緊急求助系統設計

淮南市市場監督綜合行政執法支隊 黃 英

針對某些情況下緊急事件的發生，提出一種緊急求助系統設計，以便于在執法過程中及時發現緊急情況。系統由一個安卓手機應用程序連接到一個LoRa收發器，用戶可以發送緊急求助，然后由其他相鄰的用戶接收或傳播求助消息，直到找到能夠處理緊急情況的救援執法人員。同時提出一個新的傳播算法來縮短求助時間，對系統在大范圍場景下的傳播和接收緊急求助的能力進行了研究。通過實驗，研究了基于LoRa的緊急求助系統的GPS定位的能力和能耗問題。結果表明，相比于其他傳播策略，該系統能夠減少所需的時間以便及時處理緊急事件的發生。

LoRa是一種基于擴頻的低功耗長距離無線通信技術，在物聯網的眾多支持技術中，低功耗廣域網受到廣泛的關注，LoRa作為LPWAN技術的典型代表，受到了廣泛的關注與研究，當某些緊急事件的發生，在保證遠距離通信傳輸的同時，可以最大限度地降低功耗，節約成本，我們在本文中描述了以LoRa為基礎，在涉及緊急情況的人員之間進行遠程多跳通信，來求助相鄰的用戶或救援隊。由于LoRa物理層的特殊傳播條件，系統用戶擁有超遠距離通信能力。我們還描述了一個協議，來對系統進行優化。本文研究的系統由LoRa收發器和安卓應用程序組成，它通過藍牙連接進行通信，該系統能夠在緊急情況下多跳的分發緊急消息。此外，由系統實現的新型傳播協議應用程序，通過考慮用戶之間當前的位置、狀態以及一些關鍵數據，系統可以在場景中進行雙向通信。通過所設計的基于LoRa的緊急求助系統，用戶可以通過該平臺在LoRa平臺上發出帶有地理標簽的幫助請求，該消息由其他系統用戶接收或傳播，直到到達救援人員手中并給出回應。由LoRa和藍牙模塊組成的移動應用程序和物聯網設備，通過電池和太陽能電池板供電。我們通過相關研究來評估該系統的性能，該方案能夠保證緊急解決時長與能耗之間的最佳平衡點。

1 系統架構

本文考慮了一種最壞的緊急情況，一般是在沒有互聯網的覆蓋或者交通狀況較差的農村或災后地區，每個設備即為一個智能手機，該智能手機可通過USB數據線或藍牙連接到LoRa模塊，并在后臺運行應用程序。本系統存在三種用戶節點：求助者、幫助者和傳播者。但是在不同的情況下，同一用戶可以充當不同的身份。任何接收到緊急求助消息的用戶都可以接受以處理該求助，從而成為幫助者或傳播者。接收必須通過應用程序手動執行，傳播求助消息可通過手動或者超過設置的時長后由系統自動發出。圖1所示出了在具有求助者，幫助者和傳播者的系統網絡架構。

圖1 系統網絡架構

2 傳播協議

傳播協議的目標是縮短緊急解決時長，該時間定義為從緊急求助者發出緊急求助消息到求助者接收到回應消息的時間間隔。該協議分為兩個主要階段：(1)識別階段。在該階段中，節點首次接收到緊急求助消息，并對求助消息進行回應或轉發相應的緊急求助信息，從而成為幫助者或傳播者；(2)等待階段。每個傳播者實施存儲轉發機制，直到從其相鄰用戶中接收到回應消息。圖2描述了狀態圖，其中包含處理緊急事件的節點的狀態和轉換。

圖2 狀態轉換圖

3 系統應用程序和物聯網設備

該系統是由安卓應用程序和兩個外部物聯網設備組件組成。在使用它之前，要求用戶通過獲取唯一的標識符來注冊如圖3(a)，該應用程序的圖3(b)提供了三個主要功能：(1)只需單擊相應的按鈕即可啟動相應的程序。(2)它允許在地圖上追蹤正在進行的緊急程序圖3(c)；(3)它允許調整LoRa模塊的設置圖3(d)。此外，該應用程序實現了多跳傳播，并且在安卓設備的后臺運行。當接收到緊急求助消息時，將向用戶顯示相關的通知，用戶可以決定是否接受緊急求助。在接受的情況下，設備將其角色設置為幫助者，并發送回緊急求助回復消息。否則，在明確拒絕或在一定時間內沒有用戶采取任何措施的情況下，設備會將其角色設置為傳播者，并自動繼續分發緊急消息，而無需任何進一步的手動交互。

圖3 系統過程圖

其中設備通過藍牙連接到LoRa收發器。顯然，在實際場景中應用時，此解決方案在可操作性和能量供給方面存在一些限制。我們通過設計改進的系統，解決了這些限制，該設備由工作在433MHz頻段上的LoRa無線收發器和藍牙低功耗模塊組成。后者與智能手機配對，并啟用了智能手機和LoRa收發器之間的雙向通信通道。由于能量和計算方面的限制，根據之前的多跳分發協議進行消息篩選、解析和分發的整個過程是在應用程序的安卓設備。物聯網模塊由一個3.7V的鋰電池供電，該電池可以由一個外部太陽能電池板(1W，5.5V)充電。

4 系統整體實驗

4.1 系統仿真測試

我們通過仿真評估系統的性能，重點是分發與接收方案的功能，以保證在大規模緊急情況下緊急求助消息和回復消息的有效多跳傳播。所有測試均通過MATLAB工具執行。我們進行了200次重復實驗，并計算了以下性能指標的值：

緊急解決時長，即為求助者發出求助消息到收到回應消息的平均時間；

緊急情況解決率，即為緊急求助得到解決的百分比，即求助者在仿真時間內收到回應消息概率；

消息發送數，即為LoRa節點在整個模擬過程中發送的求助消息的總數。

圖4、圖5和圖6描繪了當改變場景中可用的用戶設備的數量時，對求助時間、解決率和消息發送數的影響。從圖4中，我們可以看到，由于傳輸范圍有限和環境的影響，與其他方案的性能比較，證明了改進后系統的有效性，因此進一步證明了將LoRa技術用于緊急求助應用系統的合理性。當增加N的值時，連續傳播方案會引起同步碰撞問題，所以變化并不明顯。對于N< 15，該系統較其他方案差距并不大。然而，當N≥ 20時，本系統的變化激增，較其他方案都更為優異。在圖5中可見求助時間隨節點數的變化曲線，當N≥ 20時，本系統的所耗費的求助時間大大減少，更有利于緊急情況下的求助。如圖6所示，與其他方案相比，連續傳播帶來了最高的消息發送數，緊急求助解決率和緊急求助時間的性能提升并不與消息發送數成正比。當N< 15，該系統消息發送數一直處于較低的水平，當N=20，消息發送數有一定的升高，然后隨著N值的增大消息發送數隨之減小。還可以看出，該系統的消息發送數比其他方案要低得多。但是，本文的解決方案在求助時間和解決率方面帶來的性能提升是非常可觀的，因此證實了該系統更有利于緊急情況下的應用。

圖4 節點影響解決率圖

圖5 節點影響解決時長圖

圖6 節點影響消息發送數圖

4.2 系統實驗

我們對該系統進行進一步的實驗。我們分析了該系統的定位過程的準確性以及設備的能耗。對于前者，我們在圖7中描述了校園場景中進行的定位測試的結果，設備的狀態包括移動設備和靜態設備。移動設備會定期發出求助消息，并等待從其他設備接收回應消息，X軸表示節點之間的距離，而y軸代表所測算的距離。三角形點表示系統優化前的測試結果；圓形虛線表示距離的理想測試值。方形的線表示系統優化后的測量結果，它計算每個GPS樣本的平均估計距離。可以看到，當距離小于35m或大于90m時，優化后的系統距離估算非常精確，其他情況下的距離誤差也是可以接受的，為此，我們通過改變同一區域內的移動設備和靜態設備的位置來進行多次模擬。我們可以得出一定的結論，在90%的情況下，定位誤差都小于45m。

圖7 系統距離測量比較圖

接下來，我們分析了該系統設備的能耗，以及不同的參數設置對能耗的影響。由圖8所示的實驗結果，其中我們在傳輸數據時測量了LoRa設備的功耗。在任何無線通信系統中，功耗都是發射功率的函數。但是，在此分析中，我們將發射功率固定為20dBm，在實驗過程中更改了相關的LoRa傳輸配置數據，即：在7到42s，BW=125kHZ，CR=4/5和SF=128c/s傳輸6kB文件；從59到88s，BW=500kHZ，CR=4/5和SF=128c/s傳輸1.5kB文件；從96到121s，BW=31.25kHZ，CR=4/8和SF=512c/s傳輸6kB文件；最后，從131到175s，BW=125kHZ，CR=4/8和SF=4096c/s發送30B文件。由此可見，在所有測試配置中，由于傳輸階段引起的功率消耗都非常相似，準確值由表1示出。

從表1可以看出，消耗的能量與系統的參數設置有一定的關系。實際上，第四種參數設置與第三種設置相比效率非常低，在第四種配置下，我們僅發送了30B的文件，而在第三種配置下，我們僅使用了兩倍的傳輸時間就能夠發送6kB，由圖8所示，能源效率僅為0.216mJ/bit，同時，它保證了相當長的覆蓋范圍。因此，選擇該系統配置應考慮到設備能耗問題，根據目標使用最佳的參數設置。

圖8 傳輸數據消耗能圖

表1 能量消耗

結論：在本文中，我們研究了一種緊急求助系統設計。本系統能夠多跳分發求助消息，其中包含有關請求幫助的用戶位置和求助類型。用戶通過移動應用程序生成的求助消息是通過包含LoRa收發器的物聯網模塊傳輸的。同時我們描述的算法，即：三邊測量技術的定位算法，能夠準確的定位到求助者的位置。通過對系統的三方面的性能評估，可得出本系統的可應用性。其次，MATLAB仿真結果表明，在模擬緊急情況下，與其他傳播協議相比，本系統能夠在時間閾值內保證緊急求助的解決，并能夠產生更高的解決率和更低的解決時長，本系統的性能更為優異。最后，我們研究了有關本系統的定位技術和物聯網模塊的能耗問題，由試驗結果可以得出結論，該系統提出的一種經濟高效的解決方案，能夠在最短的時間內找到幫助者，大大減少求助者的等待時間，所以本系統具有較大的應用前景。