基于LoRa網絡的救災通信系統的設計與實現

王琳燕，譚有軒，李恩琦

（福州職業技術學院阿里巴巴大數據學院 福建 福州 350108）

1 引言

自然災害發生后的72 h是國際公認的黃金救援時間，以唐山大地震為例，24 h救活率為81.0%，48 h救活率為53.7%，72 h救活率為36.7%，96 h的救活率下降到19.0%，120 h救活率僅為7.4%。因此，在災害發生后的第一時刻保障通信，使外部了解災情、使災民發出求救信號、指導實施自救至關重要。在災害發生后，因通信設施損壞、電力供應中斷、交通中斷等因素導致應急通信車輛難以進入現場。災民的恐慌情緒又會導致通信系統過載，通信保障往往會遭受到災難性的破壞。在通信中斷的情況下，應急通信車輛一般需要一天甚至幾天的時間才能進入現場，往往會錯過黃金救援時間[1]。

目前，海事衛星電話與無線電通信等救援方案存在成本高昂、操作門檻高等弊端，普及率比較低，普通災民無法使用。而普及率高的廣播與電視等只能向災民單向傳遞信息，無法讓災民向外界傳遞求救信息。本項目將利用LoRa低功耗、長距離物聯網技術實現一種低成本、長覆蓋、快速部署的應急通信方案。

2 系統設計和關鍵技術

本系統包括了用戶交互網頁端、LoRa長距離緊急通信、LoRa集中器、Net上位機數據處理四個模塊。其中，LoRa通信模塊接上ESP32能提供Wi-Fi接入點，供用戶通過普通的消費電子產品（如手機、電腦）在蜂窩網絡無法連接的情況下，能通過Wi-Fi連接LoRa應急網絡。

LoRa是一種新型的無線通信技術，它基于線性擴頻調制技術，具有通信距離遠（15km以上）、功耗低、高鏈路預算等優點，解決了傳統無線技術無法兼顧通信距離和功耗的難題[2]。在本項目中，我們使用LoRa集中器負責對現場數據進行實時的收集，并通過長距離無線傳感網將相關數據匯集到LoRa網關節點。LoRa網關節點通過有線連接方式將數據上傳到PC機上。系統網絡結構見圖1。

圖1 系統網絡拓撲圖

使用ESP32+STM32作為AP，這個AP就是Wi-Fi探針，定時向四周的設備廣播發送管理幀，用來通知附近的設備AP的存在。受災區域的手機、平板等設備也不停發送包含mac地址的探測請求幀，以便探針能采集到它的信息。搜救人員利用Wi-Fi探針技術對受災區域進行設備掃描后，可以通過設備保有量估算受災區域人口密集度。另外，在GPS或者北斗定位系統無法使用的情況下，還可以通過Wi-Fi信號強度對災民位置進行準確定位[3]。

3 關鍵模塊的實現

用戶連接Wi-Fi后，網頁將自動彈出，用戶可以通過網頁直接提交求救信息。

3.1 基于ESP32 的異步HTTP Web服務器配置與響應

用戶終端在連接LoRa緊急通信系統的Wi-Fi后，強制定位到救災頁面，即可實現一鍵求救。在ESP32模塊上寫入多個異步HTTP服務器，使用80端口作為服務器監聽的端口，同時將不存在路由導向Web用戶交互端位置。用戶界面見圖2。

圖2 一鍵求救界面

3.2 無蜂窩網絡情況下通過終端GPS精準定位

通過瀏覽器獲取終端設備的GPS，將優先級設置調為GPS＞Wi-Fi＞IP狀態，使用watchPosition 在用戶位置移動時實時更新位置數據，使用GET請求以./help?lng='+lng+'&lat='+lat 的格式提交用戶求救請求。關鍵代碼如下：

3.3 求救信息的獲取與Arduino的JSON格式構造

LoRa節點無線監聽用戶提交的求救信息，并且通過LoRa集成模塊發送給上位機及時求救。使用異步HTTP服務器監聽/help路由數據，獲取位置參數lng、lat，并將請求數據轉成JSON格式，方便后期做Mesh網絡的數據處理，再通過LoRaSend（）方法將求救數據通過LoRa模塊廣播發送。關鍵代碼如下：

3.4 Net上位機JSON格式的數據的接收與解析

通過串口從LoRa集成模塊接收用戶提交的求救信息并進行解析，在地圖上進行可視化標識，使用異步的Com_DataReceived數據接收事件接受ESP節點板發送的求救位置數據，并且通過Newtonsoft.JSON對接受數據進行JSON反序列化解析，獲取位置參數lng、lat，并在地圖控件上進行可視化標識。關鍵代碼如下：

3.5 Net上位機動態地圖獲取與初始化

Net上位機對動態地圖服務與控件初始化，我們使用了谷歌地圖中國版地圖，并對縮放級別和初始位置進行了設置。

4 結語

本系統利用LoRa低功耗、廣覆蓋、易部署等優勢，實現一種低成本、無蜂窩網絡情況下快速部署的應急通信方案。在災害發生后的第一時間能保障通信，使得外部救援力量能更好了解災情、及時接收災民發出的求救信號、積極指導災民實施自救。