基于Wi-Fi的旅游團脫團預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點實驗室I徐暢

杭州東信北郵信息技術(shù)有限公司I沈奇威

基于Wi-Fi的旅游團脫團預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點實驗室I徐暢

杭州東信北郵信息技術(shù)有限公司I沈奇威

本文設(shè)計實現(xiàn)了一套監(jiān)控系統(tǒng)，其使用場景為旅游團導(dǎo)游監(jiān)控團員是否脫團。該套系統(tǒng)具有簡單易用、簡易部署的特點，十分符合上述使用場景的需求。

Wi-Fi是一種短程無線傳輸技術(shù)，能夠在一定范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接入的無線電信號。它的最大優(yōu)點是傳輸速度較高，在信號較弱或有干擾的情況下，帶寬可調(diào)整，有效地保障了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。另外它的傳輸有效距離也很長，在開放性區(qū)域通信距離可達305米，使用特殊的天線技術(shù)可以達到1000米左右，在封閉性區(qū)域通信距離為76米～122米，加入功率放大電路可以增加其傳輸距離。近年來，Wi-Fi技術(shù)在智能家居、工業(yè)控制、移動手持設(shè)備等嵌入式環(huán)境中需求日益增多。

如今隨著智能終端設(shè)備的普及、智能路由器的發(fā)展，市場上出現(xiàn)了一系列結(jié)合智能終端和智能路由器的應(yīng)用系統(tǒng)。隨著旅游業(yè)的迅速發(fā)展、旅游人數(shù)的增多，經(jīng)常有“游客脫團”現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)游需要時刻關(guān)注旅行團中人員數(shù)量，這對于導(dǎo)游來說是種負(fù)擔(dān)。利用Wi-Fi的探測功能可以開發(fā)一套脫團預(yù)警系統(tǒng)，在旅游團中，導(dǎo)游可根據(jù)該系統(tǒng)查看團員是否脫團。其優(yōu)勢在于搭建成本小、使用方便。但由于智能路由器是依據(jù)終端設(shè)備與人的映射來建立監(jiān)控，其準(zhǔn)確性可能會差于傳感器的檢測。

本文以基于Android系統(tǒng)的智能手機和基于OpenWrt的智能路由為例，設(shè)計實現(xiàn)了一套監(jiān)控系統(tǒng)，其使用場景為前文所述的旅游團導(dǎo)游監(jiān)控團員是否脫團。該套系統(tǒng)具有簡單易用、簡易部署的特點，十分符合上述使用場景。

圖1 系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)模塊設(shè)計

該系統(tǒng)主要由3部分內(nèi)容構(gòu)成：搭載在Android系統(tǒng)上的脫團預(yù)警APP客戶端、智能路由器上的編程、服務(wù)器端。圖1展示了3個組件的不同職能和相互之間的聯(lián)系。

1.Android客戶端設(shè)計

Android客戶端供團隊中的導(dǎo)游或領(lǐng)隊使用，主要具有以下兩個方面功能。

第一，導(dǎo)游可以方便地通過客戶端連接智能路由，連接完畢后可以通過認(rèn)證系統(tǒng)獲取用戶身份，完善相應(yīng)權(quán)限的鑒權(quán)操作。通過了鑒權(quán)的用戶可以查看所連接路由的信息，并且對路由進行操作。由于智能終端和智能路由的可交互操作，在該應(yīng)用場景下，用戶無需連接互聯(lián)網(wǎng)即可獲得流量統(tǒng)計的相關(guān)數(shù)據(jù)。

第二，導(dǎo)游在連接互聯(lián)網(wǎng)之后，可以新建旅游團，完善旅游團信息，等待團員的簽到，流程如圖2所示。導(dǎo)游新建旅游團完畢后，團員可通過簽到網(wǎng)址進行簽到，此操作是為了獲取團員的手機MAC地址，為后續(xù)的脫團監(jiān)測所用。游客簽到的流程如圖3所示。游客簽到完畢后，導(dǎo)游可開啟脫團預(yù)警功能，脫團預(yù)警的流程如圖4所示。

2．智能路由器端功能設(shè)計

智能路由器上需要進行以下兩個模塊的開發(fā)。

（1）需要開發(fā)數(shù)據(jù)采集模塊，采集連接到路由器上手機的MAC地址。該功能采用Wi-Fi探針技術(shù)實現(xiàn)，原理是利用智能設(shè)備商Wi-Fi模塊發(fā)出的無線廣播信號進行設(shè)備的感知。

（2）保存采集到的MAC地址、連接時間等數(shù)據(jù)，存儲在本地，以供客戶端進行分析和展現(xiàn)。

由于OpenWrt系統(tǒng)的長足發(fā)展，其支持的路由芯片越來越多，通過簡單易用的方式降低了嵌入式Linux開發(fā)的門檻。因此本課題中的智能路由器基于OpenWrt進行開發(fā)。

3.服務(wù)器端功能設(shè)計

服務(wù)器端的主要職能是負(fù)責(zé)與客戶端的通信，在后臺備份旅游團數(shù)據(jù)。服務(wù)器提供了接口可供客戶端調(diào)用，客戶端通過提供的接口進行旅游團的創(chuàng)建。同時，服務(wù)器端維護了簽到的入口，游客通過簽到入口將個人信息上報至服務(wù)器，服務(wù)器將對應(yīng)信息同步給客戶端，本文中的服務(wù)器端基于Play框架進行開發(fā)。

智能路由器端實現(xiàn)原理

1.數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是智能路由器端的核心，該模塊通過以下3個子模塊進行數(shù)據(jù)采集。

（1）數(shù)據(jù)搜集。數(shù)據(jù)搜集子模塊工作在路由器的驅(qū)動層。路由器硬件接收到當(dāng)前信道上的數(shù)據(jù)幀之后上報硬件終端。終端處理函數(shù)通過幀頭信息判斷幀的類型，并將相關(guān)信息提取出來，然后調(diào)用數(shù)據(jù)廣播子模塊提供的數(shù)據(jù)發(fā)送接口，發(fā)送給用戶層的數(shù)據(jù)接收子模塊。

（2）數(shù)據(jù)廣播。數(shù)據(jù)廣播子模塊實時監(jiān)聽數(shù)據(jù)搜集子模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)搜集子模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)接收子模塊，這些是主要的探針數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)廣播子模塊與其他子模塊之間的數(shù)據(jù)交互如圖5所示。

（3）數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)接收子模塊根據(jù)應(yīng)用層發(fā)來的參數(shù)，決定是否接收驅(qū)動層發(fā)送上來的數(shù)據(jù)，以及接收數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)以怎樣的格式打印到控制臺。數(shù)據(jù)接收子模塊是連接驅(qū)動和應(yīng)用層的一個核心模塊，需要實時監(jiān)聽驅(qū)動層送來的探針數(shù)據(jù)，又可以接收用戶設(shè)定的參數(shù)，將一些參數(shù)通過數(shù)據(jù)廣播子模塊設(shè)定進內(nèi)核并驅(qū)動。該模塊目前接收兩個主要的用戶設(shè)置參數(shù)，一是監(jiān)聽探測數(shù)據(jù)，二是設(shè)置RSSI的值。

2.數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊調(diào)用數(shù)據(jù)偵聽模塊，獲取數(shù)據(jù)偵聽模塊打印到控制臺的數(shù)據(jù)，通過腳本將需要的探測幀的數(shù)據(jù)過濾出來，為每條數(shù)據(jù)打上時間戳，并進行簡單的加密處理，最后將處理好的數(shù)據(jù)寫入本地文件，保存在固定路徑中。

客戶端將每隔一定時間請求路由器端的數(shù)據(jù)，通過FTP登錄路由器，下載指定路徑中的文件，對文件進行解析后獲得所需的數(shù)據(jù)。

圖2 新建旅游團流程圖

圖3 游客簽到流程圖

圖4 脫團預(yù)警流程圖

圖5 數(shù)據(jù)廣播子模塊交互示意圖

關(guān)鍵技術(shù)

1.利用Wi-Fi探針監(jiān)測獲取原始數(shù)據(jù)

802.11 協(xié)議可以支持利用Wi-Fi探針實現(xiàn)監(jiān)測周圍終端的功能。協(xié)議要求每個AP（Access Point）每隔一定時間（幾十毫秒到幾秒不等）向周圍的終端廣播beacon幀，告知周圍終端自己的信息，并通知終端可以連接。每個終端除了監(jiān)聽周邊AP發(fā)送的beacon幀以外，還會發(fā)送probe幀，告知AP自己的MAC地址，并請求連接。

一般的無線路由器信號強度在-30dbm～-120dbm，有效距離大概是50～100米。利用路由能夠搜索周圍終端的MAC地址。路由收到探測幀后，將MAC地址記錄下來，生成“MAC地址-信號強度-時間”格式的原始數(shù)據(jù)，將其保存成文本文件，等待服務(wù)器定時下載，進行處理分析。

2.通過處理原始數(shù)據(jù)進行脫團預(yù)警

在本文的監(jiān)控系統(tǒng)中，脫團預(yù)警是通過比對原始數(shù)據(jù)與白名單中的數(shù)據(jù)實現(xiàn)的。在智能路由器端，每隔一定時間刷新一次原始數(shù)據(jù)并寫入文件保存；在客戶端，每隔一定時間下載一次原始數(shù)據(jù)文件，并與白名單中的數(shù)據(jù)進行比對，如果發(fā)現(xiàn)白名單中的某個MAC地址沒有在原始數(shù)據(jù)文件中出現(xiàn)，則發(fā)出警告。

由于原始數(shù)據(jù)量較為龐大，而白名單通常只有十幾個到幾十個，因此我們采取的比對算法如下：

（1）將客戶端本地保存的白名單復(fù)制到哈希表中，以MAC地址為key；

（2）遍歷原始數(shù)據(jù)，每條MAC地址均在哈希表中查找，如果找到該條地址，則將該條地址從哈希表中移除；

（3）如果哈希表長度變?yōu)?，說明所有白名單中的地址均在原始數(shù)據(jù)中出現(xiàn)，比對結(jié)束；

（4）如果原始數(shù)據(jù)遍歷完畢，則哈希表中剩余的地址為未出現(xiàn)的地址，發(fā)出脫團預(yù)警。

在白名單長度不太長的情況下，哈希表的性能不會有太大降低，可近似認(rèn)為每次查找的時間復(fù)雜度為O(1)，總的比對過程時間復(fù)雜度為O(n)，較為高效。

結(jié)束語

本文基于旅游團的實際需求出發(fā)，設(shè)計了一套完整的脫團預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)，并基于Android系統(tǒng)、Play框架和OpenWrt平臺進行了實現(xiàn)。該套系統(tǒng)在測試和實際使用中均取得了良好的效果，同時也為Wi-Fi探針技術(shù)的應(yīng)用做出了有益的探索，為基于Wi-Fi面向不同情景應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)提供了一些參考價值。

編輯｜舒文瓊 shuwenqiong@bjxintong.com.cn