室內WiFi信號探測設備的設計與實現

吳超 劉雪花

摘要：WiFi無線技術應用極為廣泛，是辦公室、餐廳、酒店、商場等公眾場合的必備。企業和家庭用戶設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，設計與實現了室內WiFi信號的探測設備。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熱點的坐標值，使用圖形界面顯示各個WiFi熱點的位置。該設備應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據，加速了設備的開發過程，基本實現室內WiFi信號的探測功能。

關鍵詞：WiFi;樹莓派;esp8266;定位

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻標識碼：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無線技術應用極為廣泛，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，以及智能家電產品和可佩戴設備數量的增加，企業和家庭用戶設立了大量的無線熱點。WiFi探測器能夠找到可用的WiFi網絡并收集有關它的信息，可視化顯示WiFi熱點相關數據，使用戶更好管理自己周圍的WiFi設備。本文使用樹莓派和esp8266單片機，設計與實現了室內WiFi信號探測設備。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 系統整體設計

本文設計的室內WiFi信號探測設備可以顯示周圍的WiFi熱點位置，用來尋找WiFi熱點在哪里。設備包括1個樹莓派，1個esp8266模塊，1個HMC5883L模塊。樹莓派是設備的主控板，運行系統的軟件，并把探測的結果顯示出來。設備使用樹莓派的無線網卡和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前的方向，計算當前設備正前方的方向。系統整體設計如圖1所示。

3 系統硬件設計與實現

3.1 樹莓派

本設備的主控板是樹莓派3B+。它采用BCM2837B0型號CPU構建，這個處理器包含完整的性能優化和散熱器，雙頻802.11ac無線網卡和藍牙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接口，可連接鍵盤、鼠標和網線，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+無線網絡的天線，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，構成了2.4GHz的諧振腔，通過電容器驅動，整個設計就是樹莓派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計的低功耗WiFi芯片，集成完整的TCP/IP協議棧和MCU。ESP8266 WiFi模塊集成了WiFi聯網、數據透傳以及串口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。它將設備連接到WiFi無線網絡上，進行互聯網或局域網通信，實現聯網功能;可以用于快速開發智能遠程控制設備。只需要簡單的串口通信開發，即可實現數據的傳輸和控制。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，并且內置驅動電路，采用I2C數字接口，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 系統軟件設計

4.1 WiFi熱點距離計算

室內WiFi信號的探測設備使用樹莓派無線網卡和esp8266模塊搜索WiFi熱點，并記錄各個WiFi熱點信號強度rssi數值。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是發射端和接收端相隔1米時的信號強度的絕對值，n是環境衰減因子。

4.2 WiFi熱點位置顯示

設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。計算設備正前方的方向，首先設置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應用模式;加入AP;列出當前可用AP;退出與AP的鏈接;設置AP模式下的參數;查看已接入設備的IP;設置DHCP開關等。esp8266 AT指令AT+CWLAP掃描當前可用的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。是頻偏校準值。

5 系統測試

設備連接好電源，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，藍色的點是無線網卡，兩個無線網卡之間的距離是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 結束語

本文設計與實現的室內WiFi信號探測設備能夠顯示設備附近的各個WiFi的距離遠近。設備使用樹莓派主板，使用Python語言編程，降低了設備的開發難度，縮短了項目開發時間，實現了WiFi熱點簡易的探測。因為無線信號傳播的多徑效應和其他干擾因素，后面通過加入機器學習和改進信號強度rssi測量的準確性，提高設備的探測結果。

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【通聯編輯：謝媛媛】