送到路由節(jié)點(diǎn)或者中心節(jié)點(diǎn)(也可以稱為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器)，協(xié)調(diào)器將每一個(gè)分包數(shù)據(jù)接收后進(jìn)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(jì)算機(jī)上位機(jī)軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)的解碼、合并、存儲和圖像顯示等操作，完成整個(gè)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(jī)在開始發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先要在發(fā)送端對文件按照壓縮算法進(jìn)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(bào)文，否則就丟棄，丟棄后則需要給發(fā)送端發(fā)送重傳報(bào)文，讓發(fā)送端重傳剛才的分包.并將正確接收的分包進(jìn)行保存、解壓和合并，命名為“-”前的部分，將整個(gè)文件保存為jpg形式.在接收端計(jì)算機(jī)的上位機(jī)界面上可以顯示文件的接收進(jìn)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(jī)文件夾中找到保存的分包文件，可以對其進(jìn)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(diǎn)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(diǎn))數(shù)據(jù)的相互傳輸，終端節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)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(diǎn)對點(diǎn)傳輸兩種.

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

點(diǎn)對點(diǎn)(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(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)在一臺民用無人機(jī)和一臺地面計(jì)算機(jī)之間實(shí)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(diǎn)，文件傳輸安全、穩(wěn)定和可靠性高等特點(diǎn).

3.1 文件分包技術(shù)

無人機(jī)發(fā)送圖像時(shí)，對圖像文件進(jìn)行壓縮，對壓縮后的文件計(jì)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(jìn)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(jìn)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(gè)包中進(jìn)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(shí)際情況將文件分包，分成10 kbyte字節(jié)一個(gè)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(shí)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(jìn)行壓縮處理，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(jìn)行分包完成操作后，對分包后的文件依次按順序進(jìn)行傳輸，為了保證數(shù)據(jù)包文件傳輸?shù)恼_性，接收端計(jì)算機(jī)在接收到分包文件后須發(fā)送確認(rèn)報(bào)文，空中無人機(jī)端ZigBee協(xié)調(diào)器根據(jù)收到的確認(rèn)報(bào)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(gè)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(dá)到所設(shè)置的上限[14].地面端計(jì)算機(jī)通過停止等待協(xié)議進(jìn)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(bào)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(bào)文，那么就表明接收端接收到了錯(cuò)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(cuò)序或者丟包，這時(shí)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(bào)文.在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)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(cuò)誤的原因，排除錯(cuò)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(jì)算機(jī)中指定的文件夾中，并將小文件合并為一個(gè)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(jì)算機(jī)中的指定位置.依次循環(huán)來完成文件的合并，完成整個(gè)文件的接收[15].

4 實(shí)驗(yàn)測試

實(shí)驗(yàn)采用無人機(jī)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(shí)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(jì)算機(jī)上安裝Visual Studio 2017軟件并配置Open CV模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試.用RS232串口線將一個(gè)ZigBee通信模塊連接到接收端計(jì)算機(jī)上，如果測試的無人機(jī)與計(jì)算機(jī)相隔比較遠(yuǎn)就需要設(shè)置路由節(jié)點(diǎn)，對發(fā)送的文件進(jìn)行中繼；一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型網(wǎng)絡(luò)，完成實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸功能，在終端接收計(jì)算機(jī)上用上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證、合包和解碼等操作，得到圖像的十六進(jìn)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(jìn)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(shí)際圖像，實(shí)驗(yàn)獲取的圖像像素?cái)?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(diǎn)的比較，提出了一種基于ZigBee的無人機(jī)無線圖像傳輸系統(tǒng)，包括無人機(jī)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(jì)并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的硬件組成(下位機(jī))、軟件設(shè)計(jì)(上位機(jī))、數(shù)據(jù)傳輸關(guān)鍵技術(shù)及數(shù)據(jù)傳輸格式，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，有一定的應(yīng)用前景.受條件所限，對傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和安全性沒有進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在條件完善時(shí)將開展下一步工作.