使用Web的Web概念将UVS集成到云中

抽象的

无人机，无人驾驶航空公司最近在越来越大的应用范围内得到了重大关注。大多数无人机使用射频传输与地面站通信以接收命令并发送数据。然而，这种通信模式将用户限制在特定位置并限制任务到狭窄的区域。本文提出了一个云计算（CC）集成，其中无人机成为云基础架构的一部分，可以普遍存在。这个概念类似于智能对象连接到因特网的物联网（物联网），并获得唯一的识别。此外，为了提供适当的通信方式，UAV资源被开发为Web服务。它们通过使用RESTFUL HTTP架构通过统一界面提供资源和服务。这个概念与东西网（WOT）相关的东西，它提供智能对象，其中包含通过万维网（www）访问的接口。但是，在无人机中，不仅Web服务是计算服务，而且它们也是影响和受到现实世界环境影响的物理元素。

1.介绍

无人驾驶飞行器（无人机），没有人类飞行员的飞机迅速发展。它们不仅用于军事代表团，还用于公民申请。在农业，搜索和救援，安全和监测，环境监测，大型基础设施监测和地形映射等许多应用中，无人机可以非常有用。一些UAV应用程序涉及多个无人机，共同努力快速实现特定任务。但是，建立有效和同时运行多个无人机的应用程序并为某个问题区域利用它们需要大量的设计，开发和测试中的人数小时[1］．这主要是由于缺乏可以利用的技术来有效地协调运营并促进多个无人机的合作。

由于它们需要依赖某种形式的无线电频率通信，无人机应用程序需要在它们之间以及与地面站之间建立直接联系。这些通信链路可以是点对点无线链路，也可以是通过其他中间节点(如其他无人机或地面通信站)的多跳无线链路[2］．然而，该对等通信的对等体不适合许多无人机动态分布式和异构环境。它将地面站的位置限制在特派团的位置，并且需要无人机在地面站或可用通信中心的直接视线中，以维持通信和控制。此外，UAV应用程序的控制和监控变得更加复杂，并限于UAV连接到的特定设备。

我们的方法将无人机与CC范例集成在一起。CC不仅适用于计算机和移动设备，还被扩展，但也可以用于嵌入式系统[3.］．智能对象（如传感器，执行器和嵌入式设备）通过IOT架构连接到Internet [4］．物联网的主要重点是在智能物体和互联网之间建立网络连接。而物联网(WoT)则是在网络之上构建应用层[5]，因此，网络工具和协议可用于开发这些对象并与之交互。类似地，无人机拥有符合物联网和WoT概念的嵌入式系统，这样它们可以连接到互联网，通过网络访问和监控。例如，客户端应用程序可以通过web浏览器监视任务进展以及每架无人机的状态和位置。此外，它允许使用web服务请求访问无人机的资源，如摄像机、传感器和执行器。

本文继续我们以前的工作[6]，我们提出了通过CC的协作无人机的一般框架。无人机将其作为云服务访问和请求的服务作为服务。在这里，我们专注于监控无人机的自主无人机资源。本文的主要贡献如下：（一世）将UVS连接到Internet，成为WOT概念后云基础架构的一部分。（ii）通过RESTful Web服务器的统一界面提供UVS资源和功能。(3)指定服务器端和将UVS集成到云的客户端角色。

本文的结构如下。部分2提供了早期将无人机集成到云以及关于物联网和坦克世界的背景信息。部分3.介绍了以资源为导向的架构（ROA），描述了无人机资源和服务，并呈现用于UAVS资源接口的RESTful架构。部分4描述了与云和客户端 - 服务器Web架构的UVS集成。将无人机集成到云端的机会和考虑因素5．部分6说明了所提出的体系结构和部分的实现7总结了纸。

2.背景

2.1。无人机和云

有一些研究致力于提供连接无人机和云的方法。Lin等人提出将无人机连接到云服务，如谷歌Earth [7］．这是使用基于android的智能手机完成的，它将数据提供给MySQL数据库。用户通过浏览器访问数据库中的无人机信息。无人机使用通过数据库中的航路点定义的特定飞行计划进行控制。然后使用谷歌Earth软件跟踪任务。作者演示了该系统用于一架无人机。然而，他们没有涵盖它用于多架无人机和它们之间的通信。此外，通过数据库监视和控制无人机通常是不合适的架构，因为它缺乏提供实时响应的能力。

另一种提出的方​​法是遵循面向服务的架构（SOA）[8]如[9］．在这里，使用SOA和智能手机开发了四个原型。使用SOAP/XML(简单对象访问协议和可扩展标记语言)格式支持通信。该模型使无人机与云服务之间的一些功能集成成为可能。然而，这种方法显示了交换消息的过载以及传输的高度复杂性。此外，视频开发工具是无人机SOA应用的另一个例子[10.］．它允许用户选择感兴趣区域（ROI）以查看UAV路径以及地图上的视频占用尺寸。框架存储可以通过SOAP文档使用剥离服务引用的文件。在这里，通信产生高流量，并且不可能始终实现实时交互。

2.2。物联网和沃特

某些努力也归属于IOT和WOT旨在将设备和嵌入式系统连接到Internet并构建客户端以使用它们的应用程序。例如， [11.[通过将对象定义为在以资源为导向的体系结构中提供资源来提出REST架构。Guinard等人。使用Web工具作为WOT的解决方案。在 [12.]他们提出了两种访问对象的方法。首先，它们连接了用于测量到智能网关的功耗的设备。它是一个Web服务器，为客户端提供资源，以监视和控制电气设备。此架构允许智能网关计算连接到它的所有设备的整体消耗。其次，作者提供了直接访问无线传感器网络。这允许客户端应用程序在网络中访问网络中的每个传感器节点，以类似于访问Web服务器的方式使用统一接口。

云上有不同的Web服务架构。首先，在标准化Web服务架构，客户端请求和服务响应对象使用SOAP封装并使用XML传输。其次，代表状态转移（RESTful）架构是一种Web服务体系结构，它通过使用统一资源标识符（URI）和超文本传输​​协议（HTTP）服务接口来通过统一接口识别资源。资源以不同的媒体类型表示，例如超文本标记语言（HTML）和JavaScript对象表示法（JSON）。

Guinard等人。[13.]比较这两种方法（标准WOT的Web服务和RESTful Web服务）。他们发现SOAP架构是一种复杂的方法。虽然它适用于重点是商业架构的数字服务，但它不适合物理世界。此外，它需要高计算功率，带宽和存储。另一方面，RESTful架构是一种可重复使用和松散耦合的Web服务集。此外，更容易学习和使用。此外，作者推荐使用RESTful Web服务为WOT而不是标准Web服务器除非应用程序具有先进的安全性和服务质量要求。因此，我们选择了宁静的架构来与网络集成无人机。由于能量水平和处理能力等无人机的能力和资源有限，简单的轻量级Web服务架构，如RESTful，比重量级复杂的Web服务更适合．

3.面向资源的无人机体系结构

将UV与云集成意味着UAV及其资源将通过客户端应用以无处不在的方式获得。客户端可以是使用Web浏览器和应用程序的人，或者访问其他一个人的资源。因此，最重要的步骤是识别应为客户提供的资源和服务。这是通过定义每个资源的RESTful API，URI，操作和消息的HTTP交互来完成的。

３.１.无人机资源和服务

无人机资源是UAV拥有的资产/设备，可以从中受益。系统监视UAV资源的状态和条件。这些资源可以为用户或其他无人机提供服务和功能。由于无人机的异构性，无人机定义了他们的资源和服务，这些资源和服务在一个到另一个人。每个UAV都应该具有统一的接口，以使客户端执行以下操作：（一世）Monitoring the UAV itself: this involves monitoring the UAV’s status (i.e., whether it is idle or on a mission), the current status of its storage, flight conditions, direction and orientation, speed, energy level, current position coordinates, altitude, and latitude and longitude values.（ii）访问UAV资源：这通常涉及发出请求，以收集一些信息，例如传感器读数，雷达数据，相机图像或视频，热摄像机图像和日间信息的时间。提供此类信息的服务可能需要一些输入，例如指定所请求的数据的时间，位置或大小。其他服务还可以通过UAV或板上的设备生成某种形式的操作。例如，客户端请求可以引导UAV来改变飞行方向或高度，请求图片或视频，从而激活喷雾器或传感器，或者在UAV上启动活动。这些服务通常需要一些参数，例如该做什么，何时，何时，有多长或在哪里。(3)监视UAV资源的状态：这涉及跟踪船上的不同资源，例如发现某些资源是否可用，目前正在使用或损坏。另一个例子是在任务期间确定剩余的燃料量。

３．２．RESTful架构

RESTful的中央概念[14.是资源是任何值得唯一识别和链接到WOT的组件。RESTFUL描述如下：（一世）资源标识：URI标识每个UAV的资源。（ii）统一界面：资源可用于通过具有良好识别的交互语义的统一接口交互，这是具有一组操作以优化与资源交互的HTTP。(3)自描述消息：以及HTTP交互，客户端和服务器以商定格式交换消息。在面向机器的服务中，HTTP，XML和JSON有两个媒体类型。由于其对人类和机器的可读性，JSON格式对嵌入式系统进行了广泛的支持;它也是轻量级的，与XML相比，可以直接解析为JavaScript。（iv）无状态交互：服务器不包含以前影响以下请求的交互信息。因此，每个请求包含正确满足它所需的所有信息。请求信息包含在HTTP中使用JSON对象的自描述消息。

3.3。RESTFUL HTTP组件

通过HTTP接口访问资源。以下是此接口的三个特定部分：操作，内容协商和状态代码。（一世）运营．RESTful HTTP有四种操作:GET、POST、PUT和DELETE。在无人机中，GET操作用于检索资源的表示。例如，可以使用带有资源URI的GET来检索无人机的当前能量级别或机载摄像机的状态。此外，在无人机中，POST操作用于请求服务并提供所需的参数，例如，请求无人机上的相机在某个位置拍照。在本例中，摄像机资源有一个URI操作(即POST)， body请求是用于捕获图片的指定位置。还有DELETE操作，用于停止无人机的任务或将其从任务中移除。（ii）内容协商．客户端和服务器之间的协商内置于HTTP请求中。它代表了商定的方式以达成的方式表示所需的资源信息。标题支持json（应用/杰森；）和XML（应用/xml；）。这些媒体类型在HTTP响应的内容类型中指定。同意JSON拥有广泛的支持;因此，UAV中的HTTP标头设置为内容-类型：应用/杰森．(3)状态代码．响应状态在HTTP中具有标准化状态代码。客户众所周知，客户可以代表请求的状态。例如，200到客户端的返回码表示请求的成功。另一方面，返回代码400意味着请求不遵循服务器请求规则。

4.无人机作为云基础设施的一部分

通过将UVS连接到Internet，它们成为云基础架构的一部分。每个UAV都被视为具有要提供的资源和服务集的Web服务器。大多数无人机支持Wi-Fi连接;因此，UAV将具有互联网上的唯一标识符。正确识别时，通过RESTful应用程序编程接口（API），UAVS的资源可用于Web。

将无人机与云集成的考虑因素之一是无人机的分布及其可伸缩性，以及通过api提供服务和资源的能力。RESTful体系结构支持松散耦合的服务。因此，在无人机上使用它是最有效的解决方案，因为它是嵌入式系统的轻量级;它支持松散耦合的服务、高可用性和灵活性;它是网络服务的一种流行技术。

4.1。无人机作为云基础架构

将UVS与云集成使无人机成为云的一部分。因此，云基础架构由云提供的强大服务器组成，用于服务和计算以及包括提供资源和服务与物理世界互动的服务器的服务器。Web架构是客户端 - 服务器体系结构，其中UAV是在环境中提供其服务和资源的后端服务器，而前端侧是通过标准化协议监视和访问这些资源的客户端应用程序，无论如何两侧使用的编程语言（见图1）。UAV服务可以用不同语言编写的，支持Web服务，例如Node.js，Ruby和Rails，Python或PHP，而客户端应用程序可以用JavaScript，HTML5或Java写入少数几个。对UAV侧的各种编程语言和应用程序侧克服了嵌入式系统编程语言的局限，这些语言将开发人员带有一定的编程语言。

开发无人机服务器端，需要将无人机的信息、资源和服务作为对象表示。UAV表示是一个JSON对象，可以很容易地解析为JavaScript，而且对人类来说也是可读的。例如，每个UAV都有一个唯一的标识符和名称。然后，它保存当前参数，如能量级别、位置坐标和操作状态。此外，每个UAV标识其服务对象表示，包括服务ID、名称、状态、值和请求者。例如，可以通过使用请求UAV的URI来检索UAV的信息得到：http:/// uav_info.

它返回以下响应：http / 1.1 200确定内容类型：应用程序/ JSON “ID”：1，“名称”：“UAV1”，“服务”：[“摄像机”，“温度”，“能量级别”：85，“状态”：“可用”，“方向”：61.5，“地点”： [“纬度”：36.872，“经度”：140.0704，“高度”：260}]}

但是，给出特定属性将使用以下URI中的该属性的json对象返回得到：http:///无人机/状态返回UAV的状态作为JSON对象：http / 1.1 200确定内容类型：应用程序/ JSON “状态”：“可用”}同样，请求a得到到服务URI;http:/// UAV /服务/温度在UAV的服务资源下返回温度资源的JSON对象;http / 1.1 200确定内容类型：应用程序/ JSON “ID”：2，“名称”：“温度”，“状态”：“可用”，“值”：28.5}

请求服务需要POST请求的报头和正文，例如，请求特定位置的温度传感器帖子，http：// ...... / UAV /服务/温度请求的JSON体定义为: “地点”： [“纬度”：12.8145，“经度”：45.64827，“高度”：87.91}]}使用新值返回JSON对象：http / 1.1 200确定内容类型：应用程序/ JSON “ID”：2，“名称”：“温度”，“状态”：“可用”，“值”：30}

但是，如果其他客户端请求UAV服务，或者在该请求期间不可用返回：http / 1.1 200确定内容类型：应用程序/ JSON “ID”：2，“名称”：“温度”，“状态”：“不可用”}

这些URI是表达的，并呈现出他们的含义对人类解释。此外，检索到的JSON对象很容易解析为JavaScript。请注意，对于前面的示例，返回的状态代码是200表示请求成功。此外,内容-类型：应用/杰森表示客户端接受JSON对象格式的消息。接收到的JSON消息可以在浏览器中用HTML文件表示给用户。资源的RESTful URI被认为是树表示，而不仅仅是URI的字符串。这意味着一个温度是无人机资源的服务资源。此外，这些资源和服务不仅由用户访问，也由其他无人机访问。这允许每个无人机通过这些统一的接口向其他无人机提供其资源和服务。无人机之间的这种访问使协作无人机应用程序的实现成为可能。

当UAV通过通信子系统接收到请求时（即Wi-Fi或3G / 4G），然后将请求传递给船上计算机以解释为所请求的UAV API。如果请求服务某个位置，则控制子系统获取指定的位置并导航到它。当达到位置时，控制子系统会通知车载计算机。之后，板载计算机将命令发送到所请求的资源，相应地执行服务并返回结果。最后，它将返回消息命令，以便通信子系统发送它如图所示2．

4．2.无人机应用方

前端应用程序位于客户端，是客户端用于访问服务和接收响应的应用程序。它部署到连接到云端并使用RESTFUL与无人机的后端服务器交互。该应用程序具有用于Web浏览器的用户友好的界面。该界面为用户提供了能够轻松监视和访问无人机资源（例如，见图3.和4对于浏览器上的应用程序的用户界面）。

由于耦合耦合的宁静架构松散，应用层容易在Web服务之上构建。因此，可以使用其统一接口构建不同的应用程序，而无需修改服务器侧。这对于为具有变化任务提供多个客户端应用程序的服务也是有用的。每个应用程序都需要知道无人机资源的统一接口，以便使用商定的格式轻松请求它们，并通过用户友好的界面获取结果。用于监视和访问资源的前端应用有两个主要设计[15.]如表所示1．（一世）AJAX模型．异步JavaScript和XML（AJAX）已被证明是将某些服务器工作负载转移到客户端的好方法。在此模型中，应用程序内容自动刷新，而无需刷新整个页面。Ajax会减少Web流量，因为动态内容仅是客户端解释的语义信息。从Web服务器驱逐到浏览器的工作负载。在此模型中，客户端从UAV中提取数据。这适用于无人机的有限功能;因此，负载位于客户端。（ii）彗星模型．这里，服务器在发生事件时将数据推送到客户端。虽然这种模型似乎适合监控，但它受到两个主要限制。首先，它是使用经典的Web内容生成器构建的，因此不允许请求句柄。其次，UAV必须存储收听事件的每个客户端的信息。因此，该模型将负载放在服务器上，从而将其已经有限的资源进行了紧张，并将应用程序限制为服务器可以识别的有限数量的客户端。

5.机遇和考虑因素

在考虑云中的服务和/或服务提供商的整合时，需要考虑和仔细解决多个问题。

5.1。机会

云计算为协作无人机打开了许多机会。云计算无处不在的特性允许用户随时随地监控无人机并使用该平台。此外，由于云具有庞大的基础设施处理能力，大多数无人机数据计算可以在云上进行，而不是在无人机上，这降低了无人机的功耗。此外，云计算提供了可以使用的大型、可扩展的存储服务，而不是有限的无人机存储。因此，通过确保数据备份，将数据存储在云上提高了可靠性，从而即使在无人机停止服务时也可以访问以前的日志数据。此外，云计算提供了无处不在的服务，如谷歌地球3D地图和计算，可以与无人机服务集成，以开发更大、更通用、更高效的应用程序。

云使用Web服务API和标准化通信协议来请求服务和交换数据。因此，无论其操作系统和命令如何，异构的无人机都可以使用这些标准。标准化协议使开发更容易构建Web应用程序中使用的不同编程语言的异构无人机。不仅如此，而且标准化的协议也能提供将使用与UAV应用程序相同的其他节点和组件集成的能力，例如接地节点和传感器网络。此外，通过将这些无人机注册到平台作为即插即用，添加更多UVS或资源可以更容易，以便在运行时将无人机连接到任务。此外，Web服务体系结构支持可重用性，以便根据其可用性使用UAV资源。此外，用户不必拥有UAV，但仅将它们用作服务。这降低了用户的成本，并开辟了利用无人机作为提供的服务的巨大商机。另一个优点是汇总了UAVS资源，以便它们可以由多个用户使用。

5.2。考虑

无人机在内存，处理器和能量中具有有限的功能;因此，它们需要轻量级的软件和Web服务，这些软件和Web服务不会大量消耗其资源。在平台Web服务API之后，应开发无人机，以确保无人机和平台之间的通信能力。此外，无人机的位置在捕获特定区域的任务操作中发挥着重要作用。无人机需要一种有效的方法来分配它们的位置，例如最小功耗，例如，GPS和Wi-Fi三角剖分之间的权衡。

某些服务的可用性取决于某些上下文，例如无人机的位置，能量水平或特定的传感器读数。因此，如果UAV目前在任务位置附近，则优选选择它而不是远离指定位置的类似UAV。此外，应提供UAV飞行控制算法，用于实时执行和路径规划管理以及碰撞避免。互联网连接可靠性是另一个重要的考虑因素。无人机需要持续连接到云，以便他们可以访问云及其通过API调用的资源。假设可靠的连接是有效的，适用于智能城市等城市领域的操作。否则，应向UAV操作提供连接基础设施的操作位置。此外，无人机提供的服务是现实世界服务;因此，他们感觉并影响物理环境。应仔细管理在喷涂等环境中进行变化的无人机服务; that is, these services should not be duplicated over the same area. In case of a repeated request, there should be approval or acknowledgment before performing the service.

6.实施

提出的云计算框架在真实的Arduino硬件和请求程序软件中实现，以说明用于无人机的资源和服务api。

首先，硬件：UAV使用Arduino Board建造（http://www.arduino.cc/)，这是嵌入式系统的开源硬件。在本研究中，Arduino作为无人机有效载荷子系统实现，即车载资源和服务设备，然后将传感器连接到Arduino上，如DHT11 (https://github.com/adafruit/dht-sensor-library.）传感器，用于温度和湿度，超声波用于距离测量。此外，嗡嗡声和一些LED附着以表示致动器，如图所示5．此外，对于互联网连接，Adafruit CC3000 Wi-Fi板（https://www.adafruit.com/products/1469）用于将Arduino连接到Internet并获得IP地址。Arduino使用Arduino软件（http://arduino.cc/en/main/software）用adafruit cc3000库的c语言（https://github.com/adafruit/adafruit_cc3000_Library.)来阅读请求。每个资源都是用RESTful API实现的。

无人机资源为四架无人机实施。每个接口有不同的资源、IP地址和RESTful api。然而，具有类似资源的无人机以相同的方式定义其API接口。为简单起见，仅使用GET方法实现。实现的无人机资源和业务汇总如表所示2．实现的系统测试使用邮差Chrome扩展(https://www.getpostman.com/docs/requests）对于每个设备和资源。该测试侧重于HTTP请求的拉动数据模型。测试开始于测试UAV资源API，通过对每个资源的地址，URI和操作请求UAV Restful HTTP来测试。UAV获取了请求，定义了该服务，根据其资源执行它，然后返回所请求服务的响应。

每个资源记录响应时间十次，并且如表所示计算平均值3.和图6．请求UAV资源的响应时间直接在180到470毫秒之间变化，平均为266毫秒。响应时间的变化取决于资源流程;例如“LED on”资源是简单的LOW和HIGH数字输出，而温度传感器资源读取传感器引脚的模拟电压，然后用5的刻度将其转换为电压，然后计算出相应的温度值。与数字输出相比，这个过程需要更多的时间;因此，对温度要求的响应时间要高于LED的响应时间。实现的系统测试使用邮差Chrome扩展(https://www.getpostman.com/docs/requests）对于每个设备和资源。该测试侧重于HTTP请求的拉动数据模型。

7.结论

在本文中，我们提出了一种不同的方式通过云监控和访问无人机的资源和服务。传统的对等通信和射频传输的涉及许多限制，例如有限的通信范围，难以根据UAV的语言和命令进行编程和开发新应用程序。此外，这种方法不支持UVS的异构性，其中每个UAV可以具有不同的操作系统和不同的命令语法和接口。

因此，我们提出了云计算架构与不同的无人机通信，即服务器向客户端提供服务的客户端 - 服务器架构。但是，在UAV的环境中，UAV确实不仅提供服务，还提供资源信息，例如UAV的位置和能级。这有助于同时监控多个无人机的任务。云支持两种类型的HTTP API。

一个是标准化的适用于数字服务的Web服务。它被认为不适合物理世界，特别是资源有限的设备。同意肥皂是重量级，难以学习。另一个是宁静的架构，它是一种轻量级的Web服务架构，并且具有许多优点，例如其简单性，易于编程，是客户端松散耦合的客户端，以及其对人类的可读性以及解析JSON结果的易于解析成HTML或javascript。

这些web服务驻留在无人机的后端服务器中，然后前端端的应用程序可以监视和访问无人机上的资源。应用程序可以是AJAX模型，也可以是Comet模型。在Comet模型中，每当发生更改时，服务器就将提要推送到客户机。尽管这个模型似乎适合监视，但它有一些限制，比如支持这个模型的编程语言。此外，它将允许访问资源的客户数量限制为在无人机注册表上注册的客户。

另一方面，在AJAX模型中，客户端应用程序通过刷新内容而不刷新页面来接收无人机信息。该模型将负载从服务器端转移到客户端，以便客户端在需要时从服务器提取数据。这种模式适合无人机，因为不像传统的web服务器，无人机的资源非常有限，而客户端有更多的资源，能够处理大多数所需的处理。

无人机有一组相对定义良好的服务和访问模型。然而，构建符合这些服务和设备接口的不同应用程序是复杂的，需要付出巨大的努力。将无人机视为具有定义良好的服务和可通过一组众所周知的接口访问的资源的服务器，有助于解决这个问题。因此，将无人机与云集成提供了几个优势，并允许使用web工具以统一的方式开发无人机服务器和应用程序。访问无人机变得像访问网页浏览器一样简单。此外，它变得更加灵活和更容易构建不同的应用程序，可以利用无人机上提供的服务。

利益冲突

提交人声明没有关于本文的出版物的利益冲突。

致谢

这项工作得到了UAEU-NRF研究基金编号3IT045和UPAR研究基金编号G00001655的部分支持。

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