基于WiFi定位的地震搜救系统设计

吴　飞，王博韬，毛晨曦，谢兴红，钟晓玲

(成都理工大学 信息科学与技术学院，四川 成都 610059)

0　引言

据统计，全球每年大概发生500多万次地震，地震造成的人员伤亡和经济损失也是不计其数，因此地震救援将是全世界关注的核心。地震发生后救援的第一步是搜索，救援人员必须在很短的时间内找到幸存者，才能把伤害降到最低。因此被困人员的快速搜索是世界各国研究的重点，也是防震减灾的重要研究对象[1]。目前的被困人员搜索主要有人工搜索、仪器搜索、犬搜索等。最常见的是红外生命探测和雷达生命探测仪，红外生命探测仪的原理是利用温度差来检测有无人员幸存，但是无法做到大面积快速探测，也无法准确定位而导致救援效率不高。并且由于地震后各种基础通讯设施都会被破坏，这就使得救援人员无法及时上报现场情况，也会阻碍指挥中心对于救援工作的进一步开展[2]。

为了实现对被困人员的快速搜索与定位，采用一种新的模式，通过距离人最近的手机作为介质，实现对被困人员的快速定位，通过WiFi获取到被困人员手机的MAC地址和实时信号强度，通过433 MHz射频通信传输到主控设备上，再通过蓝牙将打包整理好的数据发送到Android端，在Android端利用三角形定位的数据处理方法确定被困人员的具体位置，最终实现在Android平台上看到被困人员的数量和大体位置，在搭建临时4G基站后，就可以通过4G信号上报到服务器。后方指挥中心通过传来的数据科学地安排救援工作，从而提高救援的效率。

1　系统结构设计

如图1所示，本系统按照数据采集、中间层、应用层的架构进行设计。

图1　系统结构与工作原理

数据采集设备包含mcu、GPS、WiFi模块和无线模块，主要功能是接收上层传来的命令更改WiFi账号密码，从而使被困人员手机自动连接上来，然后收集用户的MAC地址和实时的信号强度，将模块的GPS信息和被困人员手机信息上传到上层。中间层主要包含mcu、蓝牙和无线模块，主控层作为中间层，用来调度底层的检测设备，并接收底层传来的数据，整理成帧，通过蓝牙发送给应用层。应用层主要是提供用户界面和交互的接口，目前支持安卓平台，用来接收中间层的数据帧，并直观地显示被困人员的数量和位置，再通过4G信号传送到服务器，控制中心接收到灾区发送的被困信息之后便可以展开救援措施。另外应用层还包括电台，可以在需要的时候将电台接在主控设备上，主控设备即可将数据发送到远端。

2　硬件电路设计

2.1　WiFi模块

WiFi通常特指IEEE802.11a/b/g/n/ac等协议，在信号较弱或干扰时，带宽可自动调整，有效地保证了网络的稳定性，使用开放的2.4 GHz直接序列扩频，其中IEEE802.11b的传输速率可达11 Mbit/s，其他协议还有更丰富的传输速率[3]。

一般地震后基础设施与通信网络均被破坏，在数据采集与传输系统中的数据终端接入方式就要使用无线方式，而且在工业自动化和数据采集系统中，由于串行通信简单易于实现，且传输的数据较稳定，因此类似RS232串行接口广泛应用，但这类数据传输距离短，不能满足网络化的需求，座椅数据采集终端就要采用快速接入以太网或无线局域网的方法[4]。

由于普通的WiFi模块只能接入几十个到二十个设备，所以WiFi模块采用的是国外进口的WizFi630(如图2所示)，该模块能接入将近200台设备，基本满足设计要求。

图2　WizFi630的结构框图

WizFi630是能够将RS-232协议和TCP/IP协议转换为IEEE802.11b/g/n wireless LAN(无线局域网)协议的网关模块。WizFi630能够使带有RS-232串行接口的设备连接到LAN或WLAN，以此来进行远程控制、测量和管理。由于自身带有内置的交换器，WizFi630也可以作为IP路由器来工作。

WizFi630使用了诸如串口(UART)、LAN、WiFi(WLAN)的接口来完成串口(UART)转WiFi、串口转以太网和以太网转WiFi等功能。用户可以连接到WizFi630的内置网络服务器或使用串口命令进行简单的WiFi设置；

采集端使用的WizFi630是通过串口来进行数据交互，将采集到的MAC地址和信号强度通过433 M无线模块传输到主控端。

2.2　433 MHz无线模块

433 MHz频段的无线网络模型可以解决地震救援现场环境复杂难以传输的问题，433 MHz局域网的协议网络拓扑结构为主从式星形结构[5]，而且433 MHz频段网络可以方便地组网，也可利用中继延长传播距离，这一点对于地震救援中的数据传输十分重要[6-7]。

E31-TTL-1W是一款AX5043射频芯片的无线串口模块(UART)，透明传输方式，工作在425～450.5 MHz频段(默认433 MHz)，发射功率为1 W、窄带传输、TTL电平输出，兼容3.3 V或5 V电压(建议5 V以达到最大功率)。模块串口外发数据时AUX引脚时序如图3所示。

图3　模块串口外发数据时AUX引脚时序

433 MHz模块也通过串口进行数据收发，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，在同样功率下传输距离大大增加。它带有自动检错的功能，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。

2.3　主控设备

本设计的主控芯片采用STM32F103x(如图4所示)，因为该芯片是32位标准处理器，具有低功耗、短中断延迟、低调试成本的优点[8]。它是专门为在微控制器系统、汽车电子系统、工控系统和无线网络等对功耗和成本敏感的嵌入式系统应用领域实现高系统性能而设计的。它包括16通道的12位A/D转换器、7通道的DMA控制器、16位定时器、USART接口、CAN接口(2.0B)和USB2.0全速接口(12 Mbps)等特点[9]。

图4　STM32F103x的部分电路图

外围芯片按功能模块扩展，由电流检测、信号采集、数据通信接口、执行输出元件等模块组成[10]。

供电部分主要是使用的3.6 V、4 A/H 的锂电池，电池两组红黑线一组用于供电，一组用于充电，主控使用的一组电池，WiFi设备使用2组电池；分别对433和电路其他部分进行供电，电池均通过63001稳压，稳定输出3.3 V电压。

主控芯片在本系统的作用主要为接收采集端发送来的被困人员数据，并进行打包处理，方便下一步数据的传输。

2.4　蓝牙模块

蓝牙采用BLE低功耗的模块，通过串口收发。蓝牙低功耗技术具有超低的待机功耗、较低的发射峰值电流、延时时间不大于3 ms的特点，可以满足应用于功耗要求低的无线传输[11]。

如图5所示，本设计中采用MTSerialBle透传模块，模块支持主从一体，可实现模块与模块间的数据传输，模块集成4路PWM输出，1路12位ADC输出，7个标准I/O控制，6个按键触发。可直接使用串口传输数据。

图5　MTSerialBle引脚图

过63001稳压蓝牙核心规范提供了一个标准的主机和控制器之间的通信协议，可以使不同生产厂家的主机和控制器相互通信[12]，由此可以将主控芯片接收到的数据发送到Android端。

3　软件设计

3.1　三角形定位算法

由于地震过后环境的复杂性导致信号强度的衰减，会导致在AP点测得的RSSI强度值会小于距离的真实值，根据半径作图可以得到一个三角形的重叠区域。三角形质心定位算法是根据室内信号的传播模型，求出距离，并在重叠的三角形中求出质心位置[13]，即为该点所求的位置。

图6　三角质心定位算法示意图

接收到采集和处理端的数据后，根据对应AP热点和RSSI信号强度值，可以计算出AP热点到待测位置的距离：{AP1,d1},{AP2,d2},{AP3,d3}。

运用上述算法可以得到待测点的位置坐标(x,y)。

测定误差由e表示，其真实位置为(x0,y0)，其误差可以表示为：

3.2　Android交互平台

本平台采用单客户端结构，这种结构最大的优势在于不需要额外的设备，不需要连接服务器端，可以减少网络上的信息传输，算法模块在客户端完成不需要网络通信，耗电量小。Android平台功能如图7所示。

图7　Android平台功能

客户端采用主流的Android开发环境Eclipse+ADT+AndroidSDK，在Eclipse平台上编写Android应用程序，可以创建Android虚拟机，先在Eclipse上安装ADT插件，然后指定AndroidSDK所在的路径[15]，可以在此虚拟机上进行Android应用程序的调试。

4　系统测试

系统的测试具体步骤如下：

① 将电脑散发出WiFi，将WiFi的SSID设为DZJY1，密码设为12345678。然后将20部手机连接上此WiFi，让手机保存此WiFi信息。

② 将9台研制的WiFi中继器结合实际的实验地点，尽量按照50*50 m的九宫格布局，并且保证每台设备处于打开状态。布局示意图如图8所示，相邻圆心间隔为17 m。

图8　数据采集设备的放置

③ 让6名学生将5部手机携带着分散在9台WiFi中继器附近(不进行任何操作)。并让部分手机处于WiFi信号覆盖的交汇处。

④ 通过中心控制设备将9台WiFi中继器的WiFi信息全部设成SSID为DZJY1，密码为12345678。9台散发器同时运行。

⑤ 收集信息，在中心控制设备上显示连接手机的数量。

⑥ 把最终的手机数量结果通过电台上传一体化系统。

最终，在测试中整个系统通过采集端将被分散放置的手机的位置通过Android端直观地显示出来，如图9所示。

图9　Android地图模式示意图

5　结束语

通过测试可知本文的基于WiFi的地震救援系统相比于传统救援设备具有成本低廉、操作简便、定位精确度较高性能稳定的特点，基本可以完成对被困人员的定位显示，并且可以将被困人员的位置和数量上报至指挥中心，为科学有效地制定救援计划提供快速准确的数据，提高救援的效率。而且整个系统的有效作用范围最大可达到1 km，本系统不仅能够应用于地震救援，还可以应用各种抢险救灾的救援现场，并且有利于智能设备在灾害救援中的发展和普及。

但由于WiFi属于2.4 GHz频段，对钢筋水泥的穿透能力弱，因此作用范围受限，还有一定的改进空间，并可以结合最新的BLE、NB-IOT和eMTC技术研究新型智能自然灾害搜救设备，来降低搜救设备的功耗，结合一定的算法进一步提高定位的精确性。

[1]徐敬海,杨燕,邓民宪,等.基于GIS的地震灾情速报与快速判定[J].自然灾害学报,2010,19(4):141-146.

[2]张兵,邢丽莉,李军,等.一种基于物联网的地震救援辅助系统[J].自然灾害学报,2014,23(3):200-204.

[3]吴海超,林君,李哲,等.基于低功耗WiFi的无缆地震仪通信终端[J].仪表技术与传感器,2012,(10):37-40,57.

[4]张晓辉.串口转WiFi/GPRS数据双网模块开发[D].西安:西安科技大学,2011.

[5]邓自军.基于433M模组局域网协议的设计与实现[D].北京:北京邮电大学,2012.

[6]高青云.基于433 Mhz频段无线模块和WiFi技术的无线点菜系统[D].北京:北京邮电大学,2013.

[7]李快快,张东.一种433 MHz无线传感器网络的设计与应用[J].信息技术,2014(1):131-134.

[8]蔡雪艳,曾成,伍萍辉.基于STM32F103X的万能式断路器控制器[J].电测与仪表,2010,47(3):55-58.

[9]唐伟,于平,李峥辉.STM32F103x的USB多路数据采集系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2009(8):39-41,45.

[10] 李寒生,黄卫红.基于STM32F103X系列单片机的智能游客寻呼系统[J/OL].软件导刊,2014,13(11):136-138.

[11] 邹向阳,谭彬,何青云.无线传感器节点中的BLE蓝牙低功耗研究[J].现代电子技术,2016,39(20):67-71.

[12] 丁鹭.基于蓝牙低功耗传输的智能腕带设计[D].杭州:杭州电子科技大学,2015.

[13] 郭瑞,马寅飞.基于RSSI的三角形质心定位算法的优化策略[J].微电子学与计算机,2014,31(3):111-114.

[14] 林玮,陈传峰.基于RSSI的无线传感器网络三角形质心定位算法[J].现代电子技术,2009,32(2):180-182.

[15] 贾海祎.基于WIFI网络的智能手机室内定位系统的研究[D].安徽:安徽工业大学,2016.