室內(nèi)WiFi信號探測設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)

吳超 劉雪花

摘要：WiFi無線技術(shù)應(yīng)用極為廣泛，是辦公室、餐廳、酒店、商場等公眾場合的必備。企業(yè)和家庭用戶設(shè)立了大量的無線熱點，增加了WiFi熱點管理的難度。該文使用樹莓派和esp8266單片機，設(shè)計與實現(xiàn)了室內(nèi)WiFi信號的探測設(shè)備。它通過測量信號強度rssi值，計算WiFi熱點的距離，然后使用三角定位方法，計算各個WiFi熱點的坐標(biāo)值，使用圖形界面顯示各個WiFi熱點的位置。該設(shè)備應(yīng)用了熱門的樹莓派主板，使用Python編程，通過樹莓派GPIO端口控制傳感器和讀取數(shù)據(jù)，加速了設(shè)備的開發(fā)過程，基本實現(xiàn)室內(nèi)WiFi信號的探測功能。

關(guān)鍵詞：WiFi;樹莓派;esp8266;定位

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）08-0215-03

Abstract： WiFi wireless technology is widely used in offices， restaurants， hotels， shopping malls and other public places. Enterprises and home users have set up a large number of wireless hotspots， which increases the difficulty of WiFi hotspot management. In this paper， raspberry pie and esp8266 microcontroller are used to design and realize the indoor WiFi signal detection equipment. It calculates the distance of WiFi hotspots by measuring the RSSI value of signal strength， and then calculates the coordinates of each WiFi by using triangle positioning method， and displays the location of WiFi hotspots using graphical interface. The device uses the popular raspberry pi motherboard and uses python programming， control sensors and read data through raspberry pi GPIO port， accelerate the development process of equipment， the detection function of indoor WiFi signal is basically realized.

Key words： WiFi; raspberry pi; esp8266; location

1 背景

WiFi無線技術(shù)應(yīng)用極為廣泛，傳輸距離遠，覆蓋范圍廣，傳輸速率快，在生活中廣泛使用[1-2]。無線WiFi是辦公室、餐廳、酒店、商場等公眾場合的必備[3]。面對智能手機用戶的快速增長，以及智能家電產(chǎn)品和可佩戴設(shè)備數(shù)量的增加，企業(yè)和家庭用戶設(shè)立了大量的無線熱點。WiFi探測器能夠找到可用的WiFi網(wǎng)絡(luò)并收集有關(guān)它的信息，可視化顯示W(wǎng)iFi熱點相關(guān)數(shù)據(jù)，使用戶更好管理自己周圍的WiFi設(shè)備。本文使用樹莓派和esp8266單片機，設(shè)計與實現(xiàn)了室內(nèi)WiFi信號探測設(shè)備。它可以便捷地檢測周圍WiFi熱點，判斷WiFi熱點距離，距離計算使用三角形定位方法[4]，使用戶更好管理無線熱點。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

本文設(shè)計的室內(nèi)WiFi信號探測設(shè)備可以顯示周圍的WiFi熱點位置，用來尋找WiFi熱點在哪里。設(shè)備包括1個樹莓派，1個esp8266模塊，1個HMC5883L模塊。樹莓派是設(shè)備的主控板，運行系統(tǒng)的軟件，并把探測的結(jié)果顯示出來。設(shè)備使用樹莓派的無線網(wǎng)卡和esp8266模塊來檢測WiFi無線信號，通過三角形算法來計算WiFi熱點的距離。HMC5883L模塊通過磁場來檢測當(dāng)前的方向，計算當(dāng)前設(shè)備正前方的方向。系統(tǒng)整體設(shè)計如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 樹莓派

本設(shè)備的主控板是樹莓派3B+。它采用BCM2837B0型號CPU構(gòu)建，這個處理器包含完整的性能優(yōu)化和散熱器，雙頻802.11ac無線網(wǎng)卡和藍牙4.2，1G LPDDR2，PoE支持（Power-over-Ethernet，with PoE HAT），只有信用卡大小的微型電腦。樹莓派3B+以MicroSD卡為硬盤，卡片主板周圍有4個USB接口和一個百兆以太網(wǎng)接口，可連接鍵盤、鼠標(biāo)和網(wǎng)線，同時有HDMI高清視頻輸出接口。樹莓派3B+正面如圖2。

樹莓派3B+無線網(wǎng)絡(luò)的天線，天線位置處的銅箔中做了鏤空處理，有一個梯形的“孔狀”，看起來有點像吹風(fēng)機的吸嘴形狀。孔狀部分被通孔（Vias）和幾顆微小的電容器包圍，構(gòu)成了2.4GHz的諧振腔，通過電容器驅(qū)動，整個設(shè)計就是樹莓派3B+的天線如圖3所示。

3.2 esp8266模塊

ESP8266是上海樂鑫信息科技設(shè)計的低功耗WiFi芯片，集成完整的TCP/IP協(xié)議棧和MCU。ESP8266 WiFi模塊集成了WiFi聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)透傳以及串口AT指令控制等功能，通過串口AT指令與主控芯片進行通信。AT指令是一些起控制作用的特殊字符串，模塊可以通過AT指令控制使用，開發(fā)速度快，難度非常低。ESP8266模塊支持Soft AP模式，Station模式，Soft AP +Station共存模式三種。它將設(shè)備連接到WiFi無線網(wǎng)絡(luò)上，進行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能;可以用于快速開發(fā)智能遠程控制設(shè)備。只需要簡單的串口通信開發(fā)，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和控制。Esp8266原理圖如圖4所示。

3.3 HMC 5883L模塊

HMC5883L具有高精度，偏移抑制等特點。它具有12位ADC、低噪聲、自檢測、低電壓操作和寬磁場范圍，并且內(nèi)置驅(qū)動電路，采用I2C數(shù)字接口，體積小，操作簡單。HMC5883L能測量XYZ三軸與地磁場磁感線夾角，方向角的范圍是0-360，正北方向是0，方向角順時針增大。HMC5883L模塊如圖5所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 WiFi熱點距離計算

室內(nèi)WiFi信號的探測設(shè)備使用樹莓派無線網(wǎng)卡和esp8266模塊搜索WiFi熱點，并記錄各個WiFi熱點信號強度rssi數(shù)值。信號強度rssi通過公式 計算獲得距離，d是計算所得距離（單位m），rssi是接收信號強度，A是發(fā)射端和接收端相隔1米時的信號強度的絕對值，n是環(huán)境衰減因子。

4.2 WiFi熱點位置顯示

設(shè)備定時運行腳本搜索WiFi熱點，獲得各個WiFi熱點的信號強度rssi數(shù)值，通過公式計算距離，使用三角定位方法，獲得各個WiFi熱點的坐標(biāo)。計算設(shè)備正前方的方向，首先設(shè)置HMC5883L模塊磁偏角，磁偏角是指北針指向的磁極（地磁極）和地圖上標(biāo)注的磁極是不重合的，有一個夾角。軟件流程圖如圖7所示。

esp8266的WiFi功能AT指令有選擇WIFI應(yīng)用模式;加入AP;列出當(dāng)前可用AP;退出與AP的鏈接;設(shè)置AP模式下的參數(shù);查看已接入設(shè)備的IP;設(shè)置DHCP開關(guān)等。esp8266 AT指令A(yù)T+CWLAP掃描當(dāng)前可用的AP。命令返回值+CWLAP： ， ， ， ， ， ， 。是加密方式。是字符串，AP的SSID。是信號強度。是字符串，AP的MAC地址。是AP頻偏，單位kHz。是頻偏校準(zhǔn)值。

5 系統(tǒng)測試

設(shè)備連接好電源，運行WiFi熱點搜索軟件，樹莓派會顯示出各個WiFi熱點的位置圖。設(shè)備實物如圖8所示。各個WiFi熱點的位置如圖9所示。圖9中NE表示東北方向，橙色的點是WiFi熱點，藍色的點是無線網(wǎng)卡，兩個無線網(wǎng)卡之間的距離是0.1米，x軸和y軸的單位都是米。在圖的原點位置，有幾個WiFi熱點無法定位，因為三角形的三邊不滿足兩邊之和大于第三邊。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計與實現(xiàn)的室內(nèi)WiFi信號探測設(shè)備能夠顯示設(shè)備附近的各個WiFi的距離遠近。設(shè)備使用樹莓派主板，使用Python語言編程，降低了設(shè)備的開發(fā)難度，縮短了項目開發(fā)時間，實現(xiàn)了WiFi熱點簡易的探測。因為無線信號傳播的多徑效應(yīng)和其他干擾因素，后面通過加入機器學(xué)習(xí)和改進信號強度rssi測量的準(zhǔn)確性，提高設(shè)備的探測結(jié)果。

參考文獻：

[1] 楊琳，李媛，王咪，等.基于WiFi物聯(lián)網(wǎng)的智能家電插座設(shè)計[J].自動化與儀表，2019，34（4）：100-103.

[2] 解施媛，姜重然，王烯霖，等.WiFi在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)溫濕度測量的研究[J].山西電子技術(shù)，2019（5）：88-90，96.

[3] 陳曉玉，張新有，張紫嫣.WiFi定位技術(shù)在地下停車場管理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].成都信息工程大學(xué)學(xué)報，2019，34（3）：251-256.

[4] 姚碧超.室內(nèi)WiFi定位技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2017.

[5] 袁珍.一種基于樹莓派的盲人避障導(dǎo)航手杖[J].鄂州大學(xué)學(xué)報，2020，27（4）：98-100.

[6] 趙宏哲，王鵬.基于樹莓派加Python智能密碼鎖的設(shè)計與實現(xiàn)[J].赤峰學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，36（9）：49-54.

[7] 王玉濤，于金星，陳鑫，等.基于樹莓派的自適應(yīng)空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2020，10（10）：76-78，81.

[8] 郭鵬飛，溫志渝，周穎，等.基于樹莓派的遠程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2018，32（4）：186-192.

[9] 賴瑞鏹.應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的智能生態(tài)水族箱[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2020，10（8）：85-87.

[10] 廉英浩.基于環(huán)境學(xué)習(xí)的單AP高效WiFi定位[D].西安：西北大學(xué)，2019.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】