趙樹海

（煙臺市消防救援支隊 山東 煙臺 264000）

0 引言

近年來，災害和突發(fā)事件頻發(fā)，對人類生命財產(chǎn)安全構成嚴重威脅。 在災難面前，信息通信成為了救援行動中不可或缺的一環(huán)，無線通信系統(tǒng)在尋找幸存者、調(diào)度救援資源等方面起著至關重要的作用。 然而，傳統(tǒng)的有線通信系統(tǒng)往往在天氣惡劣、設備受損或網(wǎng)絡拓撲物理結(jié)構限制下會失靈，因此，建立一個穩(wěn)定工作的無線通信系統(tǒng)，已經(jīng)成為應急救援中的迫切需求［1］。 本文提出了一種基于WiFi 技術的應急救援無線通信系統(tǒng)。 WiFi 技術作為當前先進的無線網(wǎng)絡技術之一，利用其高速、可靠、低成本等特點，對現(xiàn)有的應急救援體系進行改進與優(yōu)化。 在未來，需進一步完善系統(tǒng)性能及安全性，并加強與其他應急設備及平臺的集成，更好地服務社會，為應急救援事業(yè)作出貢獻。

1 應急救援事故分析

應急救援事故是指突發(fā)事件和緊急情況，如自然災害、意外事故等，需要立即采取行動來保護人民財產(chǎn)安全。這類事故通常需要快速響應和協(xié)調(diào)合作，以最大限度地減少損失并確保應急救援行動安全。 應急救援事故的難點在于時間緊迫、環(huán)境惡劣、任務復雜多變等，應急救援需要盡快實施。 當遇到一個危險的緊急事件時，需要快速組建專業(yè)救援隊伍，并制定應急方案，提高救援效率。 受災區(qū)域通常環(huán)境極端惡劣，有時甚至無法進入。 此外，救援人員可能面臨物資缺乏、裝備不足、無法滿足基本生活需求等挑戰(zhàn)。 應急救援任務在一定程度上存在風險，可能涉及多個方面，如次生災害、物資運輸、醫(yī)療救助等。

2 構建應急救援無線通信系統(tǒng)的必要性和可行性

應急救援系統(tǒng)工作需要快速、及時地響應，無線通信系統(tǒng)能夠提供便捷靈活的通信方式，使救援人員能夠在緊急情況下有效的溝通和協(xié)調(diào)行動，迅速作出決策；在災害或緊急情況下，傳統(tǒng)的有線通信設施可能遭到破壞或中斷，而無線通信系統(tǒng)具有獨立性，不依賴于現(xiàn)有的基礎設施，能夠在不利環(huán)境下仍然正常運作，提供可靠的通信保障；無線通信系統(tǒng)可以通過多個節(jié)點之間的互聯(lián)，形成多路徑傳輸，增加通信的穩(wěn)定性和覆蓋范圍。 這對于大面積災害區(qū)域或復雜環(huán)境下的通信需求非常重要，如山區(qū)、水上或深層地下等；現(xiàn)代的無線通信系統(tǒng)不僅可以提供語音通信功能，還能夠支持數(shù)據(jù)和圖像的傳輸，使救援人員可以實時獲取環(huán)境數(shù)據(jù)、監(jiān)控圖像等信息，輔助決策和救援工作；無線通信系統(tǒng)由小型的無線傳感器節(jié)點組成，易于部署和擴展，能夠靈活應對各種應急救援場景的需求，例如災區(qū)搜索與救援、醫(yī)療緊急救援、自然災害預警等。

3 在應急救援中運用基于WiFi 技術的無線通信系統(tǒng)的意義

在應急救援行動中，有效通信是確保信息傳遞和資源協(xié)調(diào)的關鍵。 基于WiFi 技術的無線通信系統(tǒng)能夠提供在受災區(qū)域內(nèi)高效、快速、充足且經(jīng)濟的網(wǎng)絡通信選項。 該系統(tǒng)在應急救援中具有以下意義：

（1）能夠覆蓋更廣闊的區(qū)域。 WiFi 系統(tǒng)在可用范圍內(nèi)可以實現(xiàn)很好的覆蓋，因此，當突發(fā)事件發(fā)生時，即使地面設施被毀，一定數(shù)量的部署依然存在。

（2）快速構建。 WiFi 網(wǎng)絡能夠通過現(xiàn)有設施進行快速架構和搭建，例如利用路由器等設備來搭建臨時的WiFi 網(wǎng)絡。 這意味著在接收到緊急消息后，救援人員能夠迅速搭建WiFi 網(wǎng)絡，以及進行溝通和資源分享，提高效率［2］。

（3）多設備介入。 基于WiFi 的通信系統(tǒng)支持多種設備接入，包括計算機、智能手機、平板電腦等，使得救援協(xié)調(diào)更加靈活、方便。

（4）易于管理。 WiFi 網(wǎng)絡易于管理，因為路由器可以很容易地進行設置和配置。

（5）安全可控。 WiFi 網(wǎng)絡可以集中管理，實現(xiàn)身份認證、加密等多種安全措施，并允許針對特定用戶或災區(qū)進行大量參數(shù)設定。 有效保障了通信數(shù)據(jù)的完整性。

基于WiFi 技術的無線通信系統(tǒng)可以確保救援協(xié)調(diào)并及時減輕緊急情況下發(fā)生事故的可能性，從而提高人們的生命安全和財產(chǎn)保護效率。

4 基于WiFi 技術的應急救援無線通信系統(tǒng)的設計

4.1 WiFi 技術概述

WiFi 是一種無線局域網(wǎng)技術，它使用無線信號將設備連接到互聯(lián)網(wǎng)，從而提供了一種方便且快速的互聯(lián)網(wǎng)接入方式。 WiFi 技術建立在IEEE802.11 協(xié)議標準上，能夠提供高速數(shù)據(jù)傳輸和廣泛的應用領域。 WiFi 采用無線連接方式，不需要使用電纜連接即可進行網(wǎng)絡通信，其具有較高的傳輸速率和更低的延遲，可以滿足實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?由于不存在傳統(tǒng)網(wǎng)絡連接所需的電纜、端口等，使得WiFi 方便使用，可以輕松訪問互聯(lián)網(wǎng)。 WiFi 支持加密、密碼保護和虛擬私人網(wǎng)絡等安全措施，數(shù)據(jù)傳輸安全可靠程度較高［3］。

WiFi 技術自1997 年推出以來，經(jīng)歷了長時間的持續(xù)發(fā)展和演變，以適應越來越復雜的應用需求。 WiFi 標準的演進從最初的802.11 b 到現(xiàn)在的802.11ax，每一代標準都提高了無線傳輸速率，提高了用戶的體驗。 除了增加速度，WiFi 技術還將傳輸范圍擴大到更廣的區(qū)域。 對于更加安全的數(shù)據(jù)傳輸，WiFi 技術在各個方面作出了改進，包括強化密碼加密方式和身份驗證，以及更加嚴格的網(wǎng)絡準入控制。 WiFi 技術的不斷創(chuàng)新，為用戶創(chuàng)造出了更快、更可靠、更順暢、更便利的網(wǎng)絡體驗。

WiFi 技術的應用領域較廣泛，可以應用于個人及商業(yè)網(wǎng)絡。 現(xiàn)代智能手機和平板電腦都內(nèi)置了WiFi 技術，無需通過數(shù)據(jù)線或其他標準接口即可連接到互聯(lián)網(wǎng)，并實現(xiàn)應用程序下載、在線游戲、視頻流媒體等功能。 在災害救援現(xiàn)場，WiFi 技術應用也越來越廣泛，如水利防汛、現(xiàn)場指揮通信、安全系統(tǒng)等設備之間的通信。

4.2 應急救援無線系統(tǒng)的具體設計

4.2.1 網(wǎng)絡拓撲的設置

要明確應急救援的通信需求和范圍，并確定系統(tǒng)所需的覆蓋區(qū)域和用戶數(shù)量。 這有助于確定部署無線訪問點的數(shù)量及位置；進行地理勘查，了解通信環(huán)境，包括建筑物、地形和障礙物等因素，確保達到最大程度的無線覆蓋；進行頻譜規(guī)劃，避免其他無線設備的干擾；基于地理勘查和覆蓋需求，在合適的位置安裝無線訪問點，確保訪問點之間的距離足夠接近，從而保證網(wǎng)絡覆蓋的連貫性；根據(jù)無線訪問點的位置，進行網(wǎng)絡布線，確保布線符合安全標準，并選擇合適的電纜和連接設備；將無線訪問點連接到網(wǎng)絡，并通過管理界面進行必要的配置；使用集中化的控制器來管理無線訪問點，將其連接到控制器，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡的集中管理、配置及監(jiān)控；安裝完成后，進行信號測試，驗證覆蓋范圍和信號強度，根據(jù)結(jié)果進行優(yōu)化及調(diào)整；建立一個監(jiān)控系統(tǒng)，用于實時監(jiān)測無線網(wǎng)絡的性能和狀態(tài)，定期檢查和更新網(wǎng)絡設備的固件和驅(qū)動程序，及時解決故障及漏洞。

4.2.2 無線通信信道的建立

無線通信信道是應急救援無線通信系統(tǒng)的關鍵。 首先，需要尋找可用的信道。 由于頻段受限制，需要實現(xiàn)有效的信道選擇算法才能在緊急情況下成功地建立連接。停用現(xiàn)有通信頻道，確保沒有干擾。 如果有其他頻道正在使用，可以協(xié)商或者利用頻道搜索功能，找到一個沒有人使用的頻道；掃描頻率范圍內(nèi)的可用信道，采集信道信息，如信號強度、噪聲等參數(shù)；通過比較信道信息，找到最優(yōu)信道；對信道進行測試和驗證，確保其可用性。 其次，配置路由器和接入點（AccessPoint，AP）。 安裝路由器和接入點，使用無線連接的方式對其進行連接；打開瀏覽器，在地址欄輸入默認地址HTTP：/ /192.168.0.1，連接到路由器的管理界面；第一次登錄時需要設置管理員賬戶和密碼，通過這個賬戶對路由器進行設置及管理；設置SSID（service set identifier），SSID 是WLAN 無線局域網(wǎng)的名稱，應根據(jù)實際需要設置一個易于辨認和記憶的名稱，同時禁用廣告；設置WiFi 的加密方式，選用最新的AES 算法，用WPA2 PSK＋AES 的加密方式對密碼進行設置、保存并應用配置，隨后重啟路由器，確保所有設置生效。 最后，建立連接。 一旦所有設備已成功配置，可以嘗試與要連接的網(wǎng)絡進行通信［4］。 為了獲得最佳的連接質(zhì)量，在初始化連接期間需要進行多次嘗試才能真正建立連接。 如果網(wǎng)絡連接速度低于期望值，則可能需要重新尋找新的通信信道并重新配置路由器及AP。

4.2.3 個人終端設計

在應急救援無線通信系統(tǒng)中，環(huán)境參數(shù)采集模塊、語音模塊、MCU 處理模塊、無線功放模塊、鍵盤輸入模塊、WiFi 模塊、液晶顯示模塊等眾多模塊組成個人終端硬件。具體設計圖見圖1。 應急救援無線通信系統(tǒng)中個人終端的硬件主要有主板、屏幕、手柄、電池、天線、音頻設備、定位設備、存儲卡、保護外殼與其他部件。 主板負責整個設備的運行和控制，具有處理數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)及存儲數(shù)據(jù)的功能。 屏幕用于顯示文字、圖片、視頻等信息。 手柄是操作設備的主要方式，設計上要求簡單易用并便于操作。 電池用來提供設備工作所需的電力，要滿足較長使用時間和快速充電的需求，天線是用來接收和發(fā)送無線通信信號的重要部件，設計需考慮信號傳輸性能和天線長度［5］。 音頻設備用于語音通信，包括麥克風和揚聲器。 存儲卡通常用于存儲和傳輸數(shù)據(jù)。 除此以外，還包括USB 接口、喇叭、指示燈等其他的輔助部件。

圖1 無線網(wǎng)絡個人終端設計圖

4.2.4 中繼臺設計

在災害救援后的戰(zhàn)評總結(jié)中，其中經(jīng)常被提到的一點就是通信覆蓋范圍受限導致通信不暢，影響救援效能。 因此，應急救援無線通信系統(tǒng)中，中繼臺是用于擴展基站覆蓋范圍的重要設備。 在中繼臺設計的過程中，在位置的選擇上，需要選在基站信號覆蓋的范圍外，在信號較弱或不可達區(qū)域的高地上或建筑物等高處。 根據(jù)系統(tǒng)架構和技術選型選擇中繼臺所采用的制式和技術標準，如安全性能、工作頻段、輸出功率等。 根據(jù)通信量需求和覆蓋范圍確定中繼臺所需寬帶。 中繼臺一般需要穩(wěn)定可靠的電源供應，選用有線供電的方式可以為中繼臺提供穩(wěn)定的供電方式。 由于應急救援現(xiàn)場環(huán)境復雜，中繼臺需要具有抗干擾和防水、防塵等特性。 為了遠程監(jiān)控維護和故障排除，要考慮中繼臺設備與后臺監(jiān)控平臺的聯(lián)網(wǎng)問題。 中繼臺和其他無線設備之間的距離和環(huán)境因素會影響鏈接質(zhì)量，需要進行現(xiàn)場測試和調(diào)整。

中繼臺的主要作用就是在應急救援無線通信系統(tǒng)與個人終端之間構建中繼通道，使通信距離得到延長。 中繼臺通過雙WiFi 芯片，定向天線與雙功放方案，通過定向天線使通信距離得到有限的延長。 中繼臺具體設計圖見圖2。

圖2 中繼臺具體設計圖

4.2.5 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的設計

在應急救援無線通信系統(tǒng)中，監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)是用于對無線通信網(wǎng)絡進行遠程監(jiān)控和管理的重要設備。 根據(jù)實際需求及網(wǎng)絡規(guī)模，確定監(jiān)控系統(tǒng)所需要監(jiān)控的對象、區(qū)域和范圍，如基站、中繼站、無線終端等。 界定監(jiān)控指標，包括信號質(zhì)量、傳輸速率、連接狀態(tài)等。 同時也要考慮故障告警、安全事故告警等異常情況的預警機制。 根據(jù)監(jiān)測指標確定需要采用何種技術手段進行監(jiān)測，比如數(shù)據(jù)抓取、無人機巡檢、視頻監(jiān)控等。 匯總、解析和分析所有監(jiān)控數(shù)據(jù)，并提供實時報警，以便快速處理各類突發(fā)問題并作出及時決策。 監(jiān)控系統(tǒng)需要具備實現(xiàn)遠程控制的功能，如遠程操作設備、指派任務、協(xié)調(diào)工作等。 考慮監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)與其他軟件硬件的兼容性，包括無線網(wǎng)絡設備、監(jiān)控平臺、數(shù)據(jù)庫，并提供易于擴展與升級的接口和功能模塊。建立合適的訪問控制與權限管理機制來保證數(shù)據(jù)的安全性，確保在運營中不會出現(xiàn)因為系統(tǒng)級別的漏洞而引發(fā)不必要的事故。

4.2.6 通信協(xié)議的設計

應急救援無線通信系統(tǒng)的通信協(xié)議設計需要考慮傳輸速率、數(shù)據(jù)可靠性、網(wǎng)絡連接等因素。 在設計中，可以在以下方面進行優(yōu)化：采用基于IEEE 802.11 協(xié)議的無線傳輸協(xié)議，該協(xié)議是WiFi 技術支持的核心協(xié)議之一，能夠提供快速的數(shù)據(jù)傳輸并保障傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性；TCP/IP 協(xié)議是互聯(lián)網(wǎng)中常見的協(xié)議之一，通過構建可靠的數(shù)據(jù)傳輸和控制機制，來保證傳輸數(shù)據(jù)的完整性、實時性和準確性；在使用分布式算法進行救援資源分配和調(diào)度時，通信協(xié)議也需要相應的調(diào)整。 可以考慮按照救援任務的類型和緊急程度對資源進行分配，并設置權重控制，以提高指揮系統(tǒng)的靈活性和效率；針對無線環(huán)境和應急情況下的數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定的特點，在協(xié)議的具體設計中可以采用流控制、擁塞控制、錯誤校正等機制來保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，加強抗干擾和容錯能力。 通過這些優(yōu)化，可以為應急救援無線通信系統(tǒng)的設計提供更好的技術支持和應用保障。

5 結(jié)語

在現(xiàn)代社會中，應急救援無線通信系統(tǒng)具有十分重要的意義，可以在緊急情況下為救援提供實時、高效的通信方式。 針對目前的趨勢及發(fā)展需求，本文提出了基于WiFi 技術的應急救援無線通信系統(tǒng)設計，該系統(tǒng)利用了WiFi 技術的高速傳輸和寬帶特點，解決了傳統(tǒng)無線通信寬帶不足的問題，并且穩(wěn)定性強、成本較低，適用于快速部署和使用。 未來，應急救援無線通信系統(tǒng)仍將不斷發(fā)展和創(chuàng)新，在應急救援領域的突破和應用拓展將帶來更為廣闊的前景和挑戰(zhàn)。