基于手機(jī)數(shù)據(jù)采集分析的綜合救援移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

席宇迪 程晶晶 周明龍

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；救援移動(dòng)機(jī)器人；IMSI

救援是指個(gè)人或人們?cè)谠庥鰹?zāi)難或其他非常情況（含自然災(zāi)害、意外事故、突發(fā)危險(xiǎn)事件等）時(shí)，獲得實(shí)施解救行動(dòng)的整個(gè)過程；救援事業(yè)是指能夠做長久完善的準(zhǔn)備和隨時(shí)隨地能夠及時(shí)實(shí)施解救行動(dòng)的事務(wù)；救援產(chǎn)業(yè)是一個(gè)以完善的體系、系統(tǒng)或鏈條為平臺(tái)、以自身的系統(tǒng)化規(guī)?；Ｊ交葹榛A(chǔ)、能夠長久完善地準(zhǔn)備、隨時(shí)隨地實(shí)施解救行動(dòng)并能夠最終實(shí)現(xiàn)各方應(yīng)有受益和收益的實(shí)業(yè)經(jīng)濟(jì)[2]。根據(jù)近幾年地震救援情況不難看出，由于地震發(fā)生后廢墟結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定，很容易對(duì)在廢墟中的救援隊(duì)員造成危險(xiǎn)。而涉核、涉化設(shè)施的震后救援，更充滿危險(xiǎn)性。一些大面積的倒塌建筑，可以借助機(jī)械挖掘搜索，但一些縫隙、狹小空間等，救援隊(duì)員進(jìn)去有危險(xiǎn)，大型設(shè)備又沒有“用武之地”，就需要一些特定的設(shè)備來完成搜救?，F(xiàn)有的救援移動(dòng)機(jī)器人不能精準(zhǔn)地檢測被救人員的位置，導(dǎo)致位置不明確，給救援行動(dòng)帶來不便，且被困的人員長時(shí)間的恐懼中，容易因?yàn)楹ε潞涂只艑?dǎo)致情緒較低，嚴(yán)重影響被困人員的求生欲望，很多設(shè)備都是體積龐大，不方便攜帶。根據(jù)手機(jī)通信協(xié)議3GPP TS36.304部分的描述，手機(jī)在空閑狀態(tài)下會(huì)搜索周圍的基站，選擇信號(hào)比較強(qiáng)的基站進(jìn)行接入。利用這一特征，可以研發(fā)手機(jī)偽基站設(shè)備，通過2G和4G的手機(jī)偽基站技術(shù)，可以把周圍的手機(jī)吸引過來注冊(cè)，獲取其手機(jī)標(biāo)識(shí)號(hào)碼IMSI號(hào)碼，然后可以利用IMSI進(jìn)行定位和發(fā)送手機(jī)短信。根據(jù)這一特征，本文設(shè)計(jì)了一種手機(jī)數(shù)據(jù)采集分析綜合救援移動(dòng)機(jī)器人，針對(duì)該裝備設(shè)計(jì)了一種配套的手機(jī)數(shù)據(jù)采集分析綜合救援系統(tǒng)。

1 手機(jī)數(shù)據(jù)采集分析綜合救援移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

1.1 手機(jī)數(shù)據(jù)采集分析綜合救援移動(dòng)機(jī)器人的技術(shù)方案

針對(duì)現(xiàn)有的救援移動(dòng)機(jī)器人不能精準(zhǔn)地檢測被救人員的位置，導(dǎo)致救援行動(dòng)遲緩這一問題，本文設(shè)計(jì)了一種手機(jī)數(shù)據(jù)采集分析綜合救援移動(dòng)機(jī)器人。如圖1～圖4所示，其中：1-設(shè)備機(jī)箱；2-滾輪；3-風(fēng)扇；4-出風(fēng)口；5-電線連接口；6-網(wǎng)口；7-數(shù)字密碼鎖；8-提手；9-插孔；10-信號(hào)采集裝置；11-定向天線；12-場強(qiáng)測量儀。一種手機(jī)數(shù)據(jù)采集分析綜合救援移動(dòng)機(jī)器人，包括設(shè)備機(jī)箱、滾輪、提手，設(shè)備機(jī)箱底部四角均通過連接軸連接有滾輪，設(shè)備機(jī)箱底部設(shè)置有風(fēng)扇，風(fēng)扇一側(cè)設(shè)置有出風(fēng)口，設(shè)備機(jī)箱的頂部設(shè)置有多個(gè)電線連接口，電線連接口一側(cè)設(shè)置有網(wǎng)口，設(shè)備機(jī)箱的頂部固定設(shè)置有提手，提手頂部一側(cè)設(shè)置有數(shù)字密碼鎖，設(shè)備機(jī)箱的頂部遠(yuǎn)離網(wǎng)口的一側(cè)設(shè)置有插孔，設(shè)備機(jī)箱內(nèi)設(shè)置有電路模塊、基帶板，設(shè)備機(jī)箱內(nèi)的電路模塊、基帶板通過電線連接口連接的電線與天線電性連接，設(shè)備機(jī)箱內(nèi)的電路模塊、基帶板電線連接有定向天線，定向天線電性連接有場強(qiáng)測量儀，場強(qiáng)測量儀與手機(jī)連接。設(shè)備機(jī)箱和天線組成了信號(hào)采集裝置，且天線至少設(shè)置三根。對(duì)被救人員的手機(jī)信號(hào)進(jìn)行收集和發(fā)射，確認(rèn)被救人員數(shù)量，根據(jù)搜集到的手機(jī)號(hào)碼，通過電腦（主控）發(fā)短信，提醒、安撫被救人員，有利于救援的進(jìn)行。出風(fēng)口至少設(shè)置兩個(gè)。給工作的設(shè)備機(jī)箱進(jìn)行散熱，有利于設(shè)備機(jī)箱的工作[3]。插孔至少設(shè)置三個(gè)，且插孔與設(shè)備機(jī)箱內(nèi)的電路模塊電性連接。場強(qiáng)測量儀的型號(hào)為EMF829，場強(qiáng)測量儀、定向天線和手機(jī)組成了單兵作戰(zhàn)裝置。對(duì)手機(jī)信號(hào)進(jìn)行感應(yīng)，精準(zhǔn)定位被困人員，提高救援率[4]。風(fēng)扇外側(cè)設(shè)置有鋼絲網(wǎng)，且鋼絲網(wǎng)通過螺釘與設(shè)備機(jī)箱的底部固定連接。給工作中的設(shè)備機(jī)箱內(nèi)的電器元件進(jìn)行散熱，延長使用壽命[5]。

1.2 手機(jī)數(shù)據(jù)采集分析綜合救援移動(dòng)機(jī)器人的工作原理

通過滾輪把箱體移動(dòng)到指定位置，然后通過電線連接口連接的電線連接定向天線，箱體和天線組成的信號(hào)采集裝置搜集被救援人員的手機(jī)號(hào)碼，確認(rèn)被救人員數(shù)量，根據(jù)搜集到的手機(jī)號(hào)碼，通過電腦（主控）發(fā)短信，提醒、安撫被救人員，使用單兵作戰(zhàn)裝置對(duì)手機(jī)信號(hào)進(jìn)行感應(yīng)，場強(qiáng)測量儀進(jìn)行測量手機(jī)信號(hào)，定向天線進(jìn)行定位，精準(zhǔn)定位被困人員。裝置的設(shè)備機(jī)箱體積小，便于攜帶，對(duì)被救人員的手機(jī)信號(hào)進(jìn)行收集和發(fā)射，確認(rèn)被救人員數(shù)量，根據(jù)搜集到的手機(jī)號(hào)碼，通過電腦（主控）發(fā)短信，提醒、安撫被救人員，有利于救援的進(jìn)行，且設(shè)備機(jī)箱設(shè)置的風(fēng)扇、出風(fēng)口和滾輪，方便對(duì)設(shè)備機(jī)箱進(jìn)行散熱和移動(dòng)，給使用帶來便利，設(shè)置的定向天線、場強(qiáng)測量儀和手機(jī)組成的單兵作戰(zhàn)裝置，對(duì)手機(jī)信號(hào)進(jìn)行感應(yīng)，精準(zhǔn)定位被困人員，提高救援率，給使用者帶來便利[6]。

2 手機(jī)數(shù)據(jù)采集分析綜合救援系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 手機(jī)數(shù)據(jù)采集分析綜合救援系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

本文針對(duì)手機(jī)數(shù)據(jù)采集分析綜合救援移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)了一種手機(jī)數(shù)據(jù)采集分析綜合救援系統(tǒng)，包括電腦上位機(jī)、路由器、LTE模塊、GSM模塊、功率放大模塊。電腦上位機(jī)內(nèi)設(shè)置有上位機(jī)操作模塊，且上位機(jī)操作模塊電性連接有路由器，路由器電性連接有LTE模塊、GSM模塊，LTE模塊、GSM模塊均電性連接有功率放大模塊，功率放大模塊電性連接有天線。優(yōu)點(diǎn)是：通過移動(dòng)機(jī)器人收集采集節(jié)點(diǎn)對(duì)移動(dòng)路徑進(jìn)行規(guī)劃，使移動(dòng)機(jī)器人行走的距離更短，提升移動(dòng)機(jī)器人的數(shù)據(jù)收集速度，降低能耗。該系統(tǒng)可以通過獲取到的IMSI號(hào)碼判斷受災(zāi)人數(shù)，進(jìn)行救災(zāi)人力配置；可以利用短信讓被地震所埋的手機(jī)發(fā)出聲音，便于判斷被埋人員位置；定位功能，可以對(duì)地震被埋人員隨身攜帶的手機(jī)進(jìn)行定位，從而判斷位置，起到快速救人的目的。

電腦上位機(jī)上安裝的上位機(jī)軟件通過路由器連接有基帶板，且上位機(jī)軟件通過TCP協(xié)議與基帶板通信連接?；鶐О迳线\(yùn)行的軟件由C語言開發(fā)，由GCC編譯器編譯。該軟件對(duì)基帶板上的射頻單元進(jìn)行操作，根據(jù)上位機(jī)筆記本電腦發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、解碼、發(fā)射和接收數(shù)據(jù)[7]。筆記本上的軟件由C#語言開發(fā)，由visual studio軟件進(jìn)行編譯。該軟件通過TCP協(xié)議來和基帶板進(jìn)行通信，對(duì)基帶板發(fā)送數(shù)據(jù)，控制基帶板的運(yùn)行，并接收基帶板發(fā)來的數(shù)據(jù)，顯示到界面里供用戶使用。

電腦上位機(jī)上安裝的上位機(jī)軟件與定位單兵設(shè)備電性連接。定位單兵設(shè)備可以隨身攜帶使用，該設(shè)備上運(yùn)行的軟件由C語言開發(fā)，可以對(duì)指定的頻點(diǎn)的上行信號(hào)進(jìn)行解析，從中測量出手機(jī)的信號(hào)強(qiáng)度，并顯示到軟件界面中，根據(jù)該信號(hào)強(qiáng)度可以判斷出大致的距離對(duì)手機(jī)進(jìn)行定位。LTE模塊為ME3860，GSM模塊的型號(hào)為TC35，功率放大模塊的型號(hào)為RA60H1317M1A。

2.2 手機(jī)數(shù)據(jù)采集分析綜合救援系統(tǒng)的工作原理

電腦上位機(jī)1負(fù)責(zé)提供用戶操作界面，發(fā)送指令給LTE模塊3和GSM模塊4對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，發(fā)送給功率放大模塊5，模塊放大信號(hào)強(qiáng)度后，通過天線6發(fā)射，利用手機(jī)會(huì)選擇信號(hào)強(qiáng)的基站接入的特點(diǎn)，用偽基站設(shè)備將周圍手機(jī)吸附到偽基站設(shè)備中，在獲取其IMSI號(hào)碼后，統(tǒng)計(jì)出周圍的手機(jī)數(shù)量，然后通過多次偵碼和號(hào)碼比對(duì)的功能，統(tǒng)計(jì)出周圍手機(jī)的大致數(shù)量，然后通過IMSI發(fā)送短信，并通過IMSI號(hào)碼進(jìn)行定位。經(jīng)測試，在室內(nèi)可以穿透4層樓房發(fā)揮作用，在室外的建筑工地測試，可以穿透地面的水泥、磚頭發(fā)揮作用。采用本技術(shù)方案，本系統(tǒng)可以應(yīng)用在地震、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害中，可以協(xié)助救援人員快速定位、加快救援速度。機(jī)器人通過路勁規(guī)劃算法自行移動(dòng)，通過人機(jī)界面觀測機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)機(jī)器人將現(xiàn)場各種反饋信息實(shí)時(shí)傳遞回界面供操作人員參考。生命無價(jià)，搜救人員以及被困人員的人身安全同等重要。及時(shí)掌握災(zāi)難現(xiàn)場環(huán)境狀況可以有效保障搜救人員的人身安全，成功搜索到被困人員并給予營養(yǎng)補(bǔ)給，可以有效延續(xù)被困人員生命，為其提供生存信心。

2.3 手機(jī)數(shù)據(jù)采集分析綜合救援系統(tǒng)的控制方法

手機(jī)數(shù)據(jù)采集分析綜合救援系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：

步驟1：監(jiān)聽基帶板發(fā)來的數(shù)據(jù)，如果接到了基帶板發(fā)來的請(qǐng)求接入數(shù)據(jù)，證明該基帶板已經(jīng)運(yùn)行正常，就可以在軟件界面上顯示該基帶板連接正常，用戶隨后可以在軟件中啟動(dòng)基帶板，基帶板啟動(dòng)后，基帶板上的軟件，根據(jù)上位機(jī)筆記本電腦發(fā)來的參數(shù)來配置，發(fā)射廣播信號(hào)，利用手機(jī)選擇信號(hào)強(qiáng)的基站接入的特點(diǎn)，吸引手機(jī)過來注冊(cè)，在獲取手機(jī)的IMSI號(hào)碼后，將手機(jī)重定向到其他基站上去[8]；

步驟2：獲取的IMSI號(hào)碼可以存儲(chǔ)到筆記本電腦的硬盤上，并可以對(duì)兩個(gè)存儲(chǔ)的文件進(jìn)行比對(duì)，將其中重復(fù)的號(hào)碼提取到軟件界面中；

步驟3：在獲取周圍的手機(jī)IMSI號(hào)碼后，還可以對(duì)其中的號(hào)碼進(jìn)行定位，具體的技術(shù)途徑是將指定的IMSI號(hào)碼在上位機(jī)軟件中發(fā)送到基帶板中，基帶板中的軟件將這個(gè)指定號(hào)碼的手機(jī)常駐在基站中，并不停止地發(fā)送信號(hào)給這個(gè)手機(jī)，使這個(gè)手機(jī)回應(yīng)，從而產(chǎn)生信號(hào)，定位單兵測量到信號(hào)強(qiáng)度，并顯示到操作界面中，從而測量出距離；

步驟4：上位機(jī)軟件還可以給移動(dòng)的GSM手機(jī)發(fā)送短信，軟件先對(duì)短信內(nèi)容進(jìn)行編碼，然后通過TCP協(xié)議發(fā)送給基帶板，基帶板通過信道將短信發(fā)送給手機(jī)[9]。

3 結(jié)束語

針對(duì)現(xiàn)有救援移動(dòng)機(jī)器人的現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了手機(jī)數(shù)據(jù)采集分析綜合救援移動(dòng)機(jī)器人，同時(shí)設(shè)計(jì)了該裝備配套的救援系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的救援移動(dòng)機(jī)器人體積小，便于攜帶，可以應(yīng)用在地震、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害中，可以協(xié)助救援人員快速定位、加快救援速度，可以通過獲取到的IMSI號(hào)碼判斷受災(zāi)人數(shù)，進(jìn)行救災(zāi)人力配置，可以利用短信讓被地震所埋的手機(jī)發(fā)出聲音，便于判斷被埋人員位置，定位功能可以對(duì)地震被埋人員隨身攜帶的手機(jī)進(jìn)行定位，從而判斷位置，起到快速救人的目的，提高救災(zāi)效率；同時(shí)通過電腦（主控）發(fā)短信，提醒、安撫被救人員，有利于救援的進(jìn)行。