T H Nasution, I Siregar, M Yasir - Телеметрическая связь БПЛА с использованием протокола ZigBee

Автор перевода: А.В. Рычковский
Источник (англ): http://iopscience.iop.org/

Аннотация

T H Nasution, I Siregar, M Yasir - Телеметрическая связь БПЛА с использованием протокола ZigBee Беспроводная связь широко используется в различных областях и дисциплинах, таких как сельское хозяйство, здравоохранение, машиностроение, военная и аэрокосмическая промышленность. Коммуникационная технология обычно используется для управления устройствами и мониторинга данных. Одним из направлений развития беспроводной связи является широко используемая телеметрическая система, используемая для достижения областей, которые не могут быть достигнуты людьми, использующими беспилотные летательные аппараты (БПЛА). В этой статье мы обсудим строение телеметрической системы в БПЛА с использованием протокола ZigBee. Из полученного теста система может хорошо работать с дисплеями визуализации без паузы – с максимальной длиной данных 120 символов.

1. Введение

С развитием времени и технологических потребностей необходимость быстрой информации в различных областях возросла: сельское хозяйство, промышленность, медицинские, метеорологические станции и отдаленные районы [1]. Эта технология обычно используется для управления устройствами и мониторинга данных [2]. Однако при мониторинге и измерении не все условия могут выполняться непосредственно из-за географических и дистанционных факторов, это может препятствовать данным. Ограничения на эти измерения можно преодолеть с помощью дистанционного метода измерения (телеметрии) с использованием БПЛА [3,4]. Телеметрический процесс – это измерение параметров объекта (объектов, пространства, естественных условий), результаты измерений которого будут отправляться в другое месте либо по кабелю, либо по беспроводной сети [5,6]. Телеметрическая связь БПЛА осуществляется беспроводным способом.

Ранее было проведено несколько исследований по телеметрии БПЛА. Некоторые исследователи обсудили модель коммуникационных или передающих сред [7,8]. Также было проведено исследование модели телеметрии БПЛА для мониторинга [9]. Некоторые из них обсудили использование телеметрии в БПЛА для наблюдения за зоной бедствия [10]. Эти исследования продолжают расти вместе с развитием технологий беспроводной связи.

В отличие от предыдущих исследований, в этой статье мы разработали систему телеметрической связи в БПЛА с использованием протокола ZigBee. Zigbee широко используется для беспроводных технологий, поскольку имеет множество преимуществ, включая сверхнизкое энергопотребление, низкую стоимость и удобство проектирования [11]. Протокол ZigBee используется для беспроводной связи для достижения высокой интеграции, применимости и переносимости [12]. Система состоит из GCS (наземной станции управления), которая будет взаимодействовать с БПЛА. Интерфейс GCS построен с использованием Microsoft Visual Studio с языком C#, запущенным на компьютере и подключенным к БПЛА беспроводным способом с помощью RF-трансивера XBee Pro 2,4 ГГц. GCS может отображать визуализацию параметров полета БПЛА с помощью приборной панели, которая отображает воздушную скорость, курс (рыскание), поворот и шаг и рулон, барометрическую высоту, поворот и скорость, а также скорость набора высоты по данным, полученным от датчиков IMU10ODF, а также данные от GPS.

2. Материалы и методы

В этом исследовании функциональность созданной системы сфокусирована на работе системы телеметрии данных. Для поддержки максимальной телеметрической системы требуется функция радиолокационных данных, радиочастотные устройства, антенна дальнего радиуса и ГКС. В качестве радиочастотного устройства используется модуль XBee (ZigBee), а используемая антенна – антенна Яги 2,4 ГГц. Требуемое устройство GCS имеет следующие характеристики:

визуальная панель приборов с основными инструментами полета, такими как указатель высоты, индикатор воздушной скорости, искусственный горизонт, индикатор вертикальной скорости (скорость набора высоты), индикатор ориентации/искусственный горизонт, индикатор направления (индикатор компаса/заголовка) и статус блокировки GPS;
управляйте двигателем в БПЛА.

Система GCS состоит из двух основных компонентов аппаратного и программного обеспечения. Аппаратная часть GCS служит для захвата данных, отправленных БПЛА через радиопередатчик (ZigBee), и преобразования в формы данных, которые могут обрабатываться программным обеспечением. В дополнение к обработке данных, полученных телеметрией для визуализации, программное обеспечение также служит для хранения и обеспечения обратной связи в виде команд, таких как включение, выключение и активация передачи данных.

2.1. XBee Pro

XBee Pro – это модуль, который позволяет Arduino Uno осуществлять беспроводную связь с использованием протокола ZigBee. ZigBee работает с использованием спецификаций IEEE 802.15.4, работающих на частотах 2,4 ГГц, 900 и 868 МГц. XBee Pro можно использовать вместо последовательного кабеля. Ожидается, что XBee Pro снизит затраты и станет маломощным подключением к оборудованию, в котором батареи должны жить от нескольких месяцев до нескольких лет, но не требуют высоких скоростей передачи данных. XBee Pro обеспечивает беспроводную связь в пределах до 100 метров внутри и 1500 метров на открытом воздухе. В этом случае мы используем радиомодуль XBee S2Pro, как показано на рисунке 1.

Рис. 1 – XBee S2Pro

Системы удаленного мониторинга и измерения состоят из двух модулей XBee Pro, ранее запрограммированных как приемник-передатчик и передатчики [13]. Существует несколько топологических форм, которые обычно используются, среди прочих, топология сетки, одноранговые сети, звезды и деревья кластера. Топология в сети XBee Pro Топология – это простая сеть, использующая только два XBee или узла. Один узел должен быть координатором, чтобы сеть могла быть установлена. А другой настроен как маршрутизатор или конечное устройство. Мы используем приложение XCTU для настройки обоих модулей.

2.2. Датчик IMU 10 DOF

Модуль датчика IMF (модуль измерения инерциального измерения) 10 DOF gy-80 состоит из 4 датчиков, а именно 3 оси гироскопа, 3 аксиометра оси, 3-осного магнитометра и барометра, как показано на рисунке 3. Все датчики обмениваются данными по протоколу шины I2C, поэтому занимает 4 вывода:

GND – заземление;
Напряжение питания или напряжения источника питания от +3,5 В до +5 В;
3SCL для часов I2C$
SDA для данных I2C.

Рис. 2 – Датчик IMU 10 DOF

Чтобы удовлетворить потребностям в соответствии с требованиями, программный интерфейс предназначен для использования в нескольких частях. График скорости времени отображает ускорение БПЛА для контроля стабильности полета. График высоты времени предназначен для отображения вертикальной скорости объекта. Двигатель – это функция, которая работает как ON, Fire, Stop/Parachute. Пока будут отображаться данные, отправленные датчиками и GPS.

Как и планировалось, программное обеспечение, которое также является графическим пользовательским интерфейсом с БПЛА, разрабатывается с использованием языка C# в программном обеспечении Microsoft Visual Studio 2010 Ultimate, лицензированном бесплатно от MSDNAA.

В дополнение к визуальному визуальному отображению визуальной панели приборов также отображаются численные данные параметров полета, полученные из IMU10ODF. Отображается отображение данных IMU10DOF, расположенных под панелью визуального управления.

3. Результаты и обсуждения

Функциональные результаты испытаний всех инструментов и визуализации на интерфейсе GCS могут хорошо реагировать на весь спектр данных, предоставляемых через последовательный порт. Максимальная скорость передачи данных, которая может быть обработана составляет 20 данных в секунду с максимальной длиной данных 120 символов.

Когда тестирование получено, вычисление среднего количества входящих данных каждую секунду составляет 8 данных с шириной данных 90-120 символов. Для изменения данных дается обработка датчиков в модуле IMU10DOF, чтобы увидеть ответ. Вариации переменных данных ориентации определяются путем изменения положения датчика IMU Razor 9 DOF, подключенного к IMU10DOF.

4. Вывод

Из проведенных тестов система может работать как ожидалось. GCS может связываться с БПЛА, получая данные, полученные от датчиков IMU10DOF. Система может работать, отображая данные на интерфейсе GCS данными в секунду с максимальной длиной данных 120 символов. Из этих результатов можно сделать вывод, что протокол ZigBee может использоваться для телеметрии в БПЛА.

Список использованной литературы

[1] R. Rahmat, M. Syahputra, and M. Lydia, "Real Time Monitoring System for Water Pollution in Lake Toba," in 2016 International Conference on Informatics and Computing (ICIC), Mataram, 2016, pp. 383-388.

[2] T. H. Nasution et al., "Electrical appliances control prototype by using GSM module and Arduino," in 2017 4th International Conference on Industrial Engineering and Applications (ICIEA), Nagoya, 2017, pp. 355-358.

[3] T. Raj and F. H. Hashim, "Development of an autonomous flight controller circuit with real time data transmission," in 2016 International Conference on Advances in Electrical, Electronic and Systems Engineering (ICAEES), Putrajaya, 2016, pp. 115-119.

[4] J. A. Alfredsen, T. A. Johansen and K. R. SkOien A. Zolich, "A communication bridge between underwater sensors and unmanned vehicles using a surface wireless sensor network - design and validation," in OCEANS 2016, Shanghai, 2016, pp. 1-9.

[5] S. Ponomarev and T. Atkison, "Industrial Control System Network Intrusion Detection by Telemetry Analysis," IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing, vol. 13, no. 2, pp. 252-260, March 2016.

[6] Komkrit Chooruang and Pongpat Mangkalakeeree, "Wireless Heart Rate Monitoring System Using MQTT," Procedia Computer Science, vol. 86, pp. 160-163, March 2016.

[7] Li Bing, "Study on Modeling of Communication Channel of UAV," Procedia Computer Science, vol. 107, pp. 550-557, January 2017.

[8] M. Rice, M. S. Afran, and M. Saquib, "Equalization in aeronautical telemetry using multiple transmit antennas," IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 51, no. 3, pp. 2148-2165, July 2015.

[9] M. Satrio, A. A. Rafsanjani and R. R. T. Sadewo G. Nugroho, "Avionic system design Unmanned Aerial Vehicle for disaster area monitoring," in 015 International Conference on Advanced Mechatronics, Intelligent Manufacture, and Industrial Automation (ICAMIMIA), Surabaya, 2015, pp. 198-201.

[10] J. Tristancho, C. Barrado, S. P. Mansilla, and E. Pastor, "A telemetry modeling for intelligent UAV monitoring," in 2009 IEEE/AIAA 28th Digital Avionics Systems Conference, Orlando, 2009, pp. 7.C.1-1-7.C.1-4.

[11] K. L. Chen, Y. R. Chen, Y. P. Tsai, and N. Chen, "A Novel Wireless Multifunctional Electronic Current Transformer Based on ZigBee-Based Communication," IEEE Transactions on Smart Grid, vol. 8, no. 4, pp. 1888-1897, July 2017.

[12] L. H. Wang, T. Y. Chen, K. H. Lin, Q. Fang, and S. Y. Lee, "Implementation of a Wireless ECG Acquisition SoC for IEEE 802.15.4 (ZigBee) Applications," IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics, vol. 19, no. 1, pp. 247-255, January 2015.

[13] J. C. Chou et al., "Wireless Sensing System for Flexible Arrayed Potentiometric Sensor Based on XBee Module," IEEE Sensors Journal, vol. 16, no. 14, pp. 5588-5595, July 2016.