室內(nèi)WiFi信號(hào)探測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳超 劉雪花

摘要：WiFi無(wú)線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用極為廣泛，是辦公室、餐廳、酒店、商場(chǎng)等公眾場(chǎng)合的必備。企業(yè)和家庭用戶(hù)設(shè)立了大量的無(wú)線(xiàn)熱點(diǎn)，增加了WiFi熱點(diǎn)管理的難度。該文使用樹(shù)莓派和esp8266單片機(jī)，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)WiFi信號(hào)的探測(cè)設(shè)備。它通過(guò)測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度rssi值，計(jì)算WiFi熱點(diǎn)的距離，然后使用三角定位方法，計(jì)算各個(gè)WiFi熱點(diǎn)的坐標(biāo)值，使用圖形界面顯示各個(gè)WiFi熱點(diǎn)的位置。該設(shè)備應(yīng)用了熱門(mén)的樹(shù)莓派主板，使用Python編程，通過(guò)樹(shù)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(kāi)發(fā)過(guò)程，基本實(shí)現(xiàn)室內(nèi)WiFi信號(hào)的探測(cè)功能。

關(guān)鍵詞：WiFi;樹(shù)莓派;esp8266;定位

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(wú)線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用極為廣泛，傳輸距離遠(yuǎn)，覆蓋范圍廣，傳輸速率快，在生活中廣泛使用[1-2]。無(wú)線(xiàn)WiFi是辦公室、餐廳、酒店、商場(chǎng)等公眾場(chǎng)合的必備[3]。面對(duì)智能手機(jī)用戶(hù)的快速增長(zhǎng)，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(hù)設(shè)立了大量的無(wú)線(xiàn)熱點(diǎn)。WiFi探測(cè)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(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)，使用戶(hù)更好管理自己周?chē)腤iFi設(shè)備。本文使用樹(shù)莓派和esp8266單片機(jī)，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)WiFi信號(hào)探測(cè)設(shè)備。它可以便捷地檢測(cè)周?chē)鶺iFi熱點(diǎn)，判斷WiFi熱點(diǎn)距離，距離計(jì)算使用三角形定位方法[4]，使用戶(hù)更好管理無(wú)線(xiàn)熱點(diǎn)。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的室內(nèi)WiFi信號(hào)探測(cè)設(shè)備可以顯示周?chē)腤iFi熱點(diǎn)位置，用來(lái)尋找WiFi熱點(diǎn)在哪里。設(shè)備包括1個(gè)樹(shù)莓派，1個(gè)esp8266模塊，1個(gè)HMC5883L模塊。樹(shù)莓派是設(shè)備的主控板，運(yùn)行系統(tǒng)的軟件，并把探測(cè)的結(jié)果顯示出來(lái)。設(shè)備使用樹(shù)莓派的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡和esp8266模塊來(lái)檢測(cè)WiFi無(wú)線(xiàn)信號(hào)，通過(guò)三角形算法來(lái)計(jì)算WiFi熱點(diǎn)的距離。HMC5883L模塊通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)檢測(cè)當(dāng)前的方向，計(jì)算當(dāng)前設(shè)備正前方的方向。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 樹(shù)莓派

本設(shè)備的主控板是樹(shù)莓派3B+。它采用BCM2837B0型號(hào)CPU構(gòu)建，這個(gè)處理器包含完整的性能優(yōu)化和散熱器，雙頻802.11ac無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡和藍(lán)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(shù)莓派3B+以MicroSD卡為硬盤(pán)，卡片主板周?chē)?個(gè)USB接口和一個(gè)百兆以太網(wǎng)接口，可連接鍵盤(pán)、鼠標(biāo)和網(wǎng)線(xiàn)，同時(shí)有HDMI高清視頻輸出接口。樹(shù)莓派3B+正面如圖2。

樹(shù)莓派3B+無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的天線(xiàn)，天線(xiàn)位置處的銅箔中做了鏤空處理，有一個(gè)梯形的“孔狀”，看起來(lái)有點(diǎn)像吹風(fēng)機(jī)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(guò)電容器驅(qū)動(dòng)，整個(gè)設(shè)計(jì)就是樹(shù)莓派3B+的天線(xiàn)如圖3所示。

3.2 esp8266模塊

ESP8266是上海樂(lè)鑫信息科技設(shè)計(jì)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?jìng)饕约按贏T指令控制等功能，通過(guò)串口AT指令與主控芯片進(jìn)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(guò)AT指令控制使用，開(kāi)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能;可以用于快速開(kāi)發(fā)智能遠(yuǎn)程控制設(shè)備。只需要簡(jiǎn)單的串口通信開(kāi)發(fā)，即可實(shí)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(diǎn)。它具有12位ADC、低噪聲、自檢測(cè)、低電壓操作和寬磁場(chǎng)范圍，并且內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電路，采用I2C數(shù)字接口，體積小，操作簡(jiǎn)單。HMC5883L能測(cè)量XYZ三軸與地磁場(chǎng)磁感線(xiàn)夾角，方向角的范圍是0-360，正北方向是0，方向角順時(shí)針增大。HMC5883L模塊如圖5所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 WiFi熱點(diǎn)距離計(jì)算

室內(nèi)WiFi信號(hào)的探測(cè)設(shè)備使用樹(shù)莓派無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡和esp8266模塊搜索WiFi熱點(diǎn)，并記錄各個(gè)WiFi熱點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度rssi數(shù)值。信號(hào)強(qiáng)度rssi通過(guò)公式 計(jì)算獲得距離，d是計(jì)算所得距離（單位m），rssi是接收信號(hào)強(qiáng)度，A是發(fā)射端和接收端相隔1米時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度的絕對(duì)值，n是環(huán)境衰減因子。

4.2 WiFi熱點(diǎn)位置顯示

設(shè)備定時(shí)運(yùn)行腳本搜索WiFi熱點(diǎn)，獲得各個(gè)WiFi熱點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度rssi數(shù)值，通過(guò)公式計(jì)算距離，使用三角定位方法，獲得各個(gè)WiFi熱點(diǎn)的坐標(biāo)。計(jì)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(gè)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(kāi)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(hào)強(qiáng)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(cè)試

設(shè)備連接好電源，運(yùn)行WiFi熱點(diǎn)搜索軟件，樹(shù)莓派會(huì)顯示出各個(gè)WiFi熱點(diǎn)的位置圖。設(shè)備實(shí)物如圖8所示。各個(gè)WiFi熱點(diǎn)的位置如圖9所示。圖9中NE表示東北方向，橙色的點(diǎn)是WiFi熱點(diǎn)，藍(lán)色的點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡，兩個(gè)無(wú)線(xiàn)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(diǎn)位置，有幾個(gè)WiFi熱點(diǎn)無(wú)法定位，因?yàn)槿切蔚娜叢粷M(mǎn)足兩邊之和大于第三邊。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的室內(nèi)WiFi信號(hào)探測(cè)設(shè)備能夠顯示設(shè)備附近的各個(gè)WiFi的距離遠(yuǎn)近。設(shè)備使用樹(shù)莓派主板，使用Python語(yǔ)言編程，降低了設(shè)備的開(kāi)發(fā)難度，縮短了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了WiFi熱點(diǎn)簡(jiǎn)易的探測(cè)。因?yàn)闊o(wú)線(xiàn)信號(hào)傳播的多徑效應(yīng)和其他干擾因素，后面通過(guò)加入機(jī)器學(xué)習(xí)和改進(jìn)信號(hào)強(qiáng)度rssi測(cè)量的準(zhǔn)確性，提高設(shè)備的探測(cè)結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[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(jì)[J].自動(dòng)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(cè)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(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].成都信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)，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(shù)莓派的盲人避障導(dǎo)航手杖[J].鄂州大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，27（4）：98-100.

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

[7] 王玉濤，于金星，陳鑫，等.基于樹(shù)莓派的自適應(yīng)空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[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(shù)莓派的遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2018，32（4）：186-192.

[9] 賴(lài)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】