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基于Wi-Fi信号的地震废墟被困人员侦查系统
基于Wi-Fi信号的地震废墟被困人员侦查系统
李海林*, 郭勇, 白芬玉, 冯贝, 陈志远
(成都理工大学信息科学与技术学院,成都 610059)
 [收稿日期]: 2017-04-12
摘要

针对震后大面积废墟下被困人员快速准确检测与定位的需求,本文提出了基于Wi-Fi信号的地震灾害人员侦查技术。以嵌入式技术为基础,涉及FSK通信、Wi-Fi定位、Wi-Fi定位算法等方面的研究,提出Wi-Fi热点中继设备和显控中心平台切实可行的设计解决方案,研制出能够实现震后大面积废墟下被困人员快速定位的设备,并提出设备布设方案。为我国地震救援提供一种有效的技术手段。



引言

中国位于环太平洋和亚欧大陆地震带上,极易发生地震。地震的突发性强、破坏性大(张风华等,2004郭小东等,2005)。在人口密集区域,地震废墟中常常掩埋着被困人员。根据救援经验,震后72小时内,得到救援的被困人员存活率极高。但地震过后环境十分复杂,为保证高效的地震救援,研发能够快速侦查、定位被困人员的技术设备十分必要(李钢等,1999顾建华等,2003陈维锋等,2003)。

目前用来探测震后废墟中被困人员的技术手段主要有光学、声波振动等(李源等,2008Hu,2012侯培国等,2014)。除此之外,GPS定位技术已在地质灾害领域得到了应用(张小红等,2012李希亮等,2014),GPS定位的基本原理是将高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据,采用空间距离后方交会的方法,确定待测点的位置。但其缺点是GPS对工作环境要求较高,卫星信号抗环境干扰和抗障碍物阻断能力比较弱,在地震后的复杂地形地貌环境中GPS失效的可能性非常高,无法提供可靠的定位导航服务。而且现有生命探测设备大都属于单点探测设备,受限于探测视角和作用距离,只适合在范围较小的废墟区域进行使用,而在大面积的废墟中使用时,需要在废墟中选取多个位置点进行多次局部探测以覆盖整个废墟区域,极大降低了探测效率。而且在多点探测判断有被困人员幸存后,现有生命探测设备也无法实现对废墟中被困人员的三维定位。因此现有生命探测设备难以快速准确地获取大面积废墟中被困人员的位置分布信息,严重影响地震救援效率。

随着移动通信技术和嵌入式技术的飞速发展,我国智能手机的普及率目前已经达到60%左右,并且依然保持逐年递增的态势。现代智能手机具备的移动性、便携性和丰富功能让每一部智能手机都成为了一台具备联网能力的完整PC。而每部智能手机都将蓝牙和Wi-Fi模块作为标配,这就使得利用智能手机进行点对点的连接成为可能。目前国内外已经实现了利用智能手机进行点对点互联的应用,如微软研发中心的Radar原型系统、Olivetti研发的Active Badge系统、Ekahau公司研发的Ekahau实时定位系统、优科(Ruckus)的SpoT、智慧图的室内导航等。

而Wi-Fi定位作为一种新兴的定位技术,在近年来也越来越受到学术界的关注(曾山,2010黄皎等,2011陆冰,2011),在国内外期刊和会议中,有关无线定位技术的论文如雨后春笋。国外科研院校也开始大量开展无线定位理论和方法的研究,许多已经取得了显著成就,如麻省理工大学的Cricket位置支持系统和ISPOTS系统、奥本大学的ARIADNE、哈佛大学的Mote Track等。国内一些科研院校在无线定位方面的研究也有重大突破,如香港科技大学的LANDMARC系统,浙江大学的INEMO系统、北京大学的TC-OFDM系统等,如今其他著名高校也加入此领域进行相关理论和技术的研究,如大连理工大学、哈尔滨工业大学、西安电子科技大学等。

Wi-Fi定位原理是以Wi-Fi组网中各节点发送的无线信号强度(RSSI)为基础,来确定各节点间的相对位置(江浩,2016)。随着Wi-Fi定位技术的日益成熟,其商业前景也逐步扩大。Wi-Fi定位作为一种新兴的定位技术,同现有的生命探测设备和传统的GPS定位方式相比较,有诸多优势。一旦智能手机与Wi-Fi中继设备实现了互联,就可以建立起无线信号强度与相对位置的模型,从而实现对智能手机的定位功能。其优势有:

(1)工作环境伸缩性大,可适应室内、室外等不同场合,定位适用性强。

(2)对环境和设备的依赖小,基于现有的Wi-Fi设备和智能手机即可开展定位服务,硬件体系和网络协议无需做任何修改,实现成本极低。

(3)非视距传输(NLOS)对Wi-Fi信号的影响较小,使得Wi-Fi定位能够工作于绝大部分有障碍物阻挡的场合。

本文正是在这一背景下提出建立一套人人能参与、低门槛的灾后救援系统,以提高国家应急救灾体系在应对震后大面积废墟下的反应速度、救援效率,从而降低人民生命财产损失。

1 系统总体设计

地震发生后,救援队员在如图 1所示搜救区域内布置多个Wi-Fi热点中继设备,利用其在一定搜救区域内快速地形成被困人员信息获取网络,从而获取分布在搜救区域的Wi-Fi手机数量、MAC地址和Wi-Fi场强等相关信息。然后根据所研究的被困人员手机分布区域测定算法,实现被埋手机数量和被困人员分布位置的快速侦查,并在中心平台通过数字、文字和二维图形方式显示。


图 1 城镇地震灾害被困人员快速侦查系统原理框图 Fig. 1 Block diagram of the rapid detection system of trapped persons in urban earthquake disaster

该系统分为Wi-Fi热点中继设备和显控中心平台两大部分。Wi-Fi热点中继设备主要由处理器模块(MCU)、无线FSK通信模块、Wi-Fi模块、电源模块、控制模块、其他外围电路以及各种信号输入输出接口组成。显控中心平台主要由平板电脑、主控模块、显控软件组成。工作原理为Wi-Fi热点中继设备通过诱导手机Wi-Fi接入获取手机MAC地址和场强信息,将信息打包封装后通过Wi-Fi热点中继设备的FSK通信模块发送到显控中心平台的主控模块;显控中心平台主控部分的FSK通信模块通过蓝牙将打包封装的数据传送到用于信息控制与处理的平板电脑;平板电脑的显控软件对信息进行处理获取被困人员(手机)的位置,并对位置分布进行图像化显示。此外显控软件还需进行参数配置通过蓝牙和FSK通信模块发送到Wi-Fi热点中继设备控制其工作状态。


图 2 基于手机Wi-Fi的城镇地震灾害被困人员快速定位的总体方框图 Fig. 2 Overall block diagram of the rapid positioning of trapped persons in urban earthquake disaster based on cell phone Wi-Fi
2 Wi-Fi热点中继设备

Wi-Fi热点中继设备自带电源、功耗低,体积小,能长时间工作。每一个Wi-Fi热点中继设备均可以形成一个以该设备为圆心的圆形Wi-Fi信号覆盖区域。在这个区域内的手机均可以主动的接入Wi-Fi热点中继设备,并且该设备能够统计接入手机的MAC地址和场强信息,然后将收集的信息传送到显控中心平台。显控中心平台也能通过主控模块来控制Wi-Fi热点中继设备工作。

2.1 硬件结构

Wi-Fi热点中继设备由嵌入式微处理器(MCU)、Wi-Fi功能模块、FSK通信模块、便携式供电电源、控制部分、具有方向性的天线、信号输入输出接口组成。Wi-Fi热点中继设备所采用的嵌入式微处理器型号是STM32F103ZET6,该系列芯片是意法半导体(ST)公司出品,属于中低端的32位ARM微控制器,其内核是Cortex-M3。从价格和功能两方面考虑,最终选择这款芯片。

STM32F103ZET6芯片介绍:LQFP-144封装,512KB片内FLASH(相当于硬盘),64KB片内RAM(相当于内存)。高达72M的频率,数据、指令分别走不同的流水线,以确保CPU运行速度达到最大化。片内双RC晶振,提供8M和32K的频率。42个16位的后备寄存器(可以理解为电池保存的RAM),利用外置的纽扣电池, 和实现掉电数据保存功能。多达80个IO(大部分兼容5V逻辑),4个通用定时器、2个高级定时器、2个基本定时器、3路SPI接口、2路I2S接口、2路I2C接口、5路USART、一个USB从设备接口、一个CAN接口、SDIO接口。CPU操作电压范围:2.0—3.6V。


图 3 Wi-Fi热点中继设备硬件系统框图 Fig. 3 Block diagram of Wi-Fi hotspot relay device hardware system

图 4 Wi-Fi热点中继设备实物图 Fig. 4 Wi-Fi hotspot relay device
2.2 设备软件

Wi-Fi热点中继设备软件主要分为嵌入式操作系统和网络通信协议两大部分,包含底层相关硬件驱动程序、网络通信应用程序,结合了嵌入式平台进行软件低功耗设计,最终实现对手机端MAC地址和Wi-Fi场强信息的收集、存储及处理,Wi-Fi热点中继设备相互通信、Wi-Fi热点中继设备与显控中心平台的自组织数据通信功能。

2.2.1 硬件驱动程序

# include "stm32f10x.h"

# include "delay.h"

# include "led.h"

# include "433.h"

# include "string.h"

# include "timer.h"

# include "Wi-Fi.h"

# include "user.h"

int main (void)

{

    SystemInit();

    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);

    delay_init();

    led_init();

    nrf433_init();      //使用FSK模块

    TIM4_Int_Init(99, 7199);    //Wi-Fi判定超时

    Wi-Fi_init();      //Wi-Fi交互

    delay_s(25);

    Wi-Fi_reset((u8*)"0009");

    while(1) //死循环里一直检测433是否收到数据,如果收到数据,则分析数据包

{     //如果收到数据包的id和自己的id一致就处理相对应的操作,如果不一致就不做处理。

        if((nrf433_flag & 0x80)!=0)

       {

          analysis_pack(nrf433_buf);

          if((rec_pack.id== 9)||(rec_pack.id == 10))

          {

              Center_Handler();

          }

          nrf433_flag = 0;

      }

    }

}

2.2.2 通信协议数据格式

指令传输格式:

AA55[1][2][3][4]

帧头:AA55

[1]:id号(1—9)

[2]:包的总字节数

[3]:传递参数(包括需要工作的id号、Wi-Fi帐号、Wi-Fi密码):id号-Wi-Fi帐号长度-Wi-Fi帐号-Wi-Fi密码

[4]:校检参数(累加和校验检查,把前面所有的数相加,取一个字节不管溢出与否,最后用0x100减去累加和就是校级检参数)

累加和校验示例算法:

unsigned char cheak(unsigned char*buf)

{

    unsigned char sum = 0;

    int a;

    int i = buf[4]-1;

    for(a = 0;a < i; a++)

     {

      sum +=buf[a];     //buf[4]代表数据长度

    }

     sum = 0x100-sum;

     return sum;

}

2.3 设备布设方法

利用城镇地震灾害被困人员快速侦查设备,快速测定被困人员手机分布的前提是合理布设多个Wi-Fi热点中继设备,布设原则是既要保证多个热点探测范围对目标区域的全覆盖,又要便于多个热点实现自组网数据通信,此外,还要考虑对被困人员手机分布测定的准确性如何。


图 5 Wi-Fi热点中继设备“九宫格”布局示意图 Fig. 5 "Jiugongge" layout diagram of Wi-Fi hotspot relay equipment

从理论角度分析,对于标准方形探测废墟区域,以9个Wi-Fi热点中继设备为例,最优布设方式采用如图所示的“九宫格”式布局,此时,相邻两个热点间的距离最小,在热点发射功率相同的情况下,最易于实现对目标区域的全覆盖和自组网数据通信。而且其均匀分布特性也有利于提升被困人员手机分布的测定准确度。在这种布局下,Wi-Fi热点中继设备的发射功率要求保证相邻两个Wi-Fi热点的探测范围存在交汇区。

在实际城镇地震废墟环境中,复杂废墟地形无法实现严格按照九宫格布局均匀摆放多个Wi-Fi热点,具体应用中需要考虑实际的废墟地形条件,在保持大致九宫格布局的前提下适当调整热点位置。此外电磁波穿透废墟时功率衰减与废墟的材质、结构等相关,由于废墟场景的复杂性和未知性,无法准确地控制Wi-Fi热点的发射功率达到有效穿透废墟实现被困人员手机侦查探测的目的,因此,实际情况下,Wi-Fi热点的发射功率应该适当增大,即扩大相邻两个Wi-Fi热点探测范围的交汇区,保证对不同废墟的有效穿透,在不同废墟环境下都具备良好的探测性能。

3 Wi-Fi手机分布区域测定算法

Wi-Fi热点中继设备对被困人员手机Wi-Fi信息进行捕获的同时,地面人员的手机Wi-Fi信息同样会捕获到,这成为一种干扰,因此,在利用捕获的手机Wi-Fi信息测定被困人员手机分布区域之前,首先需要解决被困人员手机与地面人员手机Wi-Fi信息的识别问题,这里我们采用了基于多点MAC统计判决的被困人员与地面人员手机识别算法,剔除地面人员手机Wi-Fi信息干扰,保证被困人员手机分布区域测定的准确性。然后再根据基于区域分类匹配的被困人员手机分布区域测定算法,得到被困人员的具体位置。

3.1 基于多点MAC统计判决的被困人员与地面人员手机识别算法

利用电磁波在大气和废墟中传播特性的区别,基于多点MAC统计判决的被困人员与地面人员手机识别算法的基本思想如图 6所示。假设地面布设了3个Wi-Fi热点中继设备,废墟上地面人员手机3部,废墟下被困人员手机3部,由于电磁波在废墟中传播时需要穿透非均匀废墟介质,信号衰减远高于电磁波大气传播,因此,单个Wi-Fi热点中继设备只能够捕获距离最近的1部被困人员手机的MAC地址信息,但是可以同时捕获全部3部地面人员手机的MAC地址信息。对于3个Wi-Fi热点中继设备来说,每部地面人员手机MAC地址出现3次,而被困人员手机MAC地址的出现1次,利用这一区别,只需要设置判决门限2,MAC地址出现次数大于门限的则判决为地面人员手机,小于门限的则判决为被困人员手机,即可实现被困人员与地面人员手机的识别。


图 6 基于多点MAC统计判决的被困人员与地面人员手机识别示意图 Fig. 6 Schematic diagram of the identification of trapped personnel and groundpersonnel based on multi-point MAC statistics

对于按照“九宫格”布局的9个Wi-Fi热点中继设备,单个Wi-Fi热点只能捕获附近单个或者少数几个被困人员手机MAC地址信息,但同时却能够收集多个地面人员手机MAC地址信息,因此,基于9个Wi-Fi热点收集的手机MAC地址信息,利用上述识别方法的基本思想即可以完成被困人员与地面人员手机的识别。具体处理流程如下:

步骤1:每个Wi-Fi热点收集探测范围内手机的MAC地址信息;

步骤2:统计9个Wi-Fi热点中MAC地址的出现次数作为检测统计量;

步骤3:根据多次测量,合理设置判决门限;

步骤4:检测判决,若MAC地址的出现次数大于门限,判决为地面人员手机;小于门限判决为被困人员手机。

完成手机识别后,地面人员手机的MAC地址和Wi-Fi场强信息被剔除掉,从而消除了地面人员手机的干扰,而被困人员手机的MAC地址和Wi-Fi场强信息被用以进行下一步的分布区域测定处理。

3.2 基于区域匹配的被困人员手机分布区域测定算法

分区域探测手机的9个Wi-Fi热点中继设备采用九宫格的方式摆放,并按照1到9号进行编号。根据每个Wi-Fi中继设备的功率辐射范围,对此将9个Wi-Fi热点中继设备探测范围细分成40个区域。如图 7所示。


图 7 9个探测热点中继设备的九宫格分区域示意图 Fig. 7 Jiugong grid sub-regional diagram of 9 hotspot relay equipment

为实现对Wi-Fi热点中继设备覆盖范围内所有手机进行定位,提出了基于区域匹配的被困人员手机分布区域测定算法。

该算法的基本思路是首先将Wi-Fi热点中继设备的覆盖范围具体细分为40个区域,确定每一个区域关联的Wi-Fi热点信息;其次根据Wi-Fi热点中继设备搜索到的被困人员手机情况,确认每一部被困人员手机关联的Wi-Fi热点信息;最终将被困人员手机关联的Wi-Fi热点信息与区域关联的Wi-Fi热点信息进行匹配比对,将被困人员手机定位至相同Wi-Fi热点信息关联的区域内,实现手机分布区域的测定。

例如当只有1号Wi-Fi热点中继设备能够探测到被困人员手机的MAC地址时,该手机位置在1号区域;只有3号Wi-Fi热点中继设备能够探测到被困人员手机的MAC地址时,该手机位于5号区域;当只有1号Wi-Fi热点中继设备和2号Wi-Fi热点中继设备能够探测到被困人员手机的MAC地址时,该手机位于2号区域;当只有2号Wi-Fi热点中继设备和3号Wi-Fi热点中继设备能够探测到被困人员手机的MAC地址时,该手机位于4号区域,其他依次类举。

4 显控中心平台
4.1 显控中心平台硬件结构

显控中心平台由PC端(平板电脑)和主控模块两大部分组成。主控模块又由嵌入式处理器(MCU)、FSK通信模块、蓝牙、电源部分及其配套电路组成。这里所采用的嵌入式处理器芯片同样为STM32F103ZET6。FSK通信模块采用的是E31-TTL-50,该模块是基于瑞士进口AX5043射频芯片的无线串口模块(UART),采用透明传输方式,工作在425—450.5MHz频段(默认433MHz),窄带传输,功率低、距离远,TTL电平输出,兼容3.3V与5V的I/O口电压。选择该模块的原因是它采用窄带传输,抗干扰性强,数据传输可靠,能够适应复杂的地震废墟环境。窄带传输具有功率密度集中,传输距离远,抗干扰能力强的优势,在同样功率下比其它同类产品的传输距离大大增加。模块具有软件FEC前向纠错算法,其编码效率较高,纠错能力强,在突发干扰的情况下,能主动纠正被干扰的数据包,提高可靠性和传输距离。蓝牙模块型号为MTSerialBl,是一款低功耗的无线透传模块。该模块集成4路PWM输出,1路12位ADC输入,7个标准I/O控制,6个按键触发,内置蓝牙协议,可以直接进行数据传输。其低功耗保证Wi-Fi主控模块续航能力,高集成度的模块缩短了开发周期,也保证了设备工作的可靠性。

显控中心平台通过主控模块接收Wi-Fi热点中继设备收集到的信息,然后通过主控模块中的蓝牙将收集到信息发送到PC端(平板电脑)。PC端也能够通过蓝牙和FSK通信模块控制Wi-Fi热点中继设备工作。


图 8 显控中心平台系统框图 Fig. 8 Block diagram of the control system platform display
4.2 显控中心平台终端软件

显控中心平台软件系统是基于安卓4.0开发的操作软件,基本原理是根据Wi-Fi手机信号的场强和Wi-Fi获取网络节点,结合研究的Wi-Fi手机分布区域测定算法,完成被困人员位置分布的确定,最终形成直观的图文数据。并且软件能够通过主控模块控制Wi-Fi热点中继设备工作。

软件运行模式主要是图形化人机交互界面,分为Wi-Fi管理、侦查搜索和Wi-Fi设置3个子界面,如图 9所示。其中,Wi-Fi管理子界面主要负责开放Wi-Fi信息获取、导入和筛选;侦查搜索子界面主要负责手机Wi-Fi信息的接收与处理、处理结果显示、Wi-Fi热点中继设备工作状态控制;Wi-Fi设置子界面主要负责以中心平台为原点的侦查坐标系的确定与主控模块的蓝牙连接、清理地图位置信息和手机信息。


图 9 显控中心平台人机交互界面 Fig. 9 Interaction interface of control center platform human-computer
4.2.1 Wi-Fi管理子界面

Wi-Fi管理子界面主要负责完成周边开放Wi-Fi热点相关信息(SSID名称和密码)的获取与存储、外部Wi-Fi热点信息的导入、被困人员手机侦查的高关联度Wi-Fi热点信息筛选,如图 10所示。


图 10 Wi-Fi管理子界面 Fig. 10 Wi-Fi management sub-interface
4.2.2 Wi-Fi侦查搜索子界面

Wi-Fi侦查搜索子界面是整个中心平台软件的核心,包括有数量搜索、位置搜索、地图模式、上报控制4个模式。主要负责完成Wi-Fi热点中继设备工作状态人机交互控制、手机Wi-Fi信息的接收与处理、处理结果显示与上报、通信工作状态显示等。数量搜索和地图模式的界面如图 11图 12所示。


图 11 Wi-Fi热点侦查搜索子界面(数量搜索)示意图 Fig. 11 Diagram of Wi-Fi hotspot search sub-interface (search and rescue mode)

图 12 Wi-Fi热点侦查搜索子界面(地图模式)示意图 Fig. 12 Diagram of Wi-Fi hotspot search search sub-interface (overview mode)
4.2.3 Wi-Fi设置子界面

Wi-Fi设置子界面主要功能有控制蓝牙与主控模块的连接、下载更新离线地图、显示全局的场强门限、设置Wi-Fi中继设备覆盖半径(正常情况下设备的默认覆盖半径为12m),清除地图上生成的Wi-Fi位置信息和清除生成的手机位置信息。


图 13 Wi-Fi设置子界面示意图 Fig. 13 Wi-Fi hotspot sub-interface diagram
5 总结

本文针对现有探测设备在大面积地震废墟中探测定位被困人员效率低下的问题,提出了一种基于Wi-Fi信号的快速侦测被困人员的技术解决方案。在此基础上设计、实现了一种在地震灾害过后能够帮助救援人员快速找到可能生还的遇险人员、提高受灾群众生存率的救援系统,为我国的地震救援提供了一种有效的技术手段。

参考文献
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Trapped Person Location System in Earthquake Ruins Based on Wi-Fi Signals
Li Hailin*, Guo Yong, Bai Fenyu, Feng Bei, Chen Zhiyuan
(College of Information Science and Technology, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)
Abstract

After viewing the need of fast and accurate detection and location of the trapped people under the large-area ruins after the earthquake, we present the detection technology of the trapped personnel location based on the Wi-Fi signal. Taking embedded technology as the base, with the application of FSK communication, Wi-Fi location, Wi-Fi location algorithm, we put forward the feasible design solution of Wi-Fi hotspot relay equipment and display control center platform, and develop the equipment. The results provide an effective technical means for earthquake rescue in China.



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基于Wi-Fi信号的地震废墟被困人员侦查系统
李海林*, 郭勇, 白芬玉, 冯贝, 陈志远
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20170426