基于手機數據采集分析的綜合救援移動機器人的設計

席宇迪 程晶晶 周明龍

關鍵詞：數據采集；救援移動機器人；IMSI

救援是指個人或人們在遭遇災難或其他非常情況（含自然災害、意外事故、突發危險事件等）時，獲得實施解救行動的整個過程；救援事業是指能夠做長久完善的準備和隨時隨地能夠及時實施解救行動的事務；救援產業是一個以完善的體系、系統或鏈條為平臺、以自身的系統化規模化模式化等為基礎、能夠長久完善地準備、隨時隨地實施解救行動并能夠最終實現各方應有受益和收益的實業經濟[2]。根據近幾年地震救援情況不難看出，由于地震發生后廢墟結構極不穩定，很容易對在廢墟中的救援隊員造成危險。而涉核、涉化設施的震后救援，更充滿危險性。一些大面積的倒塌建筑，可以借助機械挖掘搜索，但一些縫隙、狹小空間等，救援隊員進去有危險，大型設備又沒有“用武之地”，就需要一些特定的設備來完成搜救。現有的救援移動機器人不能精準地檢測被救人員的位置，導致位置不明確，給救援行動帶來不便，且被困的人員長時間的恐懼中，容易因為害怕和恐慌導致情緒較低，嚴重影響被困人員的求生欲望，很多設備都是體積龐大，不方便攜帶。根據手機通信協議3GPP TS36.304部分的描述，手機在空閑狀態下會搜索周圍的基站，選擇信號比較強的基站進行接入。利用這一特征，可以研發手機偽基站設備，通過2G和4G的手機偽基站技術，可以把周圍的手機吸引過來注冊，獲取其手機標識號碼IMSI號碼，然后可以利用IMSI進行定位和發送手機短信。根據這一特征，本文設計了一種手機數據采集分析綜合救援移動機器人，針對該裝備設計了一種配套的手機數據采集分析綜合救援系統。

1 手機數據采集分析綜合救援移動機器人的設計

1.1 手機數據采集分析綜合救援移動機器人的技術方案

針對現有的救援移動機器人不能精準地檢測被救人員的位置，導致救援行動遲緩這一問題，本文設計了一種手機數據采集分析綜合救援移動機器人。如圖1～圖4所示，其中：1-設備機箱；2-滾輪；3-風扇；4-出風口；5-電線連接口；6-網口；7-數字密碼鎖；8-提手；9-插孔；10-信號采集裝置；11-定向天線；12-場強測量儀。一種手機數據采集分析綜合救援移動機器人，包括設備機箱、滾輪、提手，設備機箱底部四角均通過連接軸連接有滾輪，設備機箱底部設置有風扇，風扇一側設置有出風口，設備機箱的頂部設置有多個電線連接口，電線連接口一側設置有網口，設備機箱的頂部固定設置有提手，提手頂部一側設置有數字密碼鎖，設備機箱的頂部遠離網口的一側設置有插孔，設備機箱內設置有電路模塊、基帶板，設備機箱內的電路模塊、基帶板通過電線連接口連接的電線與天線電性連接，設備機箱內的電路模塊、基帶板電線連接有定向天線，定向天線電性連接有場強測量儀，場強測量儀與手機連接。設備機箱和天線組成了信號采集裝置，且天線至少設置三根。對被救人員的手機信號進行收集和發射，確認被救人員數量，根據搜集到的手機號碼，通過電腦（主控）發短信，提醒、安撫被救人員，有利于救援的進行。出風口至少設置兩個。給工作的設備機箱進行散熱，有利于設備機箱的工作[3]。插孔至少設置三個，且插孔與設備機箱內的電路模塊電性連接。場強測量儀的型號為EMF829，場強測量儀、定向天線和手機組成了單兵作戰裝置。對手機信號進行感應，精準定位被困人員，提高救援率[4]。風扇外側設置有鋼絲網，且鋼絲網通過螺釘與設備機箱的底部固定連接。給工作中的設備機箱內的電器元件進行散熱，延長使用壽命[5]。

1.2 手機數據采集分析綜合救援移動機器人的工作原理

通過滾輪把箱體移動到指定位置，然后通過電線連接口連接的電線連接定向天線，箱體和天線組成的信號采集裝置搜集被救援人員的手機號碼，確認被救人員數量，根據搜集到的手機號碼，通過電腦（主控）發短信，提醒、安撫被救人員，使用單兵作戰裝置對手機信號進行感應，場強測量儀進行測量手機信號，定向天線進行定位，精準定位被困人員。裝置的設備機箱體積小，便于攜帶，對被救人員的手機信號進行收集和發射，確認被救人員數量，根據搜集到的手機號碼，通過電腦（主控）發短信，提醒、安撫被救人員，有利于救援的進行，且設備機箱設置的風扇、出風口和滾輪，方便對設備機箱進行散熱和移動，給使用帶來便利，設置的定向天線、場強測量儀和手機組成的單兵作戰裝置，對手機信號進行感應，精準定位被困人員，提高救援率，給使用者帶來便利[6]。

2 手機數據采集分析綜合救援系統的設計

2.1 手機數據采集分析綜合救援系統的設計方案

本文針對手機數據采集分析綜合救援移動機器人設計了一種手機數據采集分析綜合救援系統，包括電腦上位機、路由器、LTE模塊、GSM模塊、功率放大模塊。電腦上位機內設置有上位機操作模塊，且上位機操作模塊電性連接有路由器，路由器電性連接有LTE模塊、GSM模塊，LTE模塊、GSM模塊均電性連接有功率放大模塊，功率放大模塊電性連接有天線。優點是：通過移動機器人收集采集節點對移動路徑進行規劃，使移動機器人行走的距離更短，提升移動機器人的數據收集速度，降低能耗。該系統可以通過獲取到的IMSI號碼判斷受災人數，進行救災人力配置；可以利用短信讓被地震所埋的手機發出聲音，便于判斷被埋人員位置；定位功能，可以對地震被埋人員隨身攜帶的手機進行定位，從而判斷位置，起到快速救人的目的。

電腦上位機上安裝的上位機軟件通過路由器連接有基帶板，且上位機軟件通過TCP協議與基帶板通信連接。基帶板上運行的軟件由C語言開發，由GCC編譯器編譯。該軟件對基帶板上的射頻單元進行操作，根據上位機筆記本電腦發來的數據進行編碼、解碼、發射和接收數據[7]。筆記本上的軟件由C#語言開發，由visual studio軟件進行編譯。該軟件通過TCP協議來和基帶板進行通信，對基帶板發送數據，控制基帶板的運行，并接收基帶板發來的數據，顯示到界面里供用戶使用。

電腦上位機上安裝的上位機軟件與定位單兵設備電性連接。定位單兵設備可以隨身攜帶使用，該設備上運行的軟件由C語言開發，可以對指定的頻點的上行信號進行解析，從中測量出手機的信號強度，并顯示到軟件界面中，根據該信號強度可以判斷出大致的距離對手機進行定位。LTE模塊為ME3860，GSM模塊的型號為TC35，功率放大模塊的型號為RA60H1317M1A。

2.2 手機數據采集分析綜合救援系統的工作原理

電腦上位機1負責提供用戶操作界面，發送指令給LTE模塊3和GSM模塊4對數據進行編碼，發送給功率放大模塊5，模塊放大信號強度后，通過天線6發射，利用手機會選擇信號強的基站接入的特點，用偽基站設備將周圍手機吸附到偽基站設備中，在獲取其IMSI號碼后，統計出周圍的手機數量，然后通過多次偵碼和號碼比對的功能，統計出周圍手機的大致數量，然后通過IMSI發送短信，并通過IMSI號碼進行定位。經測試，在室內可以穿透4層樓房發揮作用，在室外的建筑工地測試，可以穿透地面的水泥、磚頭發揮作用。采用本技術方案，本系統可以應用在地震、泥石流等地質災害中，可以協助救援人員快速定位、加快救援速度。機器人通過路勁規劃算法自行移動，通過人機界面觀測機器人的運動狀態，同時機器人將現場各種反饋信息實時傳遞回界面供操作人員參考。生命無價，搜救人員以及被困人員的人身安全同等重要。及時掌握災難現場環境狀況可以有效保障搜救人員的人身安全，成功搜索到被困人員并給予營養補給，可以有效延續被困人員生命，為其提供生存信心。

2.3 手機數據采集分析綜合救援系統的控制方法

手機數據采集分析綜合救援系統的控制方法，包括以下步驟：

步驟1：監聽基帶板發來的數據，如果接到了基帶板發來的請求接入數據，證明該基帶板已經運行正常，就可以在軟件界面上顯示該基帶板連接正常，用戶隨后可以在軟件中啟動基帶板，基帶板啟動后，基帶板上的軟件，根據上位機筆記本電腦發來的參數來配置，發射廣播信號，利用手機選擇信號強的基站接入的特點，吸引手機過來注冊，在獲取手機的IMSI號碼后，將手機重定向到其他基站上去[8]；

步驟2：獲取的IMSI號碼可以存儲到筆記本電腦的硬盤上，并可以對兩個存儲的文件進行比對，將其中重復的號碼提取到軟件界面中；

步驟3：在獲取周圍的手機IMSI號碼后，還可以對其中的號碼進行定位，具體的技術途徑是將指定的IMSI號碼在上位機軟件中發送到基帶板中，基帶板中的軟件將這個指定號碼的手機常駐在基站中，并不停止地發送信號給這個手機，使這個手機回應，從而產生信號，定位單兵測量到信號強度，并顯示到操作界面中，從而測量出距離；

步驟4：上位機軟件還可以給移動的GSM手機發送短信，軟件先對短信內容進行編碼，然后通過TCP協議發送給基帶板，基帶板通過信道將短信發送給手機[9]。

3 結束語

針對現有救援移動機器人的現狀，本文設計了手機數據采集分析綜合救援移動機器人，同時設計了該裝備配套的救援系統。設計的救援移動機器人體積小，便于攜帶，可以應用在地震、泥石流等地質災害中，可以協助救援人員快速定位、加快救援速度，可以通過獲取到的IMSI號碼判斷受災人數，進行救災人力配置，可以利用短信讓被地震所埋的手機發出聲音，便于判斷被埋人員位置，定位功能可以對地震被埋人員隨身攜帶的手機進行定位，從而判斷位置，起到快速救人的目的，提高救災效率；同時通過電腦（主控）發短信，提醒、安撫被救人員，有利于救援的進行。