基于ESP8266 的城市地下綜合管廊人員定位系統設計與實現

林 章

（浙江建設職業技術學院，杭州 311231）

城市地下綜合管廊是集通信、電力、給排水、燃氣和供暖等工程于一體的隧道空間，是保障城市正常運行的重要基礎設施。但管廊普遍空間狹窄、內部情況復雜，施工和運維人員進入管廊作業存在一定的風險。因此，在管廊的運行和維護階段，有必要對管廊內的環境進行監控，對管廊內的作業人員進行精確定位。然而，查閱了相關文獻，未發現針對城市綜合管廊的人員定位系統的研究，進行了相應的市場調研，也并未發現適用于城市綜合管廊的人員定位系統。因此，研發一套適用于城市地下管廊的人員定位系統，用于保證內部人員安全是非常有必要的。本文結合實際工程情況，設計了針對城市地下綜合管廊的人員定位系統，可以實時監測管廊內的氧氣、一氧化碳、硫化氫、甲烷和氨氣含量等空氣質量情況，也能實時定位管廊中人員的位置，同時提供一鍵緊急求助等功能，將大大保障管廊內人員的安全、降低運行維護成本，提高管廊智能化管理水平。

1 方案比較

相比于一般的定位系統，應用于城市綜合管廊的定位系統難點在于：城市綜合管廊一般位于地下，衛星定位系統無法進行精準定位，因此無法采用技術成熟的衛星定位系統。結合成本考慮，本文參考大型室內商場、地下停車庫和煤礦井下等室內或地下定位系統進行方案的選擇。查閱相關文獻可知：目前比較成熟的室內和地下人員定位系統，普遍采用的定位技術有紅外線、超聲波、RFID 識別、ZigBee、藍牙和WiFi 定位等傳感器技術。其中，紅外線技術定位精度較高，但是較易受外界其他光源干擾；超聲波技術結構簡單、定位精度高，但反射、散射現象嚴重，且具有較強的多徑效應；RFID 識別技術定位精度高、RFID 標簽成本低，但其精度需要依賴大量的RFID 敷設才能實現；ZigBee 技術具有低功耗、低速率、自組網能力強和自恢復能力強等優勢，目前逐漸應用于物聯網領域，但應用成本較高；藍牙技術具有短距離傳輸方便、低功耗的優點，適合在手機等移動設備中集成使用，缺點在于在復雜環境下易受到其他信號的干擾，影響較大；WiFi 定位技術具有高速率、覆蓋率高和組網方便等優點，使用時需要通過已知AP 的位置，經過一定算法對網絡內的目標進行定位。以上定位系統中用到的技術有自身的優點和局限性，需要根據具體的系統需求進行選擇。

本文結合城市地下綜合管廊的特點，加上定位系統需要傳遞其他參數信息，需要較高傳輸速率，選擇WiFi 定位技術作為主要的定位硬件。WiFi 定位主要依靠信息傳播模型與多個節點組合實現精確定位，該種技術成本低、易于安裝及無須基站，且屬于底層無線網絡結構[1]。結合城市地下綜合管廊的特點，WiFi 定位技術較適用于作為管廊人員定位系統。

室內環境復雜多樣，如何利用獲取的位置信息設計一種合適的定位算法計算位置是一個關鍵問題。查閱相關文獻可知，常用的定位算法有兩種：基于測距（Range-based）的距離相關算法和非基于測距（Rangefree）的距離無關算法。基于測距方法一般有基于RSSI值測距、到達時間（TOA）、達到時間差（TDOA）、到達角度（AOA）和三邊測量定位法等方法，精度都相對較高。非基于測距方法包括質心算法、DV-Hop 算法等，精度普遍低于前者[2-3]。經過綜合比較，本文采用三邊測量定位法，該算法具有模型簡單、計算量小和硬件依賴程度低等特點，更適用于城市地下綜合管廊人員定位系統。

2 系統總體設計

城市地下綜合管廊為地下空間，具有狹長、各類設備多、遮擋物多和環境復雜等特點，針對以上特點，本文參考了大型室內商場、地下停車庫和煤礦井下等室內或地下定位系統，基于ESP8266 設計了一套適用于城市地下綜合管廊的人員定位系統，系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

系統包含若干個客戶端節點和1 個服務器節點。客戶端節點和服務器節點均采用樂鑫ESP8266 WiFi模塊開發，2 類節點連接路由器的WiFi 熱點組成網絡。客戶端節點主要功能為：測量管廊內人員距該節點的距離，收集該節點的空氣質量信息，將獲得的參數信息整理成JSON 信息，通過WiFi 定時發送給服務器節點。服務器節點作為整個系統的核心節點，主要通過WiFi 接收各個節點的JSON 信息，進行解析后，采用三邊測量定位法計算出管廊內人員在管廊里的實時位置信息，通過歷史信息顯示人員的運動軌跡，并實時顯示管廊內的空氣質量，在發生異常情況時能及時報警。

3 客戶端和服務器節點設計

3.1 ESP8266 WiFi 模塊介紹

ESP8266 WiFi 模塊是安可信（Ai-Thinker）公司利用樂鑫ESP8266 開發的WiFi 模塊，開發人員可以通過編程，將模塊通過WiFi 連入網絡，實現物聯功能。ESP8266 WiFi 模塊具有性能穩定、低功耗、高度集成和成本低等優點。樂鑫公司向開發者提供了非常詳盡的技術文檔、設計參考和開發指南，同時該模塊也已應用在很多物聯網產品中，有非常豐富的案例提供參考，所以開發門檻相對較低、開發周期較短。模塊有3 種工作模式：STA、AP 和STA+AP。STA 模式可以實現模塊對設備的控制并將信息通過網絡進行傳輸，AP 模式可以作為熱點，將其他WiFi 設備連入網絡[4]。本文中的客戶端節點和服務器節點均采用STA 模式。

3.2 客戶端節點設計

客戶端模式的ESP8266 WiFi 節點通過測距模塊測得管廊內工作人員的距離信息，通過空氣質量檢測裝置獲得當前管廊內氧氣含量、一氧化碳含量、硫化氫含量、甲烷含量和氨氣含量[5]，將信息整理成JSON 格式，通過WiFi 發送給服務器模式的ESP8266 WiFi 節點，構成如圖2 所示。

圖2 客戶端模式的ESP8266 WiFi 節點

客戶端模式的ESP8266 WiFi 節點主要功能在于獲取管廊內人員的距離數據、獲取空氣質量數據，程序設計如圖3 所示。

圖3 客戶端程序流程圖

客戶端節點程序設計中，先初始化節點，初始化過程包含設置ESP8266 模塊模式、設置WiFi 名稱和WiFi 密碼等操作。成功連接WiFi 后，檢測是否有人，如果檢測到有人在節點附近，通過測距模塊測得管廊內工作人員的距離信息，通過空氣質量檢測裝置獲得當前管廊內氧氣含量、一氧化碳含量、硫化氫含量、甲烷含量和氨氣含量，將這些數據和本節點的位置信息、當前時間，整理成JSON 信息，發送至服務器端，接收到服務器響應信息后等待1 min，再次檢測是否有人、檢測環境空氣質量，如此反復，客戶端節點的程序一直處于循環狀態。

3.3 服務器節點設計

服務器模式的ESP8266 WiFi 節點作為整個系統的核心模塊，主要用于接受各個客戶端發來的JSON信息，并解析JSON 信息，通過三邊測量定位法計算出管廊內人員在管廊里的實時信息，通過歷史信息顯示人員的運動軌跡，并實時顯示管廊內的空氣質量。管廊內人員位置異常或者空氣質量異常，發出報警信息。構成如圖4 所示。

圖4 服務器模式的ESP8266 WiFi 節點

服務器模式的ESP8266 WiFi 節點程序設計如圖5 所示。

圖5 服務器端程序流程圖

服務器端節點設計中，先初始化節點，初始化過程包含設置節點的位置信息、設置ESP8266 模塊模式、設置WiFi 名稱和WiFi 密碼等操作。成功連接WiFi后，配置服務器的相關信息，完成之后運行服務器。當服務器接收到來自客戶端的請求之后，向客戶端發送響應，并開始解析JSON 信息。利用JSON 信息中人員到節點的距離，采用三邊測量定位法計算出管廊內人員在管廊里的實時信息，根據歷史信息繪制人員的運動軌跡。同時，將JSON 信息中包含的管廊空氣質量信息顯示出來。

4 通信數據設計

JSON（JavaScript Object Notation）是一種通用的輕量級數據交換文本格式。除了便于閱讀和編寫外，也便于機器解析和生成，非常適用于數據交換。本文的通信信息采用JSON 信息。客戶端節點將各類信息整理成JSON 信息，通過WiFi 發送給服務器節點，服務器節點將JSON 信息進行解析，并顯示管廊內人員的位置和空氣質量。本文中設計的JSON 信息內容示意圖如圖6 所示。

圖6 JSON 信息示例

JSON 信息主要包含客戶端節點位置信息、人員距離信息、空氣質量信息和當前時間。

5 數據分析

本系統涉及到的數據分析有3 部分：JSON 信息的解析、人員位置的計算和空氣質量信息的確定。數據分析內容均在服務器節點完成。其中JSON 信息只需在服務器節點完成解析、提取關鍵數據即可。空氣質量信息包含氧氣、一氧化碳、硫化氫、甲烷和氨氣幾種氣體含量，根據一定的權重取均值即可獲得管廊內空氣質量情況。3 部分數據中，需要重點處理的是人員距離信息，由于各客戶端節點測得的是人員距離節點的距離，所以需要利用3 個節點的信息，采用三邊測量定位法計算人員的具體位置，實現方法如下[6]：假設已知3 個節點所在位置分別為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），人員距離節點分別為R1，R2，R3，所求人員的位置坐標為（xM，yM）列出方程式如式（1）所示：

上述方程式組解得的（xM，yM）為t時刻，人員所在管廊中的二維坐標。隨著采集時間的累積，服務器端可以利用人員的歷史位置信息，繪制人員在管廊內的運動軌跡。

6 結束語

本文針對城市地下綜合管廊特點，基于ESP8266模塊，設計了一個人員定位系統，系統利用ESP8266體積小、成本低和方便組網的特點，設計了客戶端模式的ESP8266 節點和服務器模式的ESP8266 節點。客戶端主要用于測得管廊內人員的距離和當前節點的空氣質量，服務器端作為系統的核心，在獲取各客戶端JSON 信息后，進行解析計算后，獲取人員在管廊內的具體位置和管廊的空氣質量信息，并實時顯示出來。本文設計的綜合管廊人員定位系統能實時顯示管廊內人員的運動軌跡和空氣質量信息，大大保障了人員的安全，提高了管廊的智能化水平，隨著綜合管廊的建設，本系統后期也能與管廊中的其他智能化系統進行聯動，具有較高的應用價值。