基于LoRa網(wǎng)絡(luò)的救災(zāi)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王琳燕，譚有軒，李恩琦

（福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院阿里巴巴大數(shù)據(jù)學(xué)院 福建 福州 350108）

1 引言

自然災(zāi)害發(fā)生后的72 h是國際公認(rèn)的黃金救援時(shí)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(zāi)害發(fā)生后的第一時(shí)刻保障通信，使外部了解災(zāi)情、使災(zāi)民發(fā)出求救信號(hào)、指導(dǎo)實(shí)施自救至關(guān)重要。在災(zāi)害發(fā)生后，因通信設(shè)施損壞、電力供應(yīng)中斷、交通中斷等因素導(dǎo)致應(yīng)急通信車輛難以進(jìn)入現(xiàn)場。災(zāi)民的恐慌情緒又會(huì)導(dǎo)致通信系統(tǒng)過載，通信保障往往會(huì)遭受到災(zāi)難性的破壞。在通信中斷的情況下，應(yīng)急通信車輛一般需要一天甚至幾天的時(shí)間才能進(jìn)入現(xiàn)場，往往會(huì)錯(cuò)過黃金救援時(shí)間[1]。

目前，海事衛(wèi)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(zāi)民無法使用。而普及率高的廣播與電視等只能向?yàn)?zāi)民單向傳遞信息，無法讓災(zāi)民向外界傳遞求救信息。本項(xiàng)目將利用LoRa低功耗、長距離物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)一種低成本、長覆蓋、快速部署的應(yīng)急通信方案。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)包括了用戶交互網(wǎng)頁端、LoRa長距離緊急通信、LoRa集中器、Net上位機(jī)數(shù)據(jù)處理四個(gè)模塊。其中，LoRa通信模塊接上ESP32能提供Wi-Fi接入點(diǎn)，供用戶通過普通的消費(fèi)電子產(chǎn)品（如手機(jī)、電腦）在蜂窩網(wǎng)絡(luò)無法連接的情況下，能通過Wi-Fi連接LoRa應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)。

LoRa是一種新型的無線通信技術(shù)，它基于線性擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，具有通信距離遠(yuǎn)（15km以上）、功耗低、高鏈路預(yù)算等優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)無線技術(shù)無法兼顧通信距離和功耗的難題[2]。在本項(xiàng)目中，我們使用LoRa集中器負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的收集，并通過長距離無線傳感網(wǎng)將相關(guān)數(shù)據(jù)匯集到LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過有線連接方式將數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)上。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

使用ESP32+STM32作為AP，這個(gè)AP就是Wi-Fi探針，定時(shí)向四周的設(shè)備廣播發(fā)送管理幀，用來通知附近的設(shè)備AP的存在。受災(zāi)區(qū)域的手機(jī)、平板等設(shè)備也不停發(fā)送包含mac地址的探測請(qǐng)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(shù)對(duì)受災(zāi)區(qū)域進(jìn)行設(shè)備掃描后，可以通過設(shè)備保有量估算受災(zāi)區(qū)域人口密集度。另外，在GPS或者北斗定位系統(tǒng)無法使用的情況下，還可以通過Wi-Fi信號(hào)強(qiáng)度對(duì)災(zāi)民位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位[3]。

3 關(guān)鍵模塊的實(shí)現(xiàn)

用戶連接Wi-Fi后，網(wǎng)頁將自動(dòng)彈出，用戶可以通過網(wǎng)頁直接提交求救信息。

3.1 基于ESP32 的異步HTTP Web服務(wù)器配置與響應(yīng)

用戶終端在連接LoRa緊急通信系統(tǒng)的Wi-Fi后，強(qiáng)制定位到救災(zāi)頁面，即可實(shí)現(xiàn)一鍵求救。在ESP32模塊上寫入多個(gè)異步HTTP服務(wù)器，使用80端口作為服務(wù)器監(jiān)聽的端口，同時(shí)將不存在路由導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)情況下通過終端GPS精準(zhǔn)定位

通過瀏覽器獲取終端設(shè)備的GPS，將優(yōu)先級(jí)設(shè)置調(diào)為GPS＞W(wǎng)i-Fi＞IP狀態(tài)，使用watchPosition 在用戶位置移動(dòng)時(shí)實(shí)時(shí)更新位置數(shù)據(jù)，使用GET請(qǐng)求以./help?lng='+lng+'&lat='+lat 的格式提交用戶求救請(qǐng)求。關(guān)鍵代碼如下：

3.3 求救信息的獲取與Arduino的JSON格式構(gòu)造

LoRa節(jié)點(diǎn)無線監(jiān)聽用戶提交的求救信息，并且通過LoRa集成模塊發(fā)送給上位機(jī)及時(shí)求救。使用異步HTTP服務(wù)器監(jiān)聽/help路由數(shù)據(jù)，獲取位置參數(shù)lng、lat，并將請(qǐng)求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成JSON格式，方便后期做Mesh網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理，再通過LoRaSend（）方法將求救數(shù)據(jù)通過LoRa模塊廣播發(fā)送。關(guān)鍵代碼如下：

3.4 Net上位機(jī)JSON格式的數(shù)據(jù)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(jìn)行解析，在地圖上進(jìn)行可視化標(biāo)識(shí)，使用異步的Com_DataReceived數(shù)據(jù)接收事件接受ESP節(jié)點(diǎn)板發(fā)送的求救位置數(shù)據(jù)，并且通過Newtonsoft.JSON對(duì)接受數(shù)據(jù)進(jìn)行JSON反序列化解析，獲取位置參數(shù)lng、lat，并在地圖控件上進(jìn)行可視化標(biāo)識(shí)。關(guān)鍵代碼如下：

3.5 Net上位機(jī)動(dòng)態(tài)地圖獲取與初始化

Net上位機(jī)對(duì)動(dòng)態(tài)地圖服務(wù)與控件初始化，我們使用了谷歌地圖中國版地圖，并對(duì)縮放級(jí)別和初始位置進(jìn)行了設(shè)置。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)利用LoRa低功耗、廣覆蓋、易部署等優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)一種低成本、無蜂窩網(wǎng)絡(luò)情況下快速部署的應(yīng)急通信方案。在災(zāi)害發(fā)生后的第一時(shí)間能保障通信，使得外部救援力量能更好了解災(zāi)情、及時(shí)接收災(zāi)民發(fā)出的求救信號(hào)、積極指導(dǎo)災(zāi)民實(shí)施自救。