基于Wi-Fi的旅游團脫團預警系統的設計與實現

北京郵電大學網絡與交換技術國家重點實驗室I徐暢

杭州東信北郵信息技術有限公司I沈奇威

基于Wi-Fi的旅游團脫團預警系統的設計與實現

北京郵電大學網絡與交換技術國家重點實驗室I徐暢

杭州東信北郵信息技術有限公司I沈奇威

本文設計實現了一套監控系統，其使用場景為旅游團導游監控團員是否脫團。該套系統具有簡單易用、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，能夠在一定范圍內支持互聯網接入的無線電信號。它的最大優點是傳輸速度較高，在信號較弱或有干擾的情況下，帶寬可調整，有效地保障了網絡的穩定性和可靠性。另外它的傳輸有效距離也很長，在開放性區域通信距離可達305米，使用特殊的天線技術可以達到1000米左右，在封閉性區域通信距離為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技術在智能家居、工業控制、移動手持設備等嵌入式環境中需求日益增多。

如今隨著智能終端設備的普及、智能路由器的發展，市場上出現了一系列結合智能終端和智能路由器的應用系統。隨著旅游業的迅速發展、旅游人數的增多，經常有“游客脫團”現象的發生，導游需要時刻關注旅行團中人員數量，這對于導游來說是種負擔。利用Wi-Fi的探測功能可以開發一套脫團預警系統，在旅游團中，導游可根據該系統查看團員是否脫團。其優勢在于搭建成本小、使用方便。但由于智能路由器是依據終端設備與人的映射來建立監控，其準確性可能會差于傳感器的檢測。

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

圖1 系統示意圖

系統模塊設計

該系統主要由3部分內容構成：搭載在Android系統上的脫團預警APP客戶端、智能路由器上的編程、服務器端。圖1展示了3個組件的不同職能和相互之間的聯系。

1.Android客戶端設計

Android客戶端供團隊中的導游或領隊使用，主要具有以下兩個方面功能。

第一，導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證系統獲取用戶身份，完善相應權限的鑒權操作。通過了鑒權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，在該應用場景下，用戶無需連接互聯網即可獲得流量統計的相關數據。

第二，導游在連接互聯網之后，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。導游新建旅游團完畢后，團員可通過簽到網址進行簽到，此操作是為了獲取團員的手機MAC地址，為后續的脫團監測所用。游客簽到的流程如圖3所示。游客簽到完畢后，導游可開啟脫團預警功能，脫團預警的流程如圖4所示。

2．智能路由器端功能設計

智能路由器上需要進行以下兩個模塊的開發。

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

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

由于OpenWrt系統的長足發展，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開發的門檻。因此本課題中的智能路由器基于OpenWrt進行開發。

3.服務器端功能設計

服務器端的主要職能是負責與客戶端的通信，在后臺備份旅游團數據。服務器提供了接口可供客戶端調用，客戶端通過提供的接口進行旅游團的創建。同時，服務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器，服務器將對應信息同步給客戶端，本文中的服務器端基于Play框架進行開發。

智能路由器端實現原理

1.數據采集模塊

數據采集模塊是智能路由器端的核心，該模塊通過以下3個子模塊進行數據采集。

（1）數據搜集。數據搜集子模塊工作在路由器的驅動層。路由器硬件接收到當前信道上的數據幀之后上報硬件終端。終端處理函數通過幀頭信息判斷幀的類型，并將相關信息提取出來，然后調用數據廣播子模塊提供的數據發送接口，發送給用戶層的數據接收子模塊。

（2）數據廣播。數據廣播子模塊實時監聽數據搜集子模塊發送來的數據，將數據搜集子模塊發送的數據發送給數據接收子模塊，這些是主要的探針數據。

數據廣播子模塊與其他子模塊之間的數據交互如圖5所示。

（3）數據接收。數據接收子模塊根據應用層發來的參數，決定是否接收驅動層發送上來的數據，以及接收數據后，將數據以怎樣的格式打印到控制臺。數據接收子模塊是連接驅動和應用層的一個核心模塊，需要實時監聽驅動層送來的探針數據，又可以接收用戶設定的參數，將一些參數通過數據廣播子模塊設定進內核并驅動。該模塊目前接收兩個主要的用戶設置參數，一是監聽探測數據，二是設置RSSI的值。

2.數據處理模塊

數據處理模塊調用數據偵聽模塊，獲取數據偵聽模塊打印到控制臺的數據，通過腳本將需要的探測幀的數據過濾出來，為每條數據打上時間戳，并進行簡單的加密處理，最后將處理好的數據寫入本地文件，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據，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據。

圖2 新建旅游團流程圖

圖3 游客簽到流程圖

圖4 脫團預警流程圖

圖5 數據廣播子模塊交互示意圖

關鍵技術

1.利用Wi-Fi探針監測獲取原始數據

802.11 協議可以支持利用Wi-Fi探針實現監測周圍終端的功能。協議要求每個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。每個終端除了監聽周邊AP發送的beacon幀以外，還會發送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”格式的原始數據，將其保存成文本文件，等待服務器定時下載，進行處理分析。

2.通過處理原始數據進行脫團預警

在本文的監控系統中，脫團預警是通過比對原始數據與白名單中的數據實現的。在智能路由器端，每隔一定時間刷新一次原始數據并寫入文件保存；在客戶端，每隔一定時間下載一次原始數據文件，并與白名單中的數據進行比對，如果發現白名單中的某個MAC地址沒有在原始數據文件中出現，則發出警告。

由于原始數據量較為龐大，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制到哈希表中，以MAC地址為key；

（2）遍歷原始數據，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）如果哈希表長度變為0，說明所有白名單中的地址均在原始數據中出現，比對結束；

（4）如果原始數據遍歷完畢，則哈希表中剩余的地址為未出現的地址，發出脫團預警。

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，可近似認為每次查找的時間復雜度為O(1)，總的比對過程時間復雜度為O(n)，較為高效。

結束語

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

編輯｜舒文瓊 shuwenqiong@bjxintong.com.cn