无人机收集802.15.4物联网数据

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#物联网 #802.15.4 #无人机系统 #传感器网络 #无线网络

海报：使用无人航空系统从室外物联网802.15.4 传感器网络进行数据收集

CCS概念

网络 → 网络测量; 网络实验; 局域网;
计算机系统结构 → 传感器网络;
应用计算 → 环境科学; 农业.

关键词

物联网，802.15.4，无人机系统，无人机，无人机，传感器网络，无线网络，空中网络，实验测量

ACM引用格式

瑞安·艾伦、迈克尔·内克拉索夫和伊丽莎白·贝尔丁。2019年。海报：使用无人航空系统从室外物联网802.15.4传感器网络收集数据。收录于第17届国际移动系统、应用与服务年会（MobiSys ‘19），2019年6月17日至21日，韩国首尔。ACM，美国纽约州纽约市，2页。
https://doi.org/10.1145/3307334.3328627

1 引言

无人机系统（UAS）是用于从户外传感器网络进行数据收集的一项有前景的技术。由于农村地区人口密度低，环境和农业网络可能缺乏现有的互联网回传链路来传输数据，这使得无人机系统（UAS）成为一种潜在的数据传输替代方案。无人机系统（UAS）可作为空中网络中继节点[4, 12, 14, 19]或作为数据骡子[10, 15]部署。除了修复网络碎片化问题外，无人机系统的应用还包括在通信基础设施失效情况下的灾后数据收集[1, 5, 6]、为车联网补充现有通信基础设施[7]，以及在环境监测[9, 18]和精准农业[8, 17]中的农村应用。

尽管地面802.15.4网络的性能已被充分了解，但在三维空间中的通信带来了额外的挑战。与静止或移动缓慢的地面网络节点相比，无人机具有高度移动性，导致诸如802.11[2]等协议性能较差。此外，由于消费级全向天线具有环形辐射模式，天线方向会对802.11和802.15.4[3, 11]中的信号质量产生显著影响。

我们介绍了当前关于使用2.4GHz 802.15.4进行无人机系统数据收集的研究工作。与以往研究不同，我们通过一个物理的空中实验平台，在三维空间中利用高度灵活的无人机系统来研究地面与空中之间的交互。我们探讨了影响基于无人机系统的数据收集的各种因素，以及基于无人机系统的物联网网络管理的应用。

2 优化地面‐空中数据收集

方法

我们的实验数据通过使用六个 Digi XBee3 RF 2.4GHz 收发器（采用 802.15.4）收集。其中四个 XBee 无线电设备作为物联网发射器，每 500 毫秒发送一次数据包，并部署在不同的实验条件下：（1）平放在地面上；（2）竖立在地面上；（3）安装在距地面 0.5 米的高度；（4）覆盖在一夸脱的碎屑下。我们的无人机系统（UAS）为 DJI Matrice 100，配备了两个配置为接收器的 XBee，其中一个与地面平行放置，另一个垂直于地面。

无人机系统沿直线飞行，大致经过发射器上方，平均速度为每小时五英里。每次飞行在两个方向上距离最近的发射器的总水平距离达到 250–300米，每次试验包含 13个高度：30英尺、40 英尺、50英尺、60英尺、70英尺、80英尺、90英尺、100英尺、150英尺、200英尺、250英尺、300英尺和 400英尺。

我们目前的工作包括九小时的采集数据，总计121,503个接收数据包，仅包含每次飞行的实验部分。我们研究了高度、天线方向、遮挡和天线仰角对信号强度和丢包率的影响。

示意图0

性能指标

我们的测量结果表明，聚合RSSI并不能很好地反映整体网络质量，而数据包接收率则能更好地体现网络性能。这是因为在低RSSI区域存在接收缺失的情况。丢失的数据包应对链路质量产生负面影响，但它对RSSI没有影响。这一点在图1中有所体现，所有收发器方向组合的RSSI指标非常相似，但数据包接收率却存在显著差异。因此，RSSI在连通性较低的区域缺乏代表性，可能对整体网络质量产生误导。