基于WiFi定位的地震搜救系統(tǒng)設(shè)計

吳　飛，王博韜，毛晨曦，謝興紅，鐘曉玲

(成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059)

0　引言

據(jù)統(tǒng)計，全球每年大概發(fā)生500多萬次地震，地震造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失也是不計其數(shù)，因此地震救援將是全世界關(guān)注的核心。地震發(fā)生后救援的第一步是搜索，救援人員必須在很短的時間內(nèi)找到幸存者，才能把傷害降到最低。因此被困人員的快速搜索是世界各國研究的重點，也是防震減災(zāi)的重要研究對象[1]。目前的被困人員搜索主要有人工搜索、儀器搜索、犬搜索等。最常見的是紅外生命探測和雷達(dá)生命探測儀，紅外生命探測儀的原理是利用溫度差來檢測有無人員幸存，但是無法做到大面積快速探測，也無法準(zhǔn)確定位而導(dǎo)致救援效率不高。并且由于地震后各種基礎(chǔ)通訊設(shè)施都會被破壞，這就使得救援人員無法及時上報現(xiàn)場情況，也會阻礙指揮中心對于救援工作的進(jìn)一步開展[2]。

為了實現(xiàn)對被困人員的快速搜索與定位，采用一種新的模式，通過距離人最近的手機(jī)作為介質(zhì)，實現(xiàn)對被困人員的快速定位，通過WiFi獲取到被困人員手機(jī)的MAC地址和實時信號強(qiáng)度，通過433 MHz射頻通信傳輸?shù)街骺卦O(shè)備上，再通過藍(lán)牙將打包整理好的數(shù)據(jù)發(fā)送到Android端，在Android端利用三角形定位的數(shù)據(jù)處理方法確定被困人員的具體位置，最終實現(xiàn)在Android平臺上看到被困人員的數(shù)量和大體位置，在搭建臨時4G基站后，就可以通過4G信號上報到服務(wù)器。后方指揮中心通過傳來的數(shù)據(jù)科學(xué)地安排救援工作，從而提高救援的效率。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，本系統(tǒng)按照數(shù)據(jù)采集、中間層、應(yīng)用層的架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

數(shù)據(jù)采集設(shè)備包含mcu、GPS、WiFi模塊和無線模塊，主要功能是接收上層傳來的命令更改WiFi賬號密碼，從而使被困人員手機(jī)自動連接上來，然后收集用戶的MAC地址和實時的信號強(qiáng)度，將模塊的GPS信息和被困人員手機(jī)信息上傳到上層。中間層主要包含mcu、藍(lán)牙和無線模塊，主控層作為中間層，用來調(diào)度底層的檢測設(shè)備，并接收底層傳來的數(shù)據(jù)，整理成幀，通過藍(lán)牙發(fā)送給應(yīng)用層。應(yīng)用層主要是提供用戶界面和交互的接口，目前支持安卓平臺，用來接收中間層的數(shù)據(jù)幀，并直觀地顯示被困人員的數(shù)量和位置，再通過4G信號傳送到服務(wù)器，控制中心接收到災(zāi)區(qū)發(fā)送的被困信息之后便可以展開救援措施。另外應(yīng)用層還包括電臺，可以在需要的時候?qū)㈦娕_接在主控設(shè)備上，主控設(shè)備即可將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端。

2　硬件電路設(shè)計

2.1　WiFi模塊

WiFi通常特指IEEE802.11a/b/g/n/ac等協(xié)議，在信號較弱或干擾時，帶寬可自動調(diào)整，有效地保證了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，使用開放的2.4 GHz直接序列擴(kuò)頻，其中IEEE802.11b的傳輸速率可達(dá)11 Mbit/s，其他協(xié)議還有更豐富的傳輸速率[3]。

一般地震后基礎(chǔ)設(shè)施與通信網(wǎng)絡(luò)均被破壞，在數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)終端接入方式就要使用無線方式，而且在工業(yè)自動化和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，由于串行通信簡單易于實現(xiàn)，且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)較穩(wěn)定，因此類似RS232串行接口廣泛應(yīng)用，但這類數(shù)據(jù)傳輸距離短，不能滿足網(wǎng)絡(luò)化的需求，座椅數(shù)據(jù)采集終端就要采用快速接入以太網(wǎng)或無線局域網(wǎng)的方法[4]。

由于普通的WiFi模塊只能接入幾十個到二十個設(shè)備，所以WiFi模塊采用的是國外進(jìn)口的WizFi630(如圖2所示)，該模塊能接入將近200臺設(shè)備，基本滿足設(shè)計要求。

圖2　WizFi630的結(jié)構(gòu)框圖

WizFi630是能夠?qū)S-232協(xié)議和TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換為IEEE802.11b/g/n wireless LAN(無線局域網(wǎng))協(xié)議的網(wǎng)關(guān)模塊。WizFi630能夠使帶有RS-232串行接口的設(shè)備連接到LAN或WLAN，以此來進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、測量和管理。由于自身帶有內(nèi)置的交換器，WizFi630也可以作為IP路由器來工作。

WizFi630使用了諸如串口(UART)、LAN、WiFi(WLAN)的接口來完成串口(UART)轉(zhuǎn)WiFi、串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)和以太網(wǎng)轉(zhuǎn)WiFi等功能。用戶可以連接到WizFi630的內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器或使用串口命令進(jìn)行簡單的WiFi設(shè)置；

采集端使用的WizFi630是通過串口來進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將采集到的MAC地址和信號強(qiáng)度通過433 M無線模塊傳輸?shù)街骺囟恕?/p>

2.2　433 MHz無線模塊

433 MHz頻段的無線網(wǎng)絡(luò)模型可以解決地震救援現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜難以傳輸?shù)膯栴}，433 MHz局域網(wǎng)的協(xié)議網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為主從式星形結(jié)構(gòu)[5]，而且433 MHz頻段網(wǎng)絡(luò)可以方便地組網(wǎng)，也可利用中繼延長傳播距離，這一點對于地震救援中的數(shù)據(jù)傳輸十分重要[6-7]。

E31-TTL-1W是一款A(yù)X5043射頻芯片的無線串口模塊(UART)，透明傳輸方式，工作在425～450.5 MHz頻段(默認(rèn)433 MHz)，發(fā)射功率為1 W、窄帶傳輸、TTL電平輸出，兼容3.3 V或5 V電壓(建議5 V以達(dá)到最大功率)。模塊串口外發(fā)數(shù)據(jù)時AUX引腳時序如圖3所示。

圖3　模塊串口外發(fā)數(shù)據(jù)時AUX引腳時序

433 MHz模塊也通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，窄帶傳輸具有功率密度集中、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢，在同樣功率下傳輸距離大大增加。它帶有自動檢錯的功能，模塊具有軟件FEC前向糾錯算法，其編碼效率較高，糾錯能力強(qiáng)，在突發(fā)干擾的情況下，能主動糾正被干擾的數(shù)據(jù)包，提高可靠性和傳輸距離。

2.3　主控設(shè)備

本設(shè)計的主控芯片采用STM32F103x(如圖4所示)，因為該芯片是32位標(biāo)準(zhǔn)處理器，具有低功耗、短中斷延遲、低調(diào)試成本的優(yōu)點[8]。它是專門為在微控制器系統(tǒng)、汽車電子系統(tǒng)、工控系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)等對功耗和成本敏感的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高系統(tǒng)性能而設(shè)計的。它包括16通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器、7通道的DMA控制器、16位定時器、USART接口、CAN接口(2.0B)和USB2.0全速接口(12 Mbps)等特點[9]。

圖4　STM32F103x的部分電路圖

外圍芯片按功能模塊擴(kuò)展，由電流檢測、信號采集、數(shù)據(jù)通信接口、執(zhí)行輸出元件等模塊組成[10]。

供電部分主要是使用的3.6 V、4 A/H 的鋰電池，電池兩組紅黑線一組用于供電，一組用于充電，主控使用的一組電池，WiFi設(shè)備使用2組電池；分別對433和電路其他部分進(jìn)行供電，電池均通過63001穩(wěn)壓，穩(wěn)定輸出3.3 V電壓。

主控芯片在本系統(tǒng)的作用主要為接收采集端發(fā)送來的被困人員數(shù)據(jù)，并進(jìn)行打包處理，方便下一步數(shù)據(jù)的傳輸。

2.4　藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙采用BLE低功耗的模塊，通過串口收發(fā)。藍(lán)牙低功耗技術(shù)具有超低的待機(jī)功耗、較低的發(fā)射峰值電流、延時時間不大于3 ms的特點，可以滿足應(yīng)用于功耗要求低的無線傳輸[11]。

如圖5所示，本設(shè)計中采用MTSerialBle透傳模塊，模塊支持主從一體，可實現(xiàn)模塊與模塊間的數(shù)據(jù)傳輸，模塊集成4路PWM輸出，1路12位ADC輸出，7個標(biāo)準(zhǔn)I/O控制，6個按鍵觸發(fā)?？芍苯邮褂么趥鬏敂?shù)據(jù)。

圖5　MTSerialBle引腳圖

過63001穩(wěn)壓藍(lán)牙核心規(guī)范提供了一個標(biāo)準(zhǔn)的主機(jī)和控制器之間的通信協(xié)議，可以使不同生產(chǎn)廠家的主機(jī)和控制器相互通信[12]，由此可以將主控芯片接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到Android端。

3　軟件設(shè)計

3.1　三角形定位算法

由于地震過后環(huán)境的復(fù)雜性導(dǎo)致信號強(qiáng)度的衰減，會導(dǎo)致在AP點測得的RSSI強(qiáng)度值會小于距離的真實值，根據(jù)半徑作圖可以得到一個三角形的重疊區(qū)域。三角形質(zhì)心定位算法是根據(jù)室內(nèi)信號的傳播模型，求出距離，并在重疊的三角形中求出質(zhì)心位置[13]，即為該點所求的位置。

圖6　三角質(zhì)心定位算法示意圖

接收到采集和處理端的數(shù)據(jù)后，根據(jù)對應(yīng)AP熱點和RSSI信號強(qiáng)度值，可以計算出AP熱點到待測位置的距離：{AP1,d1},{AP2,d2},{AP3,d3}。

運用上述算法可以得到待測點的位置坐標(biāo)(x,y)。

測定誤差由e表示，其真實位置為(x0,y0)，其誤差可以表示為：

3.2　Android交互平臺

本平臺采用單客戶端結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)勢在于不需要額外的設(shè)備，不需要連接服務(wù)器端，可以減少網(wǎng)絡(luò)上的信息傳輸，算法模塊在客戶端完成不需要網(wǎng)絡(luò)通信，耗電量小。Android平臺功能如圖7所示。

圖7　Android平臺功能

客戶端采用主流的Android開發(fā)環(huán)境Eclipse+ADT+AndroidSDK，在Eclipse平臺上編寫Android應(yīng)用程序，可以創(chuàng)建Android虛擬機(jī)，先在Eclipse上安裝ADT插件，然后指定AndroidSDK所在的路徑[15]，可以在此虛擬機(jī)上進(jìn)行Android應(yīng)用程序的調(diào)試。

4　系統(tǒng)測試

系統(tǒng)的測試具體步驟如下：

① 將電腦散發(fā)出WiFi，將WiFi的SSID設(shè)為DZJY1，密碼設(shè)為12345678。然后將20部手機(jī)連接上此WiFi，讓手機(jī)保存此WiFi信息。

② 將9臺研制的WiFi中繼器結(jié)合實際的實驗地點，盡量按照50*50 m的九宮格布局，并且保證每臺設(shè)備處于打開狀態(tài)。布局示意圖如圖8所示，相鄰圓心間隔為17 m。

圖8　數(shù)據(jù)采集設(shè)備的放置

③ 讓6名學(xué)生將5部手機(jī)攜帶著分散在9臺WiFi中繼器附近(不進(jìn)行任何操作)。并讓部分手機(jī)處于WiFi信號覆蓋的交匯處。

④ 通過中心控制設(shè)備將9臺WiFi中繼器的WiFi信息全部設(shè)成SSID為DZJY1，密碼為12345678。9臺散發(fā)器同時運行。

⑤ 收集信息，在中心控制設(shè)備上顯示連接手機(jī)的數(shù)量。

⑥ 把最終的手機(jī)數(shù)量結(jié)果通過電臺上傳一體化系統(tǒng)。

最終，在測試中整個系統(tǒng)通過采集端將被分散放置的手機(jī)的位置通過Android端直觀地顯示出來，如圖9所示。

圖9　Android地圖模式示意圖

5　結(jié)束語

通過測試可知本文的基于WiFi的地震救援系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)救援設(shè)備具有成本低廉、操作簡便、定位精確度較高性能穩(wěn)定的特點，基本可以完成對被困人員的定位顯示，并且可以將被困人員的位置和數(shù)量上報至指揮中心，為科學(xué)有效地制定救援計劃提供快速準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，提高救援的效率。而且整個系統(tǒng)的有效作用范圍最大可達(dá)到1 km，本系統(tǒng)不僅能夠應(yīng)用于地震救援，還可以應(yīng)用各種搶險救災(zāi)的救援現(xiàn)場，并且有利于智能設(shè)備在災(zāi)害救援中的發(fā)展和普及。

但由于WiFi屬于2.4 GHz頻段，對鋼筋水泥的穿透能力弱，因此作用范圍受限，還有一定的改進(jìn)空間，并可以結(jié)合最新的BLE、NB-IOT和eMTC技術(shù)研究新型智能自然災(zāi)害搜救設(shè)備，來降低搜救設(shè)備的功耗，結(jié)合一定的算法進(jìn)一步提高定位的精確性。

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