林 章

（浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)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(chǔ)設(shè)施。但管廊普遍空間狹窄、內(nèi)部情況復(fù)雜，施工和運維人員進入管廊作業(yè)存在一定的風(fēng)險。因此，在管廊的運行和維護階段，有必要對管廊內(nèi)的環(huán)境進行監(jiān)控，對管廊內(nèi)的作業(yè)人員進行精確定位。然而，查閱了相關(guān)文獻，未發(fā)現(xiàn)針對城市綜合管廊的人員定位系統(tǒng)的研究，進行了相應(yīng)的市場調(diào)研，也并未發(fā)現(xiàn)適用于城市綜合管廊的人員定位系統(tǒng)。因此，研發(fā)一套適用于城市地下管廊的人員定位系統(tǒng)，用于保證內(nèi)部人員安全是非常有必要的。本文結(jié)合實際工程情況，設(shè)計了針對城市地下綜合管廊的人員定位系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測管廊內(nèi)的氧氣、一氧化碳、硫化氫、甲烷和氨氣含量等空氣質(zhì)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(nèi)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(tǒng)，應(yīng)用于城市綜合管廊的定位系統(tǒng)難點在于：城市綜合管廊一般位于地下，衛(wèi)星定位系統(tǒng)無法進行精準定位，因此無法采用技術(shù)成熟的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。結(jié)合成本考慮，本文參考大型室內(nèi)商場、地下停車庫和煤礦井下等室內(nèi)或地下定位系統(tǒng)進行方案的選擇。查閱相關(guān)文獻可知：目前比較成熟的室內(nèi)和地下人員定位系統(tǒng)，普遍采用的定位技術(shù)有紅外線、超聲波、RFID 識別、ZigBee、藍牙和WiFi 定位等傳感器技術(shù)。其中，紅外線技術(shù)定位精度較高，但是較易受外界其他光源干擾；超聲波技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單、定位精度高，但反射、散射現(xiàn)象嚴重，且具有較強的多徑效應(yīng)；RFID 識別技術(shù)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(shè)才能實現(xiàn)；ZigBee 技術(shù)具有低功耗、低速率、自組網(wǎng)能力強和自恢復(fù)能力強等優(yōu)勢，目前逐漸應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，但應(yīng)用成本較高；藍牙技術(shù)具有短距離傳輸方便、低功耗的優(yōu)點，適合在手機等移動設(shè)備中集成使用，缺點在于在復(fù)雜環(huán)境下易受到其他信號的干擾，影響較大；WiFi 定位技術(shù)具有高速率、覆蓋率高和組網(wǎng)方便等優(yōu)點，使用時需要通過已知AP 的位置，經(jīng)過一定算法對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的目標進行定位。以上定位系統(tǒng)中用到的技術(shù)有自身的優(yōu)點和局限性，需要根據(jù)具體的系統(tǒng)需求進行選擇。

本文結(jié)合城市地下綜合管廊的特點，加上定位系統(tǒng)需要傳遞其他參數(shù)信息，需要較高傳輸速率，選擇WiFi 定位技術(shù)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(jié)點組合實現(xiàn)精確定位，該種技術(shù)成本低、易于安裝及無須基站，且屬于底層無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[1]。結(jié)合城市地下綜合管廊的特點，WiFi 定位技術(shù)較適用于作為管廊人員定位系統(tǒng)。

室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜多樣，如何利用獲取的位置信息設(shè)計一種合適的定位算法計算位置是一個關(guān)鍵問題。查閱相關(guān)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(guān)算法和非基于測距（Rangefree）的距離無關(guān)算法?；跍y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(zhì)心算法、DV-Hop 算法等，精度普遍低于前者[2-3]。經(jīng)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(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

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

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)包含若干個客戶端節(jié)點和1 個服務(wù)器節(jié)點?？蛻舳斯?jié)點和服務(wù)器節(jié)點均采用樂鑫ESP8266 WiFi模塊開發(fā)，2 類節(jié)點連接路由器的WiFi 熱點組成網(wǎng)絡(luò)。客戶端節(jié)點主要功能為：測量管廊內(nèi)人員距該節(jié)點的距離，收集該節(jié)點的空氣質(zhì)量信息，將獲得的參數(shù)信息整理成JSON 信息，通過WiFi 定時發(fā)送給服務(wù)器節(jié)點。服務(wù)器節(jié)點作為整個系統(tǒng)的核心節(jié)點，主要通過WiFi 接收各個節(jié)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(nèi)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(nèi)的空氣質(zhì)量，在發(fā)生異常情況時能及時報警。

3 客戶端和服務(wù)器節(jié)點設(shè)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(fā)的WiFi 模塊，開發(fā)人員可以通過編程，將模塊通過WiFi 連入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)物聯(lián)功能。ESP8266 WiFi 模塊具有性能穩(wěn)定、低功耗、高度集成和成本低等優(yōu)點。樂鑫公司向開發(fā)者提供了非常詳盡的技術(shù)文檔、設(shè)計參考和開發(fā)指南，同時該模塊也已應(yīng)用在很多物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品中，有非常豐富的案例提供參考，所以開發(fā)門檻相對較低、開發(fā)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(xiàn)模塊對設(shè)備的控制并將信息通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，AP 模式可以作為熱點，將其他WiFi 設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò)[4]。本文中的客戶端節(jié)點和服務(wù)器節(jié)點均采用STA 模式。

3.2 客戶端節(jié)點設(shè)計

客戶端模式的ESP8266 WiFi 節(jié)點通過測距模塊測得管廊內(nèi)工作人員的距離信息，通過空氣質(zhì)量檢測裝置獲得當(dāng)前管廊內(nèi)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(fā)送給服務(wù)器模式的ESP8266 WiFi 節(jié)點，構(gòu)成如圖2 所示。

圖2 客戶端模式的ESP8266 WiFi 節(jié)點

客戶端模式的ESP8266 WiFi 節(jié)點主要功能在于獲取管廊內(nèi)人員的距離數(shù)據(jù)、獲取空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，程序設(shè)計如圖3 所示。

圖3 客戶端程序流程圖

客戶端節(jié)點程序設(shè)計中，先初始化節(jié)點，初始化過程包含設(shè)置ESP8266 模塊模式、設(shè)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(jié)點附近，通過測距模塊測得管廊內(nèi)工作人員的距離信息，通過空氣質(zhì)量檢測裝置獲得當(dāng)前管廊內(nèi)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(shù)據(jù)和本節(jié)點的位置信息、當(dāng)前時間，整理成JSON 信息，發(fā)送至服務(wù)器端，接收到服務(wù)器響應(yīng)信息后等待1 min，再次檢測是否有人、檢測環(huán)境空氣質(zhì)量，如此反復(fù)，客戶端節(jié)點的程序一直處于循環(huán)狀態(tài)。

3.3 服務(wù)器節(jié)點設(shè)計

服務(wù)器模式的ESP8266 WiFi 節(jié)點作為整個系統(tǒng)的核心模塊，主要用于接受各個客戶端發(fā)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(nèi)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(nèi)的空氣質(zhì)量。管廊內(nèi)人員位置異?；蛘呖諝赓|(zhì)量異常，發(fā)出報警信息。構(gòu)成如圖4 所示。

圖4 服務(wù)器模式的ESP8266 WiFi 節(jié)點

服務(wù)器模式的ESP8266 WiFi 節(jié)點程序設(shè)計如圖5 所示。

圖5 服務(wù)器端程序流程圖

服務(wù)器端節(jié)點設(shè)計中，先初始化節(jié)點，初始化過程包含設(shè)置節(jié)點的位置信息、設(shè)置ESP8266 模塊模式、設(shè)置WiFi 名稱和WiFi 密碼等操作。成功連接WiFi后，配置服務(wù)器的相關(guān)信息，完成之后運行服務(wù)器。當(dāng)服務(wù)器接收到來自客戶端的請求之后，向客戶端發(fā)送響應(yīng)，并開始解析JSON 信息。利用JSON 信息中人員到節(jié)點的距離，采用三邊測量定位法計算出管廊內(nèi)人員在管廊里的實時信息，根據(jù)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(zhì)量信息顯示出來。

4 通信數(shù)據(jù)設(shè)計

JSON（JavaScript Object Notation）是一種通用的輕量級數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交換。本文的通信信息采用JSON 信息?？蛻舳斯?jié)點將各類信息整理成JSON 信息，通過WiFi 發(fā)送給服務(wù)器節(jié)點，服務(wù)器節(jié)點將JSON 信息進行解析，并顯示管廊內(nèi)人員的位置和空氣質(zhì)量。本文中設(shè)計的JSON 信息內(nèi)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(jié)點位置信息、人員距離信息、空氣質(zhì)量信息和當(dāng)前時間。

5 數(shù)據(jù)分析

本系統(tǒng)涉及到的數(shù)據(jù)分析有3 部分：JSON 信息的解析、人員位置的計算和空氣質(zhì)量信息的確定。數(shù)據(jù)分析內(nèi)容均在服務(wù)器節(jié)點完成。其中JSON 信息只需在服務(wù)器節(jié)點完成解析、提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)即可?？諝赓|(zhì)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(jù)一定的權(quán)重取均值即可獲得管廊內(nèi)空氣質(zhì)量情況。3 部分數(shù)據(jù)中，需要重點處理的是人員距離信息，由于各客戶端節(jié)點測得的是人員距離節(jié)點的距離，所以需要利用3 個節(jié)點的信息，采用三邊測量定位法計算人員的具體位置，實現(xiàn)方法如下[6]：假設(shè)已知3 個節(jié)點所在位置分別為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），人員距離節(jié)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(wù)器端可以利用人員的歷史位置信息，繪制人員在管廊內(nèi)的運動軌跡。

6 結(jié)束語

本文針對城市地下綜合管廊特點，基于ESP8266模塊，設(shè)計了一個人員定位系統(tǒng)，系統(tǒng)利用ESP8266體積小、成本低和方便組網(wǎng)的特點，設(shè)計了客戶端模式的ESP8266 節(jié)點和服務(wù)器模式的ESP8266 節(jié)點?？蛻舳酥饕糜跍y得管廊內(nèi)人員的距離和當(dāng)前節(jié)點的空氣質(zhì)量，服務(wù)器端作為系統(tǒng)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(nèi)的具體位置和管廊的空氣質(zhì)量信息，并實時顯示出來。本文設(shè)計的綜合管廊人員定位系統(tǒng)能實時顯示管廊內(nèi)人員的運動軌跡和空氣質(zhì)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(shè)，本系統(tǒng)后期也能與管廊中的其他智能化系統(tǒng)進行聯(lián)動，具有較高的應(yīng)用價值。