李海林 郭 勇 白芬玉 馮 貝 陳志遠(yuǎn)

?

基于Wi-Fi信號(hào)的地震廢墟被困人員偵查系統(tǒng)1

李海林 郭 勇 白芬玉 馮 貝 陳志遠(yuǎn)

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

針對震后大面積廢墟下被困人員快速準(zhǔn)確檢測與定位的需求，本文提出了基于Wi-Fi信號(hào)的地震災(zāi)害人員偵查技術(shù)。以嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)，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熱點(diǎn)中繼設(shè)備和顯控中心平臺(tái)切實(shí)可行的設(shè)計(jì)解決方案，研制出能夠?qū)崿F(xiàn)震后大面積廢墟下被困人員快速定位的設(shè)備，并提出設(shè)備布設(shè)方案。為我國地震救援提供一種有效的技術(shù)手段。

地震被困人員快速定位 Wi-Fi熱點(diǎn)中繼 嵌入式技術(shù) Wi-Fi定位算法

引言

中國位于環(huán)太平洋和亞歐大陸地震帶上，極易發(fā)生地震。地震的突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大（張風(fēng)華等，2004；郭小東等，2005）。在人口密集區(qū)域，地震廢墟中常常掩埋著被困人員。根據(jù)救援經(jīng)驗(yàn)，震后72小時(shí)內(nèi)，得到救援的被困人員存活率極高。但地震過后環(huán)境十分復(fù)雜，為保證高效的地震救援，研發(fā)能夠快速偵查、定位被困人員的技術(shù)設(shè)備十分必要（李鋼等，1999；顧建華等，2003；陳維鋒等，2003）。

目前用來探測震后廢墟中被困人員的技術(shù)手段主要有光學(xué)、聲波振動(dòng)等（李源等，2008；Hu，2012；侯培國等，2014）。除此之外，GPS定位技術(shù)已在地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域得到了應(yīng)用（張小紅等，2012；李希亮等，2014），GPS定位的基本原理是將高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會(huì)的方法，確定待測點(diǎn)的位置。但其缺點(diǎn)是GPS對工作環(huán)境要求較高，衛(wèi)星信號(hào)抗環(huán)境干擾和抗障礙物阻斷能力比較弱，在地震后的復(fù)雜地形地貌環(huán)境中GPS失效的可能性非常高，無法提供可靠的定位導(dǎo)航服務(wù)。而且現(xiàn)有生命探測設(shè)備大都屬于單點(diǎn)探測設(shè)備，受限于探測視角和作用距離，只適合在范圍較小的廢墟區(qū)域進(jìn)行使用，而在大面積的廢墟中使用時(shí)，需要在廢墟中選取多個(gè)位置點(diǎn)進(jìn)行多次局部探測以覆蓋整個(gè)廢墟區(qū)域，極大降低了探測效率。而且在多點(diǎn)探測判斷有被困人員幸存后，現(xiàn)有生命探測設(shè)備也無法實(shí)現(xiàn)對廢墟中被困人員的三維定位。因此現(xiàn)有生命探測設(shè)備難以快速準(zhǔn)確地獲取大面積廢墟中被困人員的位置分布信息，嚴(yán)重影響地震救援效率。

隨著移動(dòng)通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，我國智能手機(jī)的普及率目前已經(jīng)達(dá)到60%左右，并且依然保持逐年遞增的態(tài)勢?，F(xiàn)代智能手機(jī)具備的移動(dòng)性、便攜性和豐富功能讓每一部智能手機(jī)都成為了一臺(tái)具備聯(lián)網(wǎng)能力的完整PC。而每部智能手機(jī)都將藍(lán)牙和Wi-Fi模塊作為標(biāo)配，這就使得利用智能手機(jī)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的連接成為可能。目前國內(nèi)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了利用智能手機(jī)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)互聯(lián)的應(yīng)用，如微軟研發(fā)中心的Radar原型系統(tǒng)、Olivetti研發(fā)的Active Badge系統(tǒng)、Ekahau公司研發(fā)的Ekahau實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)、優(yōu)科（Ruckus）的SpoT、智慧圖的室內(nèi)導(dǎo)航等。

而Wi-Fi定位作為一種新興的定位技術(shù)，在近年來也越來越受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注（曾山，2010；黃皎等，2011；陸冰，2011），在國內(nèi)外期刊和會(huì)議中，有關(guān)無線定位技術(shù)的論文如雨后春筍。國外科研院校也開始大量開展無線定位理論和方法的研究，許多已經(jīng)取得了顯著成就，如麻省理工大學(xué)的Cricket位置支持系統(tǒng)和ISPOTS系統(tǒng)、奧本大學(xué)的ARIADNE、哈佛大學(xué)的Mote Track等。國內(nèi)一些科研院校在無線定位方面的研究也有重大突破，如香港科技大學(xué)的LANDMARC系統(tǒng)，浙江大學(xué)的INEMO系統(tǒng)、北京大學(xué)的TC-OFDM系統(tǒng)等，如今其他著名高校也加入此領(lǐng)域進(jìn)行相關(guān)理論和技術(shù)的研究，如大連理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等。

Wi-Fi定位原理是以Wi-Fi組網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)發(fā)送的無線信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）為基礎(chǔ)，來確定各節(jié)點(diǎn)間的相對位置（江浩，2016）。隨著Wi-Fi定位技術(shù)的日益成熟，其商業(yè)前景也逐步擴(kuò)大。Wi-Fi定位作為一種新興的定位技術(shù)，同現(xiàn)有的生命探測設(shè)備和傳統(tǒng)的GPS定位方式相比較，有諸多優(yōu)勢。一旦智能手機(jī)與Wi-Fi中繼設(shè)備實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)，就可以建立起無線信號(hào)強(qiáng)度與相對位置的模型，從而實(shí)現(xiàn)對智能手機(jī)的定位功能。其優(yōu)勢有：

（1）工作環(huán)境伸縮性大，可適應(yīng)室內(nèi)、室外等不同場合，定位適用性強(qiáng)。

（2）對環(huán)境和設(shè)備的依賴小，基于現(xiàn)有的Wi-Fi設(shè)備和智能手機(jī)即可開展定位服務(wù)，硬件體系和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無需做任何修改，實(shí)現(xiàn)成本極低。

（3）非視距傳輸（NLOS）對Wi-Fi信號(hào)的影響較小，使得Wi-Fi定位能夠工作于絕大部分有障礙物阻擋的場合。

本文正是在這一背景下提出建立一套人人能參與、低門檻的災(zāi)后救援系統(tǒng)，以提高國家應(yīng)急救災(zāi)體系在應(yīng)對震后大面積廢墟下的反應(yīng)速度、救援效率，從而降低人民生命財(cái)產(chǎn)損失。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

地震發(fā)生后，救援隊(duì)員在如圖1所示搜救區(qū)域內(nèi)布置多個(gè)Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備，利用其在一定搜救區(qū)域內(nèi)快速地形成被困人員信息獲取網(wǎng)絡(luò)，從而獲取分布在搜救區(qū)域的Wi-Fi手機(jī)數(shù)量、MAC地址和Wi-Fi場強(qiáng)等相關(guān)信息。然后根據(jù)所研究的被困人員手機(jī)分布區(qū)域測定算法，實(shí)現(xiàn)被埋手機(jī)數(shù)量和被困人員分布位置的快速偵查，并在中心平臺(tái)通過數(shù)字、文字和二維圖形方式顯示。

該系統(tǒng)分為Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備和顯控中心平臺(tái)兩大部分。Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備主要由處理器模塊（MCU）、無線FSK通信模塊、Wi-Fi模塊、電源模塊、控制模塊、其他外圍電路以及各種信號(hào)輸入輸出接口組成。顯控中心平臺(tái)主要由平板電腦、主控模塊、顯控軟件組成。工作原理為Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備通過誘導(dǎo)手機(jī)Wi-Fi接入獲取手機(jī)MAC地址和場強(qiáng)信息，將信息打包封裝后通過Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備的FSK通信模塊發(fā)送到顯控中心平臺(tái)的主控模塊；顯控中心平臺(tái)主控部分的FSK通信模塊通過藍(lán)牙將打包封裝的數(shù)據(jù)傳送到用于信息控制與處理的平板電腦；平板電腦的顯控軟件對信息進(jìn)行處理獲取被困人員（手機(jī)）的位置，并對位置分布進(jìn)行圖像化顯示。此外顯控軟件還需進(jìn)行參數(shù)配置通過藍(lán)牙和FSK通信模塊發(fā)送到Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備控制其工作狀態(tài)。

圖1 城鎮(zhèn)地震災(zāi)害被困人員快速偵查系統(tǒng)原理框圖

圖2 基于手機(jī)Wi-Fi的城鎮(zhèn)地震災(zāi)害被困人員快速定位的總體方框圖

2 Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備

Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備自帶電源、功耗低，體積小，能長時(shí)間工作。每一個(gè)Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備均可以形成一個(gè)以該設(shè)備為圓心的圓形Wi-Fi信號(hào)覆蓋區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的手機(jī)均可以主動(dòng)的接入Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備，并且該設(shè)備能夠統(tǒng)計(jì)接入手機(jī)的MAC地址和場強(qiáng)信息，然后將收集的信息傳送到顯控中心平臺(tái)。顯控中心平臺(tái)也能通過主控模塊來控制Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備工作。

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備由嵌入式微處理器（MCU）、Wi-Fi功能模塊、FSK通信模塊、便攜式供電電源、控制部分、具有方向性的天線、信號(hào)輸入輸出接口組成。Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備所采用的嵌入式微處理器型號(hào)是STM32F103ZET6，該系列芯片是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，屬于中低端的32位ARM微控制器，其內(nèi)核是Cortex-M3。從價(jià)格和功能兩方面考慮，最終選擇這款芯片。

STM32F103ZET6芯片介紹：LQFP-144封裝，512KB片內(nèi)FLASH（相當(dāng)于硬盤），64KB片內(nèi)RAM（相當(dāng)于內(nèi)存）。高達(dá)72M的頻率，數(shù)據(jù)、指令分別走不同的流水線，以確保 CPU運(yùn)行速度達(dá)到最大化。片內(nèi)雙RC 晶振，提供8M和32K的頻率。42個(gè)16位的后備寄存器（可以理解為電池保存的RAM），利用外置的紐扣電池,和實(shí)現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)保存功能。多達(dá)80個(gè)IO（大部分兼容5V邏輯），4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器、2個(gè)基本定時(shí)器、3路SPI接口、2路I2S接口、2路I2C接口、5路USART、一個(gè)USB從設(shè)備接口、一個(gè)CAN接口、SDIO接口。CPU操作電壓范圍：2.0—3.6V。

圖3 Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備硬件系統(tǒng)框圖

圖4 Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備實(shí)物圖

2.2 設(shè)備軟件

Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備軟件主要分為嵌入式操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議兩大部分，包含底層相關(guān)硬件驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用程序，結(jié)合了嵌入式平臺(tái)進(jìn)行軟件低功耗設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)對手機(jī)端MAC地址和Wi-Fi場強(qiáng)信息的收集、存儲(chǔ)及處理，Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備相互通信、Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備與顯控中心平臺(tái)的自組織數(shù)據(jù)通信功能。

2.2.1 硬件驅(qū)動(dòng)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模塊

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

Wi-Fi_init(); //Wi-Fi交互

delay_s(25);

Wi-Fi_reset((u8*)"0009");

while(1) //死循環(huán)里一直檢測433是否收到數(shù)據(jù)，如果收到數(shù)據(jù)，則分析數(shù)據(jù)包

{ //如果收到數(shù)據(jù)包的id和自己的id一致就處理相對應(yīng)的操作，如果不一致就不做處理。

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 通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式

指令傳輸格式：

AA55［1］［2］［3］［4］

近代以來，民族危機(jī)不斷加深，無數(shù)仁人志士為了挽救國家和民族于危難之際，開始積極尋找救國救民的真理。因此，救亡圖存成了當(dāng)時(shí)社會(huì)的主流思想。在此思想下，人們試圖通過翻譯西方政治、經(jīng)濟(jì)、科技、軍事等書籍來了解西方，以圖自救。其中，嚴(yán)復(fù)作為當(dāng)時(shí)翻譯界人士的典型代表，翻譯了赫胥黎的《天演論》、亞當(dāng)·斯密的《國富論》、約翰·穆勒的《群己權(quán)界論》、孟德斯鳩的《論法的精神》等西方著作。這些譯作不僅對開啟民智、傳播進(jìn)步思想、改變舊中國發(fā)揮了重要作用，還開啟了我國近代翻譯事業(yè)之先河。

幀頭：AA55

［1］：id號(hào)（1—9）

［2］：包的總字節(jié)數(shù)

［3］：傳遞參數(shù)（包括需要工作的id號(hào)、Wi-Fi帳號(hào)、Wi-Fi密碼）：id號(hào)-Wi-Fi帳號(hào)長度- Wi-Fi帳號(hào)-Wi-Fi密碼

［4］：校檢參數(shù)（累加和校驗(yàn)檢查，把前面所有的數(shù)相加，取一個(gè)字節(jié)不管溢出與否，最后用0x100減去累加和就是校級(jí)檢參數(shù)）

累加和校驗(yàn)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]代表數(shù)據(jù)長度

}

sum = 0x100-sum;

return sum;

}

2.3 設(shè)備布設(shè)方法

利用城鎮(zhèn)地震災(zāi)害被困人員快速偵查設(shè)備，快速測定被困人員手機(jī)分布的前提是合理布設(shè)多個(gè)Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備，布設(shè)原則是既要保證多個(gè)熱點(diǎn)探測范圍對目標(biāo)區(qū)域的全覆蓋，又要便于多個(gè)熱點(diǎn)實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)數(shù)據(jù)通信，此外，還要考慮對被困人員手機(jī)分布測定的準(zhǔn)確性如何。

圖5 Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備“九宮格”布局示意圖

從理論角度分析，對于標(biāo)準(zhǔn)方形探測廢墟區(qū)域，以9個(gè)Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備為例，最優(yōu)布設(shè)方式采用如圖所示的“九宮格”式布局，此時(shí)，相鄰兩個(gè)熱點(diǎn)間的距離最小，在熱點(diǎn)發(fā)射功率相同的情況下，最易于實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域的全覆蓋和自組網(wǎng)數(shù)據(jù)通信。而且其均勻分布特性也有利于提升被困人員手機(jī)分布的測定準(zhǔn)確度。在這種布局下，Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備的發(fā)射功率要求保證相鄰兩個(gè)Wi-Fi熱點(diǎn)的探測范圍存在交匯區(qū)。

在實(shí)際城鎮(zhèn)地震廢墟環(huán)境中，復(fù)雜廢墟地形無法實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格按照九宮格布局均勻擺放多個(gè)Wi-Fi熱點(diǎn)，具體應(yīng)用中需要考慮實(shí)際的廢墟地形條件，在保持大致九宮格布局的前提下適當(dāng)調(diào)整熱點(diǎn)位置。此外電磁波穿透廢墟時(shí)功率衰減與廢墟的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等相關(guān)，由于廢墟場景的復(fù)雜性和未知性，無法準(zhǔn)確地控制Wi-Fi熱點(diǎn)的發(fā)射功率達(dá)到有效穿透廢墟實(shí)現(xiàn)被困人員手機(jī)偵查探測的目的，因此，實(shí)際情況下，Wi-Fi熱點(diǎn)的發(fā)射功率應(yīng)該適當(dāng)增大，即擴(kuò)大相鄰兩個(gè)Wi-Fi熱點(diǎn)探測范圍的交匯區(qū)，保證對不同廢墟的有效穿透，在不同廢墟環(huán)境下都具備良好的探測性能。

3 Wi-Fi手機(jī)分布區(qū)域測定算法

Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備對被困人員手機(jī)Wi-Fi信息進(jìn)行捕獲的同時(shí)，地面人員的手機(jī)Wi-Fi信息同樣會(huì)捕獲到，這成為一種干擾，因此，在利用捕獲的手機(jī)Wi-Fi信息測定被困人員手機(jī)分布區(qū)域之前，首先需要解決被困人員手機(jī)與地面人員手機(jī)Wi-Fi信息的識(shí)別問題，這里我們采用了基于多點(diǎn)MAC統(tǒng)計(jì)判決的被困人員與地面人員手機(jī)識(shí)別算法，剔除地面人員手機(jī)Wi-Fi信息干擾，保證被困人員手機(jī)分布區(qū)域測定的準(zhǔn)確性。然后再根據(jù)基于區(qū)域分類匹配的被困人員手機(jī)分布區(qū)域測定算法，得到被困人員的具體位置。

3.1 基于多點(diǎn)MAC統(tǒng)計(jì)判決的被困人員與地面人員手機(jī)識(shí)別算法

利用電磁波在大氣和廢墟中傳播特性的區(qū)別，基于多點(diǎn)MAC統(tǒng)計(jì)判決的被困人員與地面人員手機(jī)識(shí)別算法的基本思想如圖6所示。假設(shè)地面布設(shè)了3個(gè)Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備，廢墟上地面人員手機(jī)3部，廢墟下被困人員手機(jī)3部，由于電磁波在廢墟中傳播時(shí)需要穿透非均勻廢墟介質(zhì)，信號(hào)衰減遠(yuǎn)高于電磁波大氣傳播，因此，單個(gè)Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備只能夠捕獲距離最近的1部被困人員手機(jī)的MAC地址信息，但是可以同時(shí)捕獲全部3部地面人員手機(jī)的MAC地址信息。對于3個(gè)Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備來說，每部地面人員手機(jī)MAC地址出現(xiàn)3次，而被困人員手機(jī)MAC地址的出現(xiàn)1次，利用這一區(qū)別，只需要設(shè)置判決門限2，MAC地址出現(xiàn)次數(shù)大于門限的則判決為地面人員手機(jī)，小于門限的則判決為被困人員手機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)被困人員與地面人員手機(jī)的識(shí)別。

對于按照“九宮格”布局的9個(gè)Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備，單個(gè)Wi-Fi熱點(diǎn)只能捕獲附近單個(gè)或者少數(shù)幾個(gè)被困人員手機(jī)MAC地址信息，但同時(shí)卻能夠收集多個(gè)地面人員手機(jī)MAC地址信息，因此，基于9個(gè)Wi-Fi熱點(diǎn)收集的手機(jī)MAC地址信息，利用上述識(shí)別方法的基本思想即可以完成被困人員與地面人員手機(jī)的識(shí)別。具體處理流程如下：

步驟1：每個(gè)Wi-Fi熱點(diǎn)收集探測范圍內(nèi)手機(jī)的MAC地址信息；

步驟2：統(tǒng)計(jì)9個(gè)Wi-Fi熱點(diǎn)中MAC地址的出現(xiàn)次數(shù)作為檢測統(tǒng)計(jì)量；

步驟3：根據(jù)多次測量，合理設(shè)置判決門限；

步驟4：檢測判決，若MAC地址的出現(xiàn)次數(shù)大于門限，判決為地面人員手機(jī)；小于門限判決為被困人員手機(jī)。

完成手機(jī)識(shí)別后，地面人員手機(jī)的MAC地址和Wi-Fi場強(qiáng)信息被剔除掉，從而消除了地面人員手機(jī)的干擾，而被困人員手機(jī)的MAC地址和Wi-Fi場強(qiáng)信息被用以進(jìn)行下一步的分布區(qū)域測定處理。

3.2 基于區(qū)域匹配的被困人員手機(jī)分布區(qū)域測定算法

分區(qū)域探測手機(jī)的9個(gè)Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備采用九宮格的方式擺放，并按照1到9號(hào)進(jìn)行編號(hào)。根據(jù)每個(gè)Wi-Fi中繼設(shè)備的功率輻射范圍，對此將9個(gè)Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備探測范圍細(xì)分成40個(gè)區(qū)域。如圖7所示。

圖6 基于多點(diǎn)MAC統(tǒng)計(jì)判決的被困人員與地面人員手機(jī)識(shí)別示意圖

圖7 9個(gè)探測熱點(diǎn)中繼設(shè)備的九宮格分區(qū)域示意圖

為實(shí)現(xiàn)對Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備覆蓋范圍內(nèi)所有手機(jī)進(jìn)行定位，提出了基于區(qū)域匹配的被困人員手機(jī)分布區(qū)域測定算法。

該算法的基本思路是首先將Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備的覆蓋范圍具體細(xì)分為40個(gè)區(qū)域，確定每一個(gè)區(qū)域關(guān)聯(lián)的Wi-Fi熱點(diǎn)信息；其次根據(jù)Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備搜索到的被困人員手機(jī)情況，確認(rèn)每一部被困人員手機(jī)關(guān)聯(lián)的Wi-Fi熱點(diǎn)信息；最終將被困人員手機(jī)關(guān)聯(lián)的Wi-Fi熱點(diǎn)信息與區(qū)域關(guān)聯(lián)的Wi-Fi熱點(diǎn)信息進(jìn)行匹配比對，將被困人員手機(jī)定位至相同Wi-Fi熱點(diǎn)信息關(guān)聯(lián)的區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)分布區(qū)域的測定。

例如當(dāng)只有1號(hào)Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備能夠探測到被困人員手機(jī)的MAC地址時(shí)，該手機(jī)位置在1號(hào)區(qū)域；只有3號(hào)Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備能夠探測到被困人員手機(jī)的MAC地址時(shí)，該手機(jī)位于5號(hào)區(qū)域；當(dāng)只有1號(hào)Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備和2號(hào)Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備能夠探測到被困人員手機(jī)的MAC地址時(shí)，該手機(jī)位于2號(hào)區(qū)域；當(dāng)只有2號(hào)Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備和3號(hào)Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備能夠探測到被困人員手機(jī)的MAC地址時(shí)，該手機(jī)位于4號(hào)區(qū)域，其他依次類舉。

4 顯控中心平臺(tái)

4.1 顯控中心平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)

顯控中心平臺(tái)由PC端（平板電腦）和主控模塊兩大部分組成。主控模塊又由嵌入式處理器（MCU）、FSK通信模塊、藍(lán)牙、電源部分及其配套電路組成。這里所采用的嵌入式處理器芯片同樣為STM32F103ZET6。FSK通信模塊采用的是E31-TTL-50，該模塊是基于瑞士進(jìn)口AX5043射頻芯片的無線串口模塊（UART），采用透明傳輸方式，工作在425—450.5MHz頻段（默認(rèn)433MHz），窄帶傳輸，功率低、距離遠(yuǎn)，TTL電平輸出，兼容3.3V與5V的I/O口電壓。選擇該模塊的原因是它采用窄帶傳輸，抗干擾性強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸可靠，能夠適應(yīng)復(fù)雜的地震廢墟環(huán)境。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，在同樣功率下比其它同類產(chǎn)品的傳輸距離大大增加。模塊具有軟件FEC前向糾錯(cuò)算法，其編碼效率較高，糾錯(cuò)能力強(qiáng)，在突發(fā)干擾的情況下，能主動(dòng)糾正被干擾的數(shù)據(jù)包，提高可靠性和傳輸距離。藍(lán)牙模塊型號(hào)為MTSerialBl，是一款低功耗的無線透傳模塊。該模塊集成4路PWM輸出，1路12位ADC輸入，7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)I/O控制，6個(gè)按鍵觸發(fā)，內(nèi)置藍(lán)牙協(xié)議，可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其低功耗保證Wi-Fi主控模塊續(xù)航能力，高集成度的模塊縮短了開發(fā)周期，也保證了設(shè)備工作的可靠性。

顯控中心平臺(tái)通過主控模塊接收Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備收集到的信息，然后通過主控模塊中的藍(lán)牙將收集到信息發(fā)送到PC端（平板電腦）。PC端也能夠通過藍(lán)牙和FSK通信模塊控制Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備工作。

圖8 顯控中心平臺(tái)系統(tǒng)框圖

4.2 顯控中心平臺(tái)終端軟件

顯控中心平臺(tái)軟件系統(tǒng)是基于安卓4.0開發(fā)的操作軟件，基本原理是根據(jù)Wi-Fi手機(jī)信號(hào)的場強(qiáng)和Wi-Fi獲取網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，結(jié)合研究的Wi-Fi手機(jī)分布區(qū)域測定算法，完成被困人員位置分布的確定，最終形成直觀的圖文數(shù)據(jù)。并且軟件能夠通過主控模塊控制Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備工作。

軟件運(yùn)行模式主要是圖形化人機(jī)交互界面，分為Wi-Fi管理、偵查搜索和Wi-Fi設(shè)置3個(gè)子界面，如圖9所示。其中，Wi-Fi管理子界面主要負(fù)責(zé)開放Wi-Fi信息獲取、導(dǎo)入和篩選；偵查搜索子界面主要負(fù)責(zé)手機(jī)Wi-Fi信息的接收與處理、處理結(jié)果顯示、Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備工作狀態(tài)控制；Wi-Fi設(shè)置子界面主要負(fù)責(zé)以中心平臺(tái)為原點(diǎn)的偵查坐標(biāo)系的確定與主控模塊的藍(lán)牙連接、清理地圖位置信息和手機(jī)信息。

圖9 顯控中心平臺(tái)人機(jī)交互界面

4.2.1 Wi-Fi管理子界面

Wi-Fi管理子界面主要負(fù)責(zé)完成周邊開放Wi-Fi熱點(diǎn)相關(guān)信息（SSID名稱和密碼）的獲取與存儲(chǔ)、外部Wi-Fi熱點(diǎn)信息的導(dǎo)入、被困人員手機(jī)偵查的高關(guān)聯(lián)度Wi-Fi熱點(diǎn)信息篩選，如圖10所示。

圖10 Wi-Fi管理子界面

4.2.2 Wi-Fi偵查搜索子界面

Wi-Fi偵查搜索子界面是整個(gè)中心平臺(tái)軟件的核心，包括有數(shù)量搜索、位置搜索、地圖模式、上報(bào)控制4個(gè)模式。主要負(fù)責(zé)完成Wi-Fi熱點(diǎn)中繼設(shè)備工作狀態(tài)人機(jī)交互控制、手機(jī)Wi-Fi信息的接收與處理、處理結(jié)果顯示與上報(bào)、通信工作狀態(tài)顯示等。數(shù)量搜索和地圖模式的界面如圖11和圖12所示。

圖11 Wi-Fi熱點(diǎn)偵查搜索子界面（數(shù)量搜索）示意圖

4.2.3 Wi-Fi設(shè)置子界面

Wi-Fi設(shè)置子界面主要功能有控制藍(lán)牙與主控模塊的連接、下載更新離線地圖、顯示全局的場強(qiáng)門限、設(shè)置Wi-Fi中繼設(shè)備覆蓋半徑（正常情況下設(shè)備的默認(rèn)覆蓋半徑為12m），清除地圖上生成的Wi-Fi位置信息和清除生成的手機(jī)位置信息。

圖12 Wi-Fi熱點(diǎn)偵查搜索子界面（地圖模式）示意圖

圖13 Wi-Fi設(shè)置子界面示意圖

5 總結(jié)

本文針對現(xiàn)有探測設(shè)備在大面積地震廢墟中探測定位被困人員效率低下的問題，提出了一種基于Wi-Fi信號(hào)的快速偵測被困人員的技術(shù)解決方案。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)了一種在地震災(zāi)害過后能夠幫助救援人員快速找到可能生還的遇險(xiǎn)人員、提高受災(zāi)群眾生存率的救援系統(tǒng)，為我國的地震救援提供了一種有效的技術(shù)手段。

陳維鋒，彭晉川，顧建華等，2003．地震救助生命搜索與定位技術(shù)研究進(jìn)展．地震地磁觀測與研究，24（6）：89—94．

顧建華，陳維鋒，郝清源，2003．地震災(zāi)害現(xiàn)場救援搜索策略與搜索方法有關(guān)問題的討論．國際地震動(dòng)態(tài)，（6）：6—12．

郭小東，馬東輝，蘇經(jīng)宇等，2005．城市抗震防災(zāi)規(guī)劃中建筑物易損性評(píng)價(jià)方法的研究．世界地震工程，21（2）：129—135．

侯培國，李寧，宋濤，2014．生命探測技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展．傳感器與微系統(tǒng)，33（7）：1—3，8．

黃皎，吳明春，陸曉春等，2011．Wi-Fi與嵌入式設(shè)備的融合技術(shù)研究．計(jì)算機(jī)工程，37（8）：244—245，248．

江浩，2016．基于智能手機(jī)的自組網(wǎng)災(zāi)后救援系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．成都：電子科技大學(xué)．

李鋼，趙廣堃，安福祿，1999．地震應(yīng)急救助裝備——綜合救生平臺(tái)的研制與應(yīng)用前景．城市防震減災(zāi)，（4）：26—30．

李希亮，李霞，王方建等，2014．GPS在我國地震研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望．震災(zāi)防御技術(shù)，9（3）：518—526．

李源，周冬梅，肖忠源等，2008．單通道便攜式聲波/振動(dòng)探生儀的研制．儀器儀表用戶，15（3）：43—45．

陸冰，2011．實(shí)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及通信協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．北京：北京郵電大學(xué)．

曾山，2010．基于Wi-Fi的無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究．上海：上海交通大學(xué)．

張風(fēng)華，謝禮立，范立礎(chǔ)，2004．城市建構(gòu)筑物地震損失預(yù)測研究．地震工程與工程振動(dòng)，24（3）：12—20．

張小紅，郭斐，郭博峰等，2012．利用高頻GPS進(jìn)行地表同震位移監(jiān)測及震相識(shí)別．地球物理學(xué)報(bào)，55（6）：1912—1918．

Hu Y., 2012. Life detection technique in earthquake search and rescue. In: Proceedings of the Second International Conference on Instrumentation, Measurement, Computer, Communication and Control (IMCCC). Harbin: IEEE, 664—666.

Trapped Person Location System in Earthquake RuinsBased on Wi-Fi Signals

Li Hailin, Guo Yong, Bai Fenyu, Feng Bei and Chen Zhiyuan

(College of Information Science and Technology, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

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.

Earthquake trapped fast positioning; Wi-Fi hotspot relay; Embedded technology; Wi-Fi positioning algorithm

10.11899/zzfy20170426

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃課題“城鎮(zhèn)地震災(zāi)害應(yīng)急處置關(guān)鍵技術(shù)研究”（2015BAK18B03）；成都理工大學(xué)2016中央財(cái)政支持地方發(fā)展專項(xiàng)“現(xiàn)代信息檢測及智能處理技術(shù)學(xué)科建設(shè)”

2017-04-12

李海林，男，生于1990年。碩士研究生。主要從事無線通信技術(shù)研究。E-mail：2642504424@qq.com

李海林，郭勇，白芬玉，馮貝，陳志遠(yuǎn)，2017．基于Wi-Fi信號(hào)的地震廢墟被困人員偵查系統(tǒng)．震災(zāi)防御技術(shù)，12（4）：985—996．