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?xì)夂凸┡裙こ逃谝惑w的隧道空間，是保障城市正常運(yùn)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(yùn)維人員進(jìn)入管廊作業(yè)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在管廊的運(yùn)行和維護(hù)階段，有必要對(duì)管廊內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)管廊內(nèi)的作業(yè)人員進(jìn)行精確定位。然而，查閱了相關(guān)文獻(xiàn)，未發(fā)現(xiàn)針對(duì)城市綜合管廊的人員定位系統(tǒng)的研究，進(jìn)行了相應(yīng)的市場(chǎng)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(shí)際工程情況，設(shè)計(jì)了針對(duì)城市地下綜合管廊的人員定位系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)定位管廊中人員的位置，同時(shí)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(yùn)行維護(hù)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(diǎn)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(jìn)行精準(zhǔn)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(chǎng)、地下停車庫和煤礦井下等室內(nèi)或地下定位系統(tǒng)進(jìn)行方案的選擇。查閱相關(guān)文獻(xiàn)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(shí)別、ZigBee、藍(lán)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(jiǎn)單、定位精度高，但反射、散射現(xiàn)象嚴(yán)重，且具有較強(qiáng)的多徑效應(yīng)；RFID 識(shí)別技術(shù)定位精度高、RFID 標(biāo)簽成本低，但其精度需要依賴大量的RFID 敷設(shè)才能實(shí)現(xiàn)；ZigBee 技術(shù)具有低功耗、低速率、自組網(wǎng)能力強(qiáng)和自恢復(fù)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，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(lán)牙技術(shù)具有短距離傳輸方便、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，適合在手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備中集成使用，缺點(diǎn)在于在復(fù)雜環(huán)境下易受到其他信號(hào)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(diǎn)，使用時(shí)需要通過已知AP 的位置，經(jīng)過一定算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行定位。以上定位系統(tǒng)中用到的技術(shù)有自身的優(yōu)點(diǎn)和局限性，需要根據(jù)具體的系統(tǒng)需求進(jìn)行選擇。

本文結(jié)合城市地下綜合管廊的特點(diǎn)，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(gè)節(jié)點(diǎn)組合實(shí)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(diǎn)，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(jì)一種合適的定位算法計(jì)算位置是一個(gè)關(guān)鍵問題。查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，常用的定位算法有兩種：基于測(cè)距（Range-based）的距離相關(guān)算法和非基于測(cè)距（Rangefree）的距離無關(guān)算法?；跍y(cè)距方法一般有基于RSSI值測(cè)距、到達(dá)時(shí)間（TOA）、達(dá)到時(shí)間差（TDOA）、到達(dá)角度（AOA）和三邊測(cè)量定位法等方法，精度都相對(duì)較高。非基于測(cè)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(cè)量定位法，該算法具有模型簡(jiǎn)單、計(jì)算量小和硬件依賴程度低等特點(diǎn)，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(jì)

城市地下綜合管廊為地下空間，具有狹長(zhǎng)、各類設(shè)備多、遮擋物多和環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，針對(duì)以上特點(diǎn)，本文參考了大型室內(nèi)商場(chǎng)、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(jì)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(gè)客戶端節(jié)點(diǎn)和1 個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)。客戶端節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器節(jié)點(diǎn)均采用樂鑫ESP8266 WiFi模塊開發(fā)，2 類節(jié)點(diǎn)連接路由器的WiFi 熱點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)。客戶端節(jié)點(diǎn)主要功能為：測(cè)量管廊內(nèi)人員距該節(jié)點(diǎn)的距離，收集該節(jié)點(diǎn)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(shí)發(fā)送給服務(wù)器節(jié)點(diǎn)。服務(wù)器節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心節(jié)點(diǎn)，主要通過WiFi 接收各個(gè)節(jié)點(diǎn)的JSON 信息，進(jìn)行解析后，采用三邊測(cè)量定位法計(jì)算出管廊內(nèi)人員在管廊里的實(shí)時(shí)位置信息，通過歷史信息顯示人員的運(yùn)動(dòng)軌跡，并實(shí)時(shí)顯示管廊內(nèi)的空氣質(zhì)量，在發(fā)生異常情況時(shí)能及時(shí)報(bào)警。

3 客戶端和服務(wù)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

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(shí)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(diǎn)。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(jì)參考和開發(fā)指南，同時(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)模塊對(duì)設(shè)備的控制并將信息通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，AP 模式可以作為熱點(diǎn)，將其他WiFi 設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò)[4]。本文中的客戶端節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器節(jié)點(diǎn)均采用STA 模式。

3.2 客戶端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

客戶端模式的ESP8266 WiFi 節(jié)點(diǎn)通過測(cè)距模塊測(cè)得管廊內(nèi)工作人員的距離信息，通過空氣質(zhì)量檢測(cè)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(diǎn)，構(gòu)成如圖2 所示。

圖2 客戶端模式的ESP8266 WiFi 節(jié)點(diǎn)

客戶端模式的ESP8266 WiFi 節(jié)點(diǎn)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(jì)如圖3 所示。

圖3 客戶端程序流程圖

客戶端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)中，先初始化節(jié)點(diǎn)，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(cè)是否有人，如果檢測(cè)到有人在節(jié)點(diǎn)附近，通過測(cè)距模塊測(cè)得管廊內(nèi)工作人員的距離信息，通過空氣質(zhì)量檢測(cè)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(diǎn)的位置信息、當(dāng)前時(shí)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(cè)是否有人、檢測(cè)環(huán)境空氣質(zhì)量，如此反復(fù)，客戶端節(jié)點(diǎn)的程序一直處于循環(huán)狀態(tài)。

3.3 服務(wù)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

服務(wù)器模式的ESP8266 WiFi 節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，主要用于接受各個(gè)客戶端發(fā)來的JSON信息，并解析JSON 信息，通過三邊測(cè)量定位法計(jì)算出管廊內(nèi)人員在管廊里的實(shí)時(shí)信息，通過歷史信息顯示人員的運(yùn)動(dòng)軌跡，并實(shí)時(shí)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(bào)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(diǎn)

服務(wù)器模式的ESP8266 WiFi 節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)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(diǎn)設(shè)計(jì)中，先初始化節(jié)點(diǎn)，初始化過程包含設(shè)置節(jié)點(diǎn)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(yùn)行服務(wù)器。當(dāng)服務(wù)器接收到來自客戶端的請(qǐng)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(diǎn)的距離，采用三邊測(cè)量定位法計(jì)算出管廊內(nèi)人員在管廊里的實(shí)時(shí)信息，根據(jù)歷史信息繪制人員的運(yùn)動(dòng)軌跡。同時(shí)，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(jì)

JSON（JavaScript Object Notation）是一種通用的輕量級(jí)數(shù)據(jù)交換文本格式。除了便于閱讀和編寫外，也便于機(jī)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(diǎn)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(diǎn)，服務(wù)器節(jié)點(diǎn)將JSON 信息進(jìn)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(jì)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(diǎn)位置信息、人員距離信息、空氣質(zhì)量信息和當(dāng)前時(shí)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(jì)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(diǎn)完成。其中JSON 信息只需在服務(wù)器節(jié)點(diǎn)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?jǐn)?shù)據(jù)中，需要重點(diǎn)處理的是人員距離信息，由于各客戶端節(jié)點(diǎn)測(cè)得的是人員距離節(jié)點(diǎn)的距離，所以需要利用3 個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息，采用三邊測(cè)量定位法計(jì)算人員的具體位置，實(shí)現(xiàn)方法如下[6]：假設(shè)已知3 個(gè)節(jié)點(diǎn)所在位置分別為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），人員距離節(jié)點(diǎn)分別為R1，R2，R3，所求人員的位置坐標(biāo)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(shí)刻，人員所在管廊中的二維坐標(biāo)。隨著采集時(shí)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(yùn)動(dòng)軌跡。

6 結(jié)束語

本文針對(duì)城市地下綜合管廊特點(diǎn)，基于ESP8266模塊，設(shè)計(jì)了一個(gè)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(diǎn)，設(shè)計(jì)了客戶端模式的ESP8266 節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器模式的ESP8266 節(jié)點(diǎn)?？蛻舳酥饕糜跍y(cè)得管廊內(nèi)人員的距離和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)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(jìn)行解析計(jì)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(shí)時(shí)顯示出來。本文設(shè)計(jì)的綜合管廊人員定位系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示管廊內(nèi)人員的運(yùn)動(dòng)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(jìn)行聯(lián)動(dòng)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。