基于Wi-Fi的人防警报控制系统研究

张 稳，李金新，陈冬萍，李玉平

(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江杭州310018)

0 引言

防空警报是在空袭或遭遇重大灾害时向人民群众发放预警信息的重要通讯设备，警报通信系统的好坏关系着警报信息能否迅速、准确地传递和发放。当今社会，信息技术的快速发展要求人防系统在高科技战争环境下要有更强的专业性、更鲜明的对抗性，逐步向高层次的信息化方向发展。20世纪80年代以来，人防工程建设开始走和平时期建设与发展之路。目前，国内很多城市都在重要防护目标上安装了各种类型的警报器，其控制中心与警报器控制终端的通信方式主要采用无线电台、电话线DTMF、GRPS等传输方式，这些控制方式在现有防空警报体系中发挥着重要作用，但是又各有自己的局限性［1］。随着Wi-Fi技术的不断成熟，建设和维护成本日趋合理，基于无线城市的无线宽带网络有着广阔的发展前景。因此，本文提出了基于无线城市Wi-Fi网络的远程控制系统，为人防警报控制提供了新思路。

1 系统总体设计方案

人防警报系统一般由3部分构成:控制中心、控制网络、警报终端。系统结构如图1所示。

图1 人防警报系统结构图

控制中心是整个警报系统的指挥中心，通信时控制中心和警报点处于不间断的通信状态。警报控制器终端有多种网络的接口，可以根据具体情况选择需要接入的网络［2、3］。控制中心和警报器之间的数据通信主要有报警命令、报警命令执行确认、状态查询、状态回复等。需要发送警报时，控制中心人员选择不同的传输网络向警报控制器发送命令，控制终端验证通过后警报器发出相应的警报，并向控制中心回传指令执行状态。本设计只考虑Wi-Fi无线网络的控制。无线Wi-Fi模块配置成一个无线STA，也可以配置成AP，因此提供了十分灵活的组网方式。考虑到Wi-Fi自组网传输距离和稳定性无法保证，将Wi-Fi模块统一设置为STA模式，接入Wi-Fi公共网。Wi-Fi无线公共网依托无线城市免费无线资源，使网络建设成本大大降低，组网方案如图2所示。

图2 组网方案

2 系统硬件设计

选用的USR－WIFI232－B型Wi-Fi模块采用Marvell专业领先的高品质Wi-Fi芯片，高速ARM内核，支持802.11b/g/n无线标准，支持TCP/IP/UDP网络协议栈，具有UART/GPIO/以太网数据通讯接口，模块可以设置为STA、AP、AP+STA 3种模式，组网灵活方便。

WIFI232－B模块硬件电路图如图3所示，图3中，(a)为WIFI232核心模块，(b)为电平转换电路，(c)为电源模块电路，(d)为信号指示电路，(e)为恢复出厂设置电路，(f)为复位电路。系统总体硬件设计如图4所示，警报终端MCU选用ST公司的STM32F103C8T6，主控制器通过串口与WIFI232－B的UART_TXD/RXD引脚相连并共地，上电后配置好Wi-Fi终端二者即可实现通信。

图3 WIFI232－B模块原理图

图4 系统总体硬件设计

3 系统软件设计

3.1 Wi-Fi模块配置

模块连网前的参数配置有通过串口发送AT指令和通过Web页面直接配置两种方式。以Web方式配置为例，可以配置模块工作模式、接入网名称等无线参数，也可设置固定IP，方便管理。配置完毕，模块上电后可自动搜索公共无线信号，自动入网。

3.2 服务器软件设计

服务器软件采用VB语言编写，安装到台式机或移动办公的笔记本上，只要存在链路信号就能随时随地收发警报控制指令。其功能如图5所示。

报警终端的Wi-Fi模块设置为客户端模式，和服务器建立专用Socket连接(需要服务器端有固定的IP)，将其地址码和其他信息封装在数据包中，通过Socket连接发送到对方。收发双方遵循统一的数据帧结构进行封装和解析［4］。通信过程如下:

(1)服务器建立后，警报终端会自动连接到服务器，连接成功之后在服务器显示终端的连接信息;

(2)服务器接收到连接请求即建立相应的Socket连接，连接成功则发送信息到警报终端，终端如果没收到连接成功的信息，则会自动重连;

(3)服务器会定时发送巡检信号到客户端，以检验警报终端工作状态，保证实时在线;

(4)服务器发送命令到警报终端，经过密钥验证通过之后执行相应警报发送，发送完毕返回命令执行状态。

图5 警报控制系统功能框图

3.3 报警终端软件设计

报警终端作为警报命令的接收和执行者，起着重要作用。由于防空警报的特殊性用途，必须考虑其可靠性和保密性。为此所有的控制指令都按照相同的结构封装成数据帧，报警终端发送给监控中心的数据也采用相同的数据帧结构，使双方对数据包的封装和拆封标准化。在数据帧中加入CRC校验码，保证数据的无误传输［5］。数据帧的结构由包头、设备ID号、警报类型、警报指令、CRC校验及包尾等组成。

由于Wi-Fi信号覆盖的问题，有的区域信号强，有的地区信号弱，报警终端在连接的过程中难免会出现掉线的问题，为此为Wi-Fi模式设置一个自动重连机制，当Wi-Fi模块与服务器之间断开连接时，之前建立的Socket链接失效，模块若要再次与服务器相连必须重新建立新的通道，所以服务器端在监测到Socket一方断开连接后，自动断开原有Socket，并重启该端口进行监听，这样Wi-Fi模块再次进入AP网内便可与服务器重新连接［6］。报警终端软件设计如图6所示。

图6 报警终端软件设计图

4 测试结果

为了验证本系统的可靠性，对该系统进行了充分的实验。实验采用无线路由模拟室外无线Wi-Fi信号，在此选取3个参考节点同时连入网络。上位机软件建立服务器后，3个终端节点启动网络连接，上位机会显示出不同连接的IP及端口号。实验以3个LED小灯作为终端状态指示，控制端发送对应的操作指令码后，指令经无线网络传给Wi-Fi终端，终端执行相应动作，并返回执行状态。当发送的指令码正确时，终端返回执行成功的提示，对应LED为点亮状态;当发送的指令码错误时，终端返回错误提示，对应LED为熄灭状态，测试结果如图7所示。在进行的多次实验中，信号良好的情况下通信成功率几近100%，通信效果较为理想。

图7 系统测试结果图

5 结束语

本文设计的人防警报控制系统，是基于A市防空警报现状而提出，充分利用了公共网络的便捷性特点，保证了警报信号的可靠发放。经测试，在信号良好的情况下，报警终端可以有效地执行上位机指令。目前正对实验过程中反映出的一些问题做进一步改进，不断完善以提高该控制系统在特殊应用场合下信息传输的可靠性。

［1］ 孙恒.防空警报有线控制及远程状态监测系统［D］.大连:大连理工大学，2009.

［2］ 陈永生，胡尔标.一种人防警报集中控制系统的可靠连接策略［J］.计算机工程，2007，(1):250－252.

［3］ 颜博.城市应急指挥平台的设计与实现［D］.南京:南京理工大学，2011.

［4］ 张宝树，许正航.基于CDMA和TCP/IP的人防警报系统［J］.承德:承德石油高等专科学校学报，2010，(1):28－32.

［5］ 吴美玲.基于GPRS的污水处理远程监控系统的设计与研究［D］.武汉:武汉理工大学，2006.

［6］ 杜遥.基于Wi-Fi的心电信号传输系统［D］.天津:天津理工大学，2012.