淮南市市場(chǎng)監(jiān)督綜合行政執(zhí)法支隊(duì) 黃 英

針對(duì)某些情況下緊急事件的發(fā)生，提出一種緊急求助系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以便于在執(zhí)法過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)緊急情況。系統(tǒng)由一個(gè)安卓手機(jī)應(yīng)用程序連接到一個(gè)LoRa收發(fā)器，用戶可以發(fā)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(zhí)法人員。同時(shí)提出一個(gè)新的傳播算法來縮短求助時(shí)間，對(duì)系統(tǒng)在大范圍場(chǎng)景下的傳播和接收緊急求助的能力進(jìn)行了研究。通過實(shí)驗(yàn)，研究了基于LoRa的緊急求助系統(tǒng)的GPS定位的能力和能耗問題。結(jié)果表明，相比于其他傳播策略，該系統(tǒng)能夠減少所需的時(shí)間以便及時(shí)處理緊急事件的發(fā)生。

LoRa是一種基于擴(kuò)頻的低功耗長(zhǎng)距離無線通信技術(shù)，在物聯(lián)網(wǎng)的眾多支持技術(shù)中，低功耗廣域網(wǎng)受到廣泛的關(guān)注，LoRa作為L(zhǎng)PWAN技術(shù)的典型代表，受到了廣泛的關(guān)注與研究，當(dāng)某些緊急事件的發(fā)生，在保證遠(yuǎn)距離通信傳輸?shù)耐瑫r(shí)，可以最大限度地降低功耗，節(jié)約成本，我們?cè)诒疚闹忻枋隽艘訪oRa為基礎(chǔ)，在涉及緊急情況的人員之間進(jìn)行遠(yuǎn)程多跳通信，來求助相鄰的用戶或救援隊(duì)。由于LoRa物理層的特殊傳播條件，系統(tǒng)用戶擁有超遠(yuǎn)距離通信能力。我們還描述了一個(gè)協(xié)議，來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。本文研究的系統(tǒng)由LoRa收發(fā)器和安卓應(yīng)用程序組成，它通過藍(lán)牙連接進(jìn)行通信，該系統(tǒng)能夠在緊急情況下多跳的分發(fā)緊急消息。此外，由系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的新型傳播協(xié)議應(yīng)用程序，通過考慮用戶之間當(dāng)前的位置、狀態(tài)以及一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以在場(chǎng)景中進(jìn)行雙向通信。通過所設(shè)計(jì)的基于LoRa的緊急求助系統(tǒng)，用戶可以通過該平臺(tái)在LoRa平臺(tái)上發(fā)出帶有地理標(biāo)簽的幫助請(qǐng)求，該消息由其他系統(tǒng)用戶接收或傳播，直到到達(dá)救援人員手中并給出回應(yīng)。由LoRa和藍(lán)牙模塊組成的移動(dòng)應(yīng)用程序和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，通過電池和太陽能電池板供電。我們通過相關(guān)研究來評(píng)估該系統(tǒng)的性能，該方案能夠保證緊急解決時(shí)長(zhǎng)與能耗之間的最佳平衡點(diǎn)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文考慮了一種最壞的緊急情況，一般是在沒有互聯(lián)網(wǎng)的覆蓋或者交通狀況較差的農(nóng)村或?yàn)?zāi)后地區(qū)，每個(gè)設(shè)備即為一個(gè)智能手機(jī)，該智能手機(jī)可通過USB數(shù)據(jù)線或藍(lán)牙連接到LoRa模塊，并在后臺(tái)運(yùn)行應(yīng)用程序。本系統(tǒng)存在三種用戶節(jié)點(diǎn)：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(dāng)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(yīng)用程序手動(dòng)執(zhí)行，傳播求助消息可通過手動(dòng)或者超過設(shè)置的時(shí)長(zhǎng)后由系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出。圖1所示出了在具有求助者，幫助者和傳播者的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2 傳播協(xié)議

傳播協(xié)議的目標(biāo)是縮短緊急解決時(shí)長(zhǎng)，該時(shí)間定義為從緊急求助者發(fā)出緊急求助消息到求助者接收到回應(yīng)消息的時(shí)間間隔。該協(xié)議分為兩個(gè)主要階段：(1)識(shí)別階段。在該階段中，節(jié)點(diǎn)首次接收到緊急求助消息，并對(duì)求助消息進(jìn)行回應(yīng)或轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)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(gè)傳播者實(shí)施存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，直到從其相鄰用戶中接收到回應(yīng)消息。圖2描述了狀態(tài)圖，其中包含處理緊急事件的節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)和轉(zhuǎn)換。

圖2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

3 系統(tǒng)應(yīng)用程序和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

該系統(tǒng)是由安卓應(yīng)用程序和兩個(gè)外部物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備組件組成。在使用它之前，要求用戶通過獲取唯一的標(biāo)識(shí)符來注冊(cè)如圖3(a)，該應(yīng)用程序的圖3(b)提供了三個(gè)主要功能：(1)只需單擊相應(yīng)的按鈕即可啟動(dòng)相應(yīng)的程序。(2)它允許在地圖上追蹤正在進(jìn)行的緊急程序圖3(c)；(3)它允許調(diào)整LoRa模塊的設(shè)置圖3(d)。此外，該應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了多跳傳播，并且在安卓設(shè)備的后臺(tái)運(yùn)行。當(dāng)接收到緊急求助消息時(shí)，將向用戶顯示相關(guān)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(shè)備將其角色設(shè)置為幫助者，并發(fā)送回緊急求助回復(fù)消息。否則，在明確拒絕或在一定時(shí)間內(nèi)沒有用戶采取任何措施的情況下，設(shè)備會(huì)將其角色設(shè)置為傳播者，并自動(dòng)繼續(xù)分發(fā)緊急消息，而無需任何進(jìn)一步的手動(dòng)交互。

圖3 系統(tǒng)過程圖

其中設(shè)備通過藍(lán)牙連接到LoRa收發(fā)器。顯然，在實(shí)際場(chǎng)景中應(yīng)用時(shí)，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(shè)計(jì)改進(jìn)的系統(tǒng)，解決了這些限制，該設(shè)備由工作在433MHz頻段上的LoRa無線收發(fā)器和藍(lán)牙低功耗模塊組成。后者與智能手機(jī)配對(duì)，并啟用了智能手機(jī)和LoRa收發(fā)器之間的雙向通信通道。由于能量和計(jì)算方面的限制，根據(jù)之前的多跳分發(fā)協(xié)議進(jìn)行消息篩選、解析和分發(fā)的整個(gè)過程是在應(yīng)用程序的安卓設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)模塊由一個(gè)3.7V的鋰電池供電，該電池可以由一個(gè)外部太陽能電池板(1W，5.5V)充電。

4 系統(tǒng)整體實(shí)驗(yàn)

4.1 系統(tǒng)仿真測(cè)試

我們通過仿真評(píng)估系統(tǒng)的性能，重點(diǎn)是分發(fā)與接收方案的功能，以保證在大規(guī)模緊急情況下緊急求助消息和回復(fù)消息的有效多跳傳播。所有測(cè)試均通過MATLAB工具執(zhí)行。我們進(jìn)行了200次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，并計(jì)算了以下性能指標(biāo)的值：

緊急解決時(shí)長(zhǎng)，即為求助者發(fā)出求助消息到收到回應(yīng)消息的平均時(shí)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(shí)間內(nèi)收到回應(yīng)消息概率；

消息發(fā)送數(shù)，即為L(zhǎng)oRa節(jié)點(diǎn)在整個(gè)模擬過程中發(fā)送的求助消息的總數(shù)。

圖4、圖5和圖6描繪了當(dāng)改變場(chǎng)景中可用的用戶設(shè)備的數(shù)量時(shí)，對(duì)求助時(shí)間、解決率和消息發(fā)送數(shù)的影響。從圖4中，我們可以看到，由于傳輸范圍有限和環(huán)境的影響，與其他方案的性能比較，證明了改進(jìn)后系統(tǒng)的有效性，因此進(jìn)一步證明了將LoRa技術(shù)用于緊急求助應(yīng)用系統(tǒng)的合理性。當(dāng)增加N的值時(shí)，連續(xù)傳播方案會(huì)引起同步碰撞問題，所以變化并不明顯。對(duì)于N< 15，該系統(tǒng)較其他方案差距并不大。然而，當(dāng)N≥ 20時(shí)，本系統(tǒng)的變化激增，較其他方案都更為優(yōu)異。在圖5中可見求助時(shí)間隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化曲線，當(dāng)N≥ 20時(shí)，本系統(tǒng)的所耗費(fèi)的求助時(shí)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(xù)傳播帶來了最高的消息發(fā)送數(shù)，緊急求助解決率和緊急求助時(shí)間的性能提升并不與消息發(fā)送數(shù)成正比。當(dāng)N< 15，該系統(tǒng)消息發(fā)送數(shù)一直處于較低的水平，當(dāng)N=20，消息發(fā)送數(shù)有一定的升高，然后隨著N值的增大消息發(fā)送數(shù)隨之減小。還可以看出，該系統(tǒng)的消息發(fā)送數(shù)比其他方案要低得多。但是，本文的解決方案在求助時(shí)間和解決率方面帶來的性能提升是非?？捎^的，因此證實(shí)了該系統(tǒng)更有利于緊急情況下的應(yīng)用。

圖4 節(jié)點(diǎn)影響解決率圖

圖5 節(jié)點(diǎn)影響解決時(shí)長(zhǎng)圖

圖6 節(jié)點(diǎn)影響消息發(fā)送數(shù)圖

4.2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

我們對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。我們分析了該系統(tǒng)的定位過程的準(zhǔn)確性以及設(shè)備的能耗。對(duì)于前者，我們?cè)趫D7中描述了校園場(chǎng)景中進(jìn)行的定位測(cè)試的結(jié)果，設(shè)備的狀態(tài)包括移動(dòng)設(shè)備和靜態(tài)設(shè)備。移動(dòng)設(shè)備會(huì)定期發(fā)出求助消息，并等待從其他設(shè)備接收回應(yīng)消息，X軸表示節(jié)點(diǎn)之間的距離，而y軸代表所測(cè)算的距離。三角形點(diǎn)表示系統(tǒng)優(yōu)化前的測(cè)試結(jié)果；圓形虛線表示距離的理想測(cè)試值。方形的線表示系統(tǒng)優(yōu)化后的測(cè)量結(jié)果，它計(jì)算每個(gè)GPS樣本的平均估計(jì)距離。可以看到，當(dāng)距離小于35m或大于90m時(shí)，優(yōu)化后的系統(tǒng)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(qū)域內(nèi)的移動(dòng)設(shè)備和靜態(tài)設(shè)備的位置來進(jìn)行多次模擬。我們可以得出一定的結(jié)論，在90%的情況下，定位誤差都小于45m。

圖7 系統(tǒng)距離測(cè)量比較圖

接下來，我們分析了該系統(tǒng)設(shè)備的能耗，以及不同的參數(shù)設(shè)置對(duì)能耗的影響。由圖8所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中我們?cè)趥鬏敂?shù)據(jù)時(shí)測(cè)量了LoRa設(shè)備的功耗。在任何無線通信系統(tǒng)中，功耗都是發(fā)射功率的函數(shù)。但是，在此分析中，我們將發(fā)射功率固定為20dBm，在實(shí)驗(yàn)過程中更改了相關(guān)的LoRa傳輸配置數(shù)據(jù)，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(fā)送30B文件。由此可見，在所有測(cè)試配置中，由于傳輸階段引起的功率消耗都非常相似，準(zhǔn)確值由表1示出。

從表1可以看出，消耗的能量與系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置有一定的關(guān)系。實(shí)際上，第四種參數(shù)設(shè)置與第三種設(shè)置相比效率非常低，在第四種配置下，我們僅發(fā)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(shí)間就能夠發(fā)送6kB，由圖8所示，能源效率僅為0.216mJ/bit，同時(shí)，它保證了相當(dāng)長(zhǎng)的覆蓋范圍。因此，選擇該系統(tǒng)配置應(yīng)考慮到設(shè)備能耗問題，根據(jù)目標(biāo)使用最佳的參數(shù)設(shè)置。

圖8 傳輸數(shù)據(jù)消耗能圖

表1 能量消耗

結(jié)論：在本文中，我們研究了一種緊急求助系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)能夠多跳分發(fā)求助消息，其中包含有關(guān)請(qǐng)求幫助的用戶位置和求助類型。用戶通過移動(dòng)應(yīng)用程序生成的求助消息是通過包含LoRa收發(fā)器的物聯(lián)網(wǎng)模塊傳輸?shù)?。同時(shí)我們描述的算法，即：三邊測(cè)量技術(shù)的定位算法，能夠準(zhǔn)確的定位到求助者的位置。通過對(duì)系統(tǒng)的三方面的性能評(píng)估，可得出本系統(tǒng)的可應(yīng)用性。其次，MATLAB仿真結(jié)果表明，在模擬緊急情況下，與其他傳播協(xié)議相比，本系統(tǒng)能夠在時(shí)間閾值內(nèi)保證緊急求助的解決，并能夠產(chǎn)生更高的解決率和更低的解決時(shí)長(zhǎng)，本系統(tǒng)的性能更為優(yōu)異。最后，我們研究了有關(guān)本系統(tǒng)的定位技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)模塊的能耗問題，由試驗(yàn)結(jié)果可以得出結(jié)論，該系統(tǒng)提出的一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，能夠在最短的時(shí)間內(nèi)找到幫助者，大大減少求助者的等待時(shí)間，所以本系統(tǒng)具有較大的應(yīng)用前景。