基于Wi-Fi信號的地震廢墟被困人員偵查系統1

李海林 郭 勇 白芬玉 馮 貝 陳志遠

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基于Wi-Fi信號的地震廢墟被困人員偵查系統1

李海林 郭 勇 白芬玉 馮 貝 陳志遠

（成都理工大學信息科學與技術學院，成都 610059）

針對震后大面積廢墟下被困人員快速準確檢測與定位的需求，本文提出了基于Wi-Fi信號的地震災害人員偵查技術。以嵌入式技術為基礎，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熱點中繼設備和顯控中心平臺切實可行的設計解決方案，研制出能夠實現震后大面積廢墟下被困人員快速定位的設備，并提出設備布設方案。為我國地震救援提供一種有效的技術手段。

地震被困人員快速定位 Wi-Fi熱點中繼 嵌入式技術 Wi-Fi定位算法

引言

中國位于環太平洋和亞歐大陸地震帶上，極易發生地震。地震的突發性強、破壞性大（張風華等，2004；郭小東等，2005）。在人口密集區域，地震廢墟中常常掩埋著被困人員。根據救援經驗，震后72小時內，得到救援的被困人員存活率極高。但地震過后環境十分復雜，為保證高效的地震救援，研發能夠快速偵查、定位被困人員的技術設備十分必要（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手段主要有光學、聲波振動等（李源等，2008；Hu，2012；侯培國等，2014）。除此之外，GPS定位技術已在地質災害領域得到了應用（張小紅等，2012；李希亮等，2014），GPS定位的基本原理是將高速運動的衛星瞬間位置作為已知的起算數據，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。但其缺點是GPS對工作環境要求較高，衛星信號抗環境干擾和抗障礙物阻斷能力比較弱，在地震后的復雜地形地貌環境中GPS失效的可能性非常高，無法提供可靠的定位導航服務。而且現有生命探測設備大都屬于單點探測設備，受限于探測視角和作用距離，只適合在范圍較小的廢墟區域進行使用，而在大面積的廢墟中使用時，需要在廢墟中選取多個位置點進行多次局部探測以覆蓋整個廢墟區域，極大降低了探測效率。而且在多點探測判斷有被困人員幸存后，現有生命探測設備也無法實現對廢墟中被困人員的三維定位。因此現有生命探測設備難以快速準確地獲取大面積廢墟中被困人員的位置分布信息，嚴重影響地震救援效率。

隨著移動通信技術和嵌入式技術的飛速發展，我國智能手機的普及率目前已經達到60%左右，并且依然保持逐年遞增的態勢。現代智能手機具備的移動性、便攜性和豐富功能讓每一部智能手機都成為了一臺具備聯網能力的完整PC。而每部智能手機都將藍牙和Wi-Fi模塊作為標配，這就使得利用智能手機進行點對點的連接成為可能。目前國內外已經實現了利用智能手機進行點對點互聯的應用，如微軟研發中心的Radar原型系統、Olivetti研發的Active Badge系統、Ekahau公司研發的Ekahau實時定位系統、優科（Ruckus）的SpoT、智慧圖的室內導航等。

而Wi-Fi定位作為一種新興的定位技術，在近年來也越來越受到學術界的關注（曾山，2010；黃皎等，2011；陸冰，2011），在國內外期刊和會議中，有關無線定位技術的論文如雨后春筍。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，許多已經取得了顯著成就，如麻省理工大學的Cricket位置支持系統和ISPOTS系統、奧本大學的ARIADNE、哈佛大學的Mote Track等。國內一些科研院校在無線定位方面的研究也有重大突破，如香港科技大學的LANDMARC系統，浙江大學的INEMO系統、北京大學的TC-OFDM系統等，如今其他著名高校也加入此領域進行相關理論和技術的研究，如大連理工大學、哈爾濱工業大學、西安電子科技大學等。

Wi-Fi定位原理是以Wi-Fi組網中各節點發送的無線信號強度（RSSI）為基礎，來確定各節點間的相對位置（江浩，2016）。隨著Wi-Fi定位技術的日益成熟，其商業前景也逐步擴大。Wi-Fi定位作為一種新興的定位技術，同現有的生命探測設備和傳統的GPS定位方式相比較，有諸多優勢。一旦智能手機與Wi-Fi中繼設備實現了互聯，就可以建立起無線信號強度與相對位置的模型，從而實現對智能手機的定位功能。其優勢有：

（1）工作環境伸縮性大，可適應室內、室外等不同場合，定位適用性強。

（2）對環境和設備的依賴小，基于現有的Wi-Fi設備和智能手機即可開展定位服務，硬件體系和網絡協議無需做任何修改，實現成本極低。

（3）非視距傳輸（NLOS）對Wi-Fi信號的影響較小，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、低門檻的災后救援系統，以提高國家應急救災體系在應對震后大面積廢墟下的反應速度、救援效率，從而降低人民生命財產損失。

1 系統總體設計

地震發生后，救援隊員在如圖1所示搜救區域內布置多個Wi-Fi熱點中繼設備，利用其在一定搜救區域內快速地形成被困人員信息獲取網絡，從而獲取分布在搜救區域的Wi-Fi手機數量、MAC地址和Wi-Fi場強等相關信息。然后根據所研究的被困人員手機分布區域測定算法，實現被埋手機數量和被困人員分布位置的快速偵查，并在中心平臺通過數字、文字和二維圖形方式顯示。

該系統分為Wi-Fi熱點中繼設備和顯控中心平臺兩大部分。Wi-Fi熱點中繼設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輸入輸出接口組成。顯控中心平臺主要由平板電腦、主控模塊、顯控軟件組成。工作原理為Wi-Fi熱點中繼設備通過誘導手機Wi-Fi接入獲取手機MAC地址和場強信息，將信息打包封裝后通過Wi-Fi熱點中繼設備的FSK通信模塊發送到顯控中心平臺的主控模塊；顯控中心平臺主控部分的FSK通信模塊通過藍牙將打包封裝的數據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行處理獲取被困人員（手機）的位置，并對位置分布進行圖像化顯示。此外顯控軟件還需進行參數配置通過藍牙和FSK通信模塊發送到Wi-Fi熱點中繼設備控制其工作狀態。

圖1 城鎮地震災害被困人員快速偵查系統原理框圖

圖2 基于手機Wi-Fi的城鎮地震災害被困人員快速定位的總體方框圖

2 Wi-Fi熱點中繼設備

Wi-Fi熱點中繼設備自帶電源、功耗低，體積小，能長時間工作。每一個Wi-Fi熱點中繼設備均可以形成一個以該設備為圓心的圓形Wi-Fi信號覆蓋區域。在這個區域內的手機均可以主動的接入Wi-Fi熱點中繼設備，并且該設備能夠統計接入手機的MAC地址和場強信息，然后將收集的信息傳送到顯控中心平臺。顯控中心平臺也能通過主控模塊來控制Wi-Fi熱點中繼設備工作。

2.1 硬件結構

Wi-Fi熱點中繼設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、信號輸入輸出接口組成。Wi-Fi熱點中繼設備所采用的嵌入式微處理器型號是STM32F103ZET6，該系列芯片是意法半導體（ST）公司出品，屬于中低端的32位ARM微控制器，其內核是Cortex-M3。從價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FLASH（相當于硬盤），64KB片內RAM（相當于內存）。高達72M的頻率，數據、指令分別走不同的流水線，以確保 CPU運行速度達到最大化。片內雙RC 晶振，提供8M和32K的頻率。42個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,和實現掉電數據保存功能。多達80個IO（大部分兼容5V邏輯），4個通用定時器、2個高級定時器、2個基本定時器、3路SPI接口、2路I2S接口、2路I2C接口、5路USART、一個USB從設備接口、一個CAN接口、SDIO接口。CPU操作電壓范圍：2.0—3.6V。

圖3 Wi-Fi熱點中繼設備硬件系統框圖

圖4 Wi-Fi熱點中繼設備實物圖

2.2 設備軟件

Wi-Fi熱點中繼設備軟件主要分為嵌入式操作系統和網絡通信協議兩大部分，包含底層相關硬件驅動程序、網絡通信應用程序，結合了嵌入式平臺進行軟件低功耗設計，最終實現對手機端MAC地址和Wi-Fi場強信息的收集、存儲及處理，Wi-Fi熱點中繼設備相互通信、Wi-Fi熱點中繼設備與顯控中心平臺的自組織數據通信功能。

2.2.1 硬件驅動程序

# 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

Wi-Fi_init(); //Wi-Fi交互

delay_s(25);

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

while(1) //死循環里一直檢測433是否收到數據，如果收到數據，則分析數據包

{ //如果收到數據包的id和自己的id一致就處理相對應的操作，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 通信協議數據格式

指令傳輸格式：

AA55［1］［2］［3］［4］

近代以來，民族危機不斷加深，無數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，救亡圖存成了當時社會的主流思想。在此思想下，人們試圖通過翻譯西方政治、經濟、科技、軍事等書籍來了解西方，以圖自救。其中，嚴復作為當時翻譯界人士的典型代表，翻譯了赫胥黎的《天演論》、亞當·斯密的《國富論》、約翰·穆勒的《群己權界論》、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、傳播進步思想、改變舊中國發揮了重要作用，還開啟了我國近代翻譯事業之先河。

幀頭：AA55

［1］：id號（1—9）

［2］：包的總字節數

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

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

累加和校驗示例算法：

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]代表數據長度

}

sum = 0x100-sum;

return sum;

}

2.3 設備布設方法

利用城鎮地震災害被困人員快速偵查設備，快速測定被困人員手機分布的前提是合理布設多個Wi-Fi熱點中繼設備，布設原則是既要保證多個熱點探測范圍對目標區域的全覆蓋，又要便于多個熱點實現自組網數據通信，此外，還要考慮對被困人員手機分布測定的準確性如何。

圖5 Wi-Fi熱點中繼設備“九宮格”布局示意圖

從理論角度分析，對于標準方形探測廢墟區域，以9個Wi-Fi熱點中繼設備為例，最優布設方式采用如圖所示的“九宮格”式布局，此時，相鄰兩個熱點間的距離最小，在熱點發射功率相同的情況下，最易于實現對目標區域的全覆蓋和自組網數據通信。而且其均勻分布特性也有利于提升被困人員手機分布的測定準確度。在這種布局下，Wi-Fi熱點中繼設備的發射功率要求保證相鄰兩個Wi-Fi熱點的探測范圍存在交匯區。

在實際城鎮地震廢墟環境中，復雜廢墟地形無法實現嚴格按照九宮格布局均勻擺放多個Wi-Fi熱點，具體應用中需要考慮實際的廢墟地形條件，在保持大致九宮格布局的前提下適當調整熱點位置。此外電磁波穿透廢墟時功率衰減與廢墟的材質、結構等相關，由于廢墟場景的復雜性和未知性，無法準確地控制Wi-Fi熱點的發射功率達到有效穿透廢墟實現被困人員手機偵查探測的目的，因此，實際情況下，Wi-Fi熱點的發射功率應該適當增大，即擴大相鄰兩個Wi-Fi熱點探測范圍的交匯區，保證對不同廢墟的有效穿透，在不同廢墟環境下都具備良好的探測性能。

3 Wi-Fi手機分布區域測定算法

Wi-Fi熱點中繼設備對被困人員手機Wi-Fi信息進行捕獲的同時，地面人員的手機Wi-Fi信息同樣會捕獲到，這成為一種干擾，因此，在利用捕獲的手機Wi-Fi信息測定被困人員手機分布區域之前，首先需要解決被困人員手機與地面人員手機Wi-Fi信息的識別問題，這里我們采用了基于多點MAC統計判決的被困人員與地面人員手機識別算法，剔除地面人員手機Wi-Fi信息干擾，保證被困人員手機分布區域測定的準確性。然后再根據基于區域分類匹配的被困人員手機分布區域測定算法，得到被困人員的具體位置。

3.1 基于多點MAC統計判決的被困人員與地面人員手機識別算法

利用電磁波在大氣和廢墟中傳播特性的區別，基于多點MAC統計判決的被困人員與地面人員手機識別算法的基本思想如圖6所示。假設地面布設了3個Wi-Fi熱點中繼設備，廢墟上地面人員手機3部，廢墟下被困人員手機3部，由于電磁波在廢墟中傳播時需要穿透非均勻廢墟介質，信號衰減遠高于電磁波大氣傳播，因此，單個Wi-Fi熱點中繼設備只能夠捕獲距離最近的1部被困人員手機的MAC地址信息，但是可以同時捕獲全部3部地面人員手機的MAC地址信息。對于3個Wi-Fi熱點中繼設備來說，每部地面人員手機MAC地址出現3次，而被困人員手機MAC地址的出現1次，利用這一區別，只需要設置判決門限2，MAC地址出現次數大于門限的則判決為地面人員手機，小于門限的則判決為被困人員手機，即可實現被困人員與地面人員手機的識別。

對于按照“九宮格”布局的9個Wi-Fi熱點中繼設備，單個Wi-Fi熱點只能捕獲附近單個或者少數幾個被困人員手機MAC地址信息，但同時卻能夠收集多個地面人員手機MAC地址信息，因此，基于9個Wi-Fi熱點收集的手機MAC地址信息，利用上述識別方法的基本思想即可以完成被困人員與地面人員手機的識別。具體處理流程如下：

步驟1：每個Wi-Fi熱點收集探測范圍內手機的MAC地址信息；

步驟2：統計9個Wi-Fi熱點中MAC地址的出現次數作為檢測統計量；

步驟3：根據多次測量，合理設置判決門限；

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

完成手機識別后，地面人員手機的MAC地址和Wi-Fi場強信息被剔除掉，從而消除了地面人員手機的干擾，而被困人員手機的MAC地址和Wi-Fi場強信息被用以進行下一步的分布區域測定處理。

3.2 基于區域匹配的被困人員手機分布區域測定算法

分區域探測手機的9個Wi-Fi熱點中繼設備采用九宮格的方式擺放，并按照1到9號進行編號。根據每個Wi-Fi中繼設備的功率輻射范圍，對此將9個Wi-Fi熱點中繼設備探測范圍細分成40個區域。如圖7所示。

圖6 基于多點MAC統計判決的被困人員與地面人員手機識別示意圖

圖7 9個探測熱點中繼設備的九宮格分區域示意圖

為實現對Wi-Fi熱點中繼設備覆蓋范圍內所有手機進行定位，提出了基于區域匹配的被困人員手機分布區域測定算法。

該算法的基本思路是首先將Wi-Fi熱點中繼設備的覆蓋范圍具體細分為40個區域，確定每一個區域關聯的Wi-Fi熱點信息；其次根據Wi-Fi熱點中繼設備搜索到的被困人員手機情況，確認每一部被困人員手機關聯的Wi-Fi熱點信息；最終將被困人員手機關聯的Wi-Fi熱點信息與區域關聯的Wi-Fi熱點信息進行匹配比對，將被困人員手機定位至相同Wi-Fi熱點信息關聯的區域內，實現手機分布區域的測定。

例如當只有1號Wi-Fi熱點中繼設備能夠探測到被困人員手機的MAC地址時，該手機位置在1號區域；只有3號Wi-Fi熱點中繼設備能夠探測到被困人員手機的MAC地址時，該手機位于5號區域；當只有1號Wi-Fi熱點中繼設備和2號Wi-Fi熱點中繼設備能夠探測到被困人員手機的MAC地址時，該手機位于2號區域；當只有2號Wi-Fi熱點中繼設備和3號Wi-Fi熱點中繼設備能夠探測到被困人員手機的MAC地址時，該手機位于4號區域，其他依次類舉。

4 顯控中心平臺

4.1 顯控中心平臺硬件結構

顯控中心平臺由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433MHz），窄帶傳輸，功率低、距離遠，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，數據傳輸可靠，能夠適應復雜的地震廢墟環境。窄帶傳輸具有功率密度集中，傳輸距離遠，抗干擾能力強的優勢，在同樣功率下比其它同類產品的傳輸距離大大增加。模塊具有軟件FEC前向糾錯算法，其編碼效率較高，糾錯能力強，在突發干擾的情況下，能主動糾正被干擾的數據包，提高可靠性和傳輸距離。藍牙模塊型號為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個標準I/O控制，6個按鍵觸發，內置藍牙協議，可以直接進行數據傳輸。其低功耗保證Wi-Fi主控模塊續航能力，高集成度的模塊縮短了開發周期，也保證了設備工作的可靠性。

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

圖8 顯控中心平臺系統框圖

4.2 顯控中心平臺終端軟件

顯控中心平臺軟件系統是基于安卓4.0開發的操作軟件，基本原理是根據Wi-Fi手機信號的場強和Wi-Fi獲取網絡節點，結合研究的Wi-Fi手機分布區域測定算法，完成被困人員位置分布的確定，最終形成直觀的圖文數據。并且軟件能夠通過主控模塊控制Wi-Fi熱點中繼設備工作。

軟件運行模式主要是圖形化人機交互界面，分為Wi-Fi管理、偵查搜索和Wi-Fi設置3個子界面，如圖9所示。其中，Wi-Fi管理子界面主要負責開放Wi-Fi信息獲取、導入和篩選；偵查搜索子界面主要負責手機Wi-Fi信息的接收與處理、處理結果顯示、Wi-Fi熱點中繼設備工作狀態控制；Wi-Fi設置子界面主要負責以中心平臺為原點的偵查坐標系的確定與主控模塊的藍牙連接、清理地圖位置信息和手機信息。

圖9 顯控中心平臺人機交互界面

4.2.1 Wi-Fi管理子界面

Wi-Fi管理子界面主要負責完成周邊開放Wi-Fi熱點相關信息（SSID名稱和密碼）的獲取與存儲、外部Wi-Fi熱點信息的導入、被困人員手機偵查的高關聯度Wi-Fi熱點信息篩選，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中心平臺軟件的核心，包括有數量搜索、位置搜索、地圖模式、上報控制4個模式。主要負責完成Wi-Fi熱點中繼設備工作狀態人機交互控制、手機Wi-Fi信息的接收與處理、處理結果顯示與上報、通信工作狀態顯示等。數量搜索和地圖模式的界面如圖11和圖12所示。

圖11 Wi-Fi熱點偵查搜索子界面（數量搜索）示意圖

4.2.3 Wi-Fi設置子界面

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

圖12 Wi-Fi熱點偵查搜索子界面（地圖模式）示意圖

圖13 Wi-Fi設置子界面示意圖

5 總結

本文針對現有探測設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信號的快速偵測被困人員的技術解決方案。在此基礎上設計、實現了一種在地震災害過后能夠幫助救援人員快速找到可能生還的遇險人員、提高受災群眾生存率的救援系統，為我國的地震救援提供了一種有效的技術手段。

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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”國家科技支撐計劃課題“城鎮地震災害應急處置關鍵技術研究”（2015BAK18B03）；成都理工大學2016中央財政支持地方發展專項“現代信息檢測及智能處理技術學科建設”

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研究。E-mail：2642504424@qq.com

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